板式换热器在暖通空调设计中的应用

点击：2433 日期：[ 2014-04-26 22:00:48 ]

板式换热器在暖通空调设计中的应用徐桓 (同济规划建筑设计研究总院) 摘要:阐述了板式换热器类型、优点及其在暖通空调工程设计中的应用实例。关键词:板式换热器空调水系统热交换 1.目前板式换热器的技术特点当今的板式换热器具有更薄的热交换板面、较大的传热系数和在板片上作皱使传热路线增长以增强传热能力、降低传热温差至1℃ 以下等特点。同时，换热板片间的密封垫片采用改进型的聚合物材料(NBR丁睛橡胶、 EPDM三元乙丙胶、TP氟橡胶、FPM氟橡胶)，以增大板式换热器工作压力和温度的范围。换热板片采用高强度、耐腐蚀和光洁材料，如不锈钢、高质量的合金钢或钦合金等，以增大板式换热器的应用范围。对于暖通空调专业，大多采用不锈钢板片板式换热器。板式换热器具有几种不同的类型，每一种类型都有多种规格的换热板片供选择，可通过板片组合数量的不同，使其参数(如换热量，压降等)非常接近于设计者的要求。为了提高效率，板式换热器一般都配置有较先进的温度控制器，使其运行达到最佳状态，有效地节约能源。 2.典型板式换热器的性能比较 80年代中期，Alfa一Laval公司推出的钎焊型板式换热器，与垫料型比较其最大优点是构造简单，重量较轻，换热板片用黄铜焊接成组，被放置在真空炉内生产而成，其板片组合极其紧密，避免了采用垫料、框架、支承杆和紧固螺栓组合等复杂的工艺。最初用于加热生活热水，实践证明它也可用于暖通空调领域，特别是用于冷冻循环的蒸发器和冷凝器。两种板式散热器性能参数列于表1。从表1可知，垫料型的板式换热器的应用范围更广泛，价格也较便宜。这样，系统设计者有以上两种型式的板式换热器可供选用。 3.板式换热器的维护和检修与壳管式换热器等其他种类的热交换设备相比，板式换热器的维护管理要简单和方便一些。如果换热器运行正常，定期的维护工作就是清洗换热器内部的换热板面。以壳管式换热器为例，若想作管间清洗是很困难的，就是要作管内清洗也较麻烦，尤其是要在换热器的端部留出较长的拆装和拔管束的操作距离(一般是换热管束长度的1.5倍)，占用空间较大。对于垫料型板式换热器而言，拆装和清洗就很方便，并且耗时较少，不需很大的操作距离;唯一稍费时间的操作就是更换旧的垫料，但在国外已开始采用以夹子或搭扣形式连接的垫料，在日常的维护中可以很方便地拆下旧的并更换上新的，使这一操作大为简化。卸开来的一块块板片，其热交换面是完全暴露的，清洗起来很方便，可以用诸如10%的盐酸等溶液来清洗，省时省力。清洗后，可迅速将板片重新组装。4在暖通空调工程设计中应用板式换热器随着暖通空调技术和换热器技术的不断发展，在暖通空调工程中采用板式换热器的实例越来越多，系统设计也越来越完善，应用范围越来越广。 4.1越高层建筑中央空调水系统由于超高层建筑的总高度已越过100m，空调水系统管道承受的水静压力也超过了常规建筑，尤其是建筑物的较低部分水静压力会大于空气处理设备(如柜式空调器、风机盘管等)内铜质管束、甚至冷暖水主机内管束的最高承压能力。现在通常的解决办法是两种:l)设立二个相互独立的高、低区空调水系统，在底层(或地下室)设低区冷冻一热力机房，在中间层(或屋顶)设高区冷冻一热力机房，这样高、低二区空调水系统及空调器的管束最多也只随受大楼高度一半左右的水静压力;2)只在底层(或地下室)设立冷冻一热力机房，将冷(暖)水(一次水) 供给低区空调系统，同时供给设在中间层的板式换热器，板式换热器内另一个和一次水系统完全隔开的空调水(二次水)系统，该系统与高区空调器相连接，这样高、低二区的空调水系统实际上也分成了二个相对独立的单元，二个系统通过板式换热器相联系，其最大的优点是高、低二区共用一个集中的冷暖机房和设备，可省去另一个冷暖机房(虽然增加了板式换热器，但占用面积要小得多，且可利用低净高的无用房间)，经济性好，且维护管理方便，参见图1。笔者在1991年进行上海电信大楼空调改造工程设计时，最大的问题就是水静压力问题。电信大楼空调水系统最大的高度约115m，冷冻一热力机房设在半地下室，内置100万kcal小离心式冷水机组二台和其他辅助设备，原设计为高、低区二个相互独立的空调水系统，各由一台冷水机组供冷媒水;由于大楼建成后，电信程控机房等均采用恒温恒湿空调机，所以中央空调系统的冷量有富裕，业主有意将高、低二区空调水系统合二为一，这样在大多数情况下二台冷水机组可一用一备，无需全开，有利于节能和运行管理。经调查，冷水机组蒸发器内的管束可承受合并后的高水静压力，大楼内绝大多数空调器无需更换，只需把最下面几层的空调器换成耐高压管束型(可达180m水静压力)就可以了;主要问题在于离心式冷水机组自身的电机水冷却夹套(铸铁制)和油冷却器的冷却，它们是采用冷媒水来冷却的，经查询，夹套最高也只能承受10Om的水静压力，所以对机组的自冷却系统我们采用了H13B型板式换热器(耐压 l.60MPa)，用高压的冷媒水(一次水)来间接冷却低压的二次水，由二次水再来冷却电机和油冷却器，运行后经实测，一次水和二次水的传热温差为成1.0℃，冷却效果极好。参见图2。 4.2闭式冷却水系统在空调工程(尤其是大型中央空调工程) 中，采用闭式冷却水系统具有很大的好处。开式冷却水系统虽然简单实用，造价较低，但也存在着水质差、冷却水被污染严重、微生物繁殖等弊病，从而造成系统内的腐蚀和结垢，影响使用效果，缩短机组和管道的使用寿命。采用闭式冷却水系统可以克服以上缺点，还可在过渡季或冬季进行“经济循环”，有效地利用大自然的能源，将冷却水直接供给空调水管路系统;但这种系统也还存在着闭式冷却塔造价高、由于管束很重而需要很强的基础或支架(尤其设在屋面上时会给结构设计带来一定难度，增加了设备基础的造价)、在严冬时会由于结冰而冻坏管束等问题。目前国内也有厂家在生产密封式蒸发冷却塔，其循环冷却水量约为巧一25t小，这一产品具有结构紧凑体积小、噪声低、调节灵活等特点，但价格相当高，参见图3。另一种更经济的办法是采用连接于板式换热器的开式冷却塔，而板式换热器与冷冻机的冷凝器之间为闭式冷却水系统。由于采用了板式换热器，所以可以得到极小的换热温差。如果使用河水或海水等低质量的冷却水，那么采用板式换热器就十分合适，板片为合多钢或钦金属，相对于不锈钢而言只增加了一些费用。这种冷却水系统形式在国外已经得到了广泛的应用，参见图4。 4.3冷媒水机组中的应用板式换热器已被成功地用作冷水机组的蒸发器和冷凝器。典形的例子就是模块化冷水机组，其最大特点就是蒸发器和冷凝器均采用了结构紧凑、传热效率高的板式换热器。该机组的蒸发器和冷凝器所用的传热板片为304号不锈钢制成，板片表面压制成人字形波纹，钎焊制成不可拆结构，密封性好，承压能力高，其耐压静荷载可达5600kPa(56kg/c时);采用逆流式交换，传热温差比壳管式小得多，即在冷凝器中制冷剂(采用R22)的冷凝温度更加接近于冷却水的出口温度，冷凝的过冷度较大，在蒸发器中冷冻水的出口温度更加接近于蒸发温度，这样就有效地改善了循环效率，使耗电量降低，所需的换热板片面积相对也可较小，蒸发器和冷凝器的尺寸也就很小;由于板式换热器中的紊流度较高，所以它的污垢系数比壳管式小得多，蒸发器和冷凝器的结垢程度很轻，水侧的压降只有38一56kPa(0.38一0.56kg/c时)，因而运行更为稳定;板式换热器中开始产生紊流的雷诺数要比壳管式小，所以流量变化对传热的影响不大，流量容许变化的范围可以较大，对于系统设计很有利;蒸发器和冷凝器的板片表面有一层薄的钝化膜，可以用化学方法进行清洗。模块化冷水机组采用板式换热器作为蒸发器和冷凝器，传热系数为传统的壳管式换热器的三倍多，其尺寸比壳管式小三分之一多，结构重量也轻得多，充制冷剂和充水的容量要小得多，其重量比相同能力的壳管式换热器要小 70%多。模块化冷水机组的重量约为同容量普通冷水机组的三分之一，所需机房空间约为普通机组的40%，且管道、蒸发器和冷凝器的检修空间很小，可安装在闲置的狭小房间内，节约50%的地面面积，甚至还可安装在室外空地、屋面或平台上，尤其是采用风冷冷凝器的模块化冷水机组就更省机房面积了。笔者在工程设计中数次应用模块化冷水机组，感觉较好。参见图5。用作蒸发器和冷凝器的板式换热器参数为: 最高工作压力:2800汗a(Zskg/cm罕); 流量范围:3.26一6.241/s; 压力降:38一56kPa; 污垢系数:蒸发器0.09时K八W，冷凝器 0.18时K/kW; 板片厚度:内部板0.45~，外部板1.60 11刀n10 另外，在国外的最新发展中，板式换热器已经被用作热泵机组的蒸发器和冷凝器。这里有一个实例:一台热泵机组在冬季加热循环的乙二醇，从1.2℃升温至2.1℃;加热介质为海水，在一台起蒸发器作用的板式换热器中，海水从4.0℃降温至0.5℃。夏季，热泵机组从冬季的加热工况切换为冷却工况，海水从巧℃升温至 27℃，这时的板式换热器又变成了冷凝器，循环的乙二醇从30℃被却至18℃。冬、夏季交替用作蒸发器和冷凝器的二台换热器均为板式换热器，热泵机组的尺寸和重量也可减小。模块化风冷热泵型冷水机组也已开始在国内生产。 4.4 冷水机组旁路系统在设计冷却水机组旁路系统时，用板式换热器提供的小温差，就会节约相当大的能量。该旁路系统是一个开环的冷却水系统。当冷却水的温度降至10一13℃时，就可以关闭中央空调的冷水机组系统，同时打开旁路系统，依靠板式换热器使闭环的空调水与开环的冷却水作热交换，可以获得极小的换热温差，既满足空调要求，又利用了自然界的能源，不仅节能，还避免了将易污染、易腐蚀的冷却水系统直接接人空调水系统而随之引发的不良后果。采用这种经济节能的系统型式，可使运行和维护费用大大减少，参见图6。 4.5区域集中供热站中的应用板式换热器用于区域集中供热是十分理想的，因为它具有紧凑的结构，运行流量也较小，设计选用时具有很大的灵活性和自由度。在一个典型的区域供热网内，建有许多设置了板式换热器的热力站，主热力站和用户热力站均散布在热力分配网周围。热力网向热力站供给循环使用的中压高温水，在热力站内加热用户使用的低压低温水。这里举一个主热力站的实例:它的供热能力为2500kw，采用一台垫料型板式换热器，一次水(加热水)供水温度为 no℃，二次水(被加热水)温度由71℃开至 82℃。另一个用户热力站的实例是:供热能力为60kw，一次供水温度为82℃，二次水温度由 10℃升至60℃。区域集中供热中采用板式换热器作为一次水加热二次水的热力站设备，在国内外已经越来越普遍，它将逐步取代壳管式等传统的换热设备。由于板式换热器采用模数化设计，所以当要求热力站的供热量增大时，只需简单地在原有的板式换热器框架和支承杆上增添一些相同规格的换热板片就行了。国内也在向这一方向发展，一些生产厂已经开发出了使用板式换热器的热力站集中供热机组:l)汽水一水水两级换热机组，它适合于加热介质为蒸汽时应用，可取代传统的汽一水换热器加水一水换热器的组合，机房安装面积可节省四分之三左右;由于第一级采用汽一水直接换器，第二级采用水一水板式换热器用凝结水间接加热采暖热水，所以板式换热器承受的温度就不会很高，可延长其密封胶垫的使用寿命;机组为机电一体化，操作简便，工况稳定，耐腐蚀，容易拆卸和清垢维修，能有效地利用低压蒸汽，无噪声，高效节能，参见图7。 2)水一水整体式换热机组，它适合于加热介质(一次水)为供热管网供来的高温水时应用，机组内部由板式换热器、循环水泵(二次水)、定压补水装置、电控箱等组成，等于是一个完整的“热力站”，完全可以取代传统的由壳管式水一水换热器为主构成的热力站，机房面积可大大减小，参见图8。 4.6其他设计应用举例 4.6.1可逆空调系统可逆空调系统在国内还很少看到，在国外也是一种新的空调系统形式。它的工作原理是:在建筑物的每个房间内都安装有各自的空调机组，这些空调机组是以水作为冷媒和热媒的。建筑物内的环境工况由控制冷、热源的温度并动态校正来满足，加热时用一台锅炉，冷却时用一台冷却塔，该冷却塔和一台板式换热器联成环路，板式换热器与空调水系统又联成另一个环路。 4.6.2游泳池废热利用板式换热器还可用于加热温水游泳馆的池水。为节约能量，可利用游泳池的连续排水(在国外，该排水量一般)5%池容量)的废热量来预热补充水。 5 结语从以上论述可以看出，应用板式换热器能够更有效和更合理地利用有限的能源。板式换热器在很多方面的优势，鼓励和推动着暖通空调工程师把它应用到本专业的各个领域。在今后的暖通空调工程设计中，板式换热器将被越来越多地应用和发展。参考文献 1.[日]高效热交换器数据手册编委会.高效热交换器数据手册.机械工业出版社，1987 2.汤蕙芬，范季贤.城市供热手册.天津科学技术出版社， 1992

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