淺析浮動盤管型換熱器

摘要：介紹了當前國內浮動盤管型換熱器的基本型式：總結了浮動盤管型換熱器的基本型式；總結了浮動盤型換熱器優點；指出了其在構造原理、檢修、自動脫垢及產熱量等方面存在的問題或應注意的事項，論述了應如何評價和選項用換熱器。

關鍵字：換熱器浮動盤管型構造檢修自動脫垢產熱量選用隨著我國經濟建設的發展，生活用熱水的換勢設備日新月異，涌現了不少新技術新產品，其中浮動盤管型換熱器、彈性管束換熱器是近年來國內生活熱水集中供熱系統中較典型的設備。

下面就浮動盤管型換熱器的現狀及發展應用中存在的一些問題，如：是否現有的浮動盤管型換熱器都是先進產品，浮動盤管型換熱器是否不需要檢修，對于浮動盤管容積式換熱器是否單罐產熱水量越高越好，什么叫半即熱式換熱器及其與快速換熱器有何不同，什么叫半容積式換熱器及其與窖式換熱器有什么區別，如何較全面地評價選用生活熱水用的換熱器等提出個人的點滴看法。1當前國內浮動盤管型換熱器的一些基本形式1.1盤管型式1.1.1立式螺旋型

其基本構造是幾個不同旋轉直徑的豎向螺旋管組成一級管束。但其組合分配型式有較大差異，按管束末端的構造又可分為下述兩種類型。

（1）末端為自由浮動的分配器（也稱之為惰性塊）見圖1、圖2。

圖形1、圖2中的分配器具有兩個功能：其一，使熱媒在各管束內較均勻的分配，增大流程，以利充分換熱；其二，起陰尼作用，防止共振破壞。圖2所示帶有兩個惰性塊，還可起誘導振動的受體作用，能提高傳熱效率。

（2）盤管始、末端采用分、集水短管連接，如圖3所示。國內大部分生產浮動盤管型換熱器的廠家均采用這種做法。

1.1.2水平螺旋型

它是由一根根水平螺旋管組成，按其分水與集水立管的位置也分為兩種類型：分水立管、集水立管邊置型，如圖4所示；分水立管、集水立管中置型，如圖5所示。

1.2換熱器的型式

1.2.1半即熱式

典型產品是熱高牌半即熱式換熱器

1.2.2容積式

這是近幾年來國內生產廠家發展較快，品種繁雜的產品。據初步了解，大概有如圖6所示的產品。2、浮動盤管型換熱器的優點浮動盤管型換熱器與U型管換熱器相比，在換熱性能上的優越性，主要體現在如下兩個方面。

2.1傳熱系數K值有所提高

山東工業大學程林教授在他發表的“彈性管束換熱器的發展與應用”一文中提到：“與一般的管束式換熱器相比，在相同流速條件下，彈性管束汽水熱交換器的傳熱系數提高了200%，同時，彈性管束亦比浮動盤管的傳熱系數提高40%。

筆者也做過幾次浮動盤管型容積式換熱器的熱工性能測試。其結果及它與我在前幾年研制的RV系列容積式換熱器、HRV系列半容積式換熱器在水-水換熱工況下的性能曲線比較見圖7。

從圖7可以看出：在水-水換熱時，相同熱媒流速條件下，DFRV浮動盤管換熱器的K平均值分別為RV-03、RV-04、HRV-01、HRV-02的1.40、1.31與1.12倍。

需說明的是圖7的比較是粗淺的，因為它只固定了熱媒流速一個因素。傳熱系數的基本公式為：1/K=1/α1+δ/λ+1/α2

式中：K----傳熱系數；

α1----熱媒向換熱管內壁的放熱系數；α2----換熱管外壁向被加熱水的放熱系數；

δ-----壁厚、水垢和鐵銹的總厚度；λ----管壁、水垢、鐵銹等的導熱系數。圖7中的關系只反映了K與α1（因與α1熱媒流速V1成正比）的關系。由于容積式換熱器被加熱水流速V2很低，又很難計算確定，并且對于生活熱水換熱器來說，換熱器的產熱量主要是滿足規定溫度下的設計耗熱量即可。因此，我們沒有做更深入的工作，作出相應不同熱媒流速V1，被加熱水流速V2的對應K值的關系曲線。也就是說，圖7中的關系線未反映出K與V2即α2之關系。另外RV、HRV系列換熱器測試所用U型管的管材分別為￠19×2的鋼管和￠×19期1.5的銅管。而DFRV浮動盤管型容積式換熱器是采用￠16×1.0的紫銅管、即δ/λ值，后者低于前者。盡管δ/λ值對K值的影響不很大，但也是一個因素。

因此，從我們實測的結果看，浮動盤管的K值是高于U型管的，但究竟高多少，尚待做進一步的工作。

2.2浮動盤管型容積式換熱器可以提高容積利用率

U型管容積式換熱器受容器構造之要求，一般熱熱盤管距容器的底部需有相當大的距離（見圖8）

圖8所示傳統U型管容積式換熱器冷水區約占整個容器容積的20%--30%，即它的有效貯熱容積只為70%--80%。

RV、03、04系列帶導流裝置的容積式換熱器與無導流的傳統容積式換熱器相比雖大有改善，但仍有10%左右的冷溫水區。

浮動盤管型換熱器的換熱盤管距容器底可以近到100mm左右（如圖6（a)、(c)、(d)所示）。其冷水區就很小，有效貯熱容積可達95%左右，大大提高了換熱器的容積利用率。3幾個問題的探討3.1一些產品的構造原理上存在問題3.1.1浮動盤管臥置

有的產品為了滿足檢修或滿足層高不夠的要求，將浮動盤管臥置做成立、臥式容積式換熱器，如圖6（e)、(f)、(g)所示。

盤管臥置后改變了立置的工況，其傳熱效果能否和盤管立置完全一樣有待測試研究。另則這種產品用于汽-水換熱時，由于換熱器是間斷工作的，容易造成盤管下部積聚凝結水。而它又無法像蒸汽管系統或其它用汽設備那樣設置疏水器及時排走這部分凝結水，這樣支行起來就會出現汽水撞擊的問題。盡管其產生的噪聲因其淹沒在水中不一定對周圍有多大影響，但每次汽水撞擊均有可能損壞管束，尤其是引起管束與分水集水立管連接處的脫焊。

3.1.2浮動盤管上置圖6（b）所示的立式容積式換熱器是將浮動盤管上置的典型產品示意。這種產品設計的主要用意可能在于有利于解決抽出盤管來檢修的問題。但這種構造很明顯的問題是，盤管下部的容器空間全是冷水區，容積利用率極低，它起不到貯熱調節作用。

3.1.3熱媒短路

國內大多數數浮動盤管型換熱器均存在這一問題。圖3所示是熱媒短路的一種表現，圖中內圈螺旋管旋轉半徑小、流程短；外圈螺旋管旋轉半徑大、流程長；各圈的流程均不相同，最外圈與最內圈長度相差近8倍。這樣運行起來，勢必是內圈熱媒流量大，外圈流量小，熱媒分布極不均勻。

熱媒沿分水立管、集水立管自下而上均勻頒布是熱媒短路的另一種表現。如圖9所示，熱媒從下端進入容器后，很明顯從下部盤管相連的分水立管、集水立管管段短、阻力小，相應地通過這部分盤管的流量大，上部盤管則反之。且熱媒只流經一組或一根螺旋管，很難做到充分換熱，即沒有“過冷段”，汽水換熱時不易將高溫凝結水的溫度降下來。

3.2浮動盤管型換熱器的檢修問題

國內現有的浮動盤管型容積式換熱器大部分存在不能檢修或很難檢修的問題。圖6（c)所示的立式浮動盤管型容積式換熱器是凈分水立管，無法進行維護清理。圖6（a)、(b)、(d)所示產品雖然在容器端部加了一個可以拆開的大法蘭，即浮動盤管可隨大法蘭蓋抽出來，但工程實踐中，因為一般設備間不可能那么高。也不可能有將容器躺下來再抽出盤管的地方。因此，這種型式的產品實際上也是抽不出盤管進行檢修的。

圖5所示浮動盤管是將水平螺旋管圍繞中間的分水立管與集水立管布置。這種結構式的優點是可以加大螺旋管的旋轉半徑從而達到增大換熱面積的目的。其構造有如串糖葫蘆，中間只要有一根管出了問題，則整個管束都報廢，無法更換，也無法采取其他補救措施。

對于浮動盤管型換熱器需不需要檢修的問題，下面談談個人的兩點看法。

3.2.1浮動盤管能否自動脫垢

不少廠家產品樣本中突出在宣傳浮動盤管的優點之一是能自動脫垢。

山東工業大學程林教授在“彈性管束換熱器的展及應用”一文中對于換熱器內傳熱表面污垢的形成、防垢、抑垢的除垢等國內外研究的一些情況作了敘述，指出“彈性管束在振動過程中去除污垢的基理尚不完全清清楚楚，但效果十分明顯”，他認為“盤管伸縮所產生的盤管局部變形是減少污垢的主要原因”。熱高公司在介紹半即熱式換熱器具有自動除垢的特點時說：“由于熱媒送入盤管而生活用水流經筒體，因此盤管外形成的水垢在盤管隨溫度變化而伸縮時，污垢會自動除下。”

以上敘述反映了彈性管束、浮動盤管作為換熱元件有一定除垢之功能，其原理是盤管伸縮的作用。我認為：盤管的伸縮主要是管內熱媒溫度的變化。除垢的機理在于：當盤管內輸入高溫熱媒時，將引起管壁的膨脹，附著在管外壁的水垢亦產生膨脹。換熱器停止換熱時，管內停止輸入高溫熱媒，管壁因降溫而收縮，水垢層亦收縮。但管壁與水垢的熱膨脹系數不一樣，前者大后者小，因而這不同的脹縮量有可能使水垢脫落。按此推理，其他型式的換熱器亦有相同的效果。所不同的是：U型管換熱器所用換熱管的壁厚約為2-3mm，而浮動盤管用換熱管壁厚為0.8-1.2mm。由于后者壁薄，管束隨溫度變化而伸縮的力量能迅速傳遞，故脫垢的效果較明顯。如將U型管等其他換熱管換成一樣的薄壁紫銅管，預計其亦有基本相同的脫垢效果。然而，壁厚的換熱管雖在導熱、脫垢的性能方面較差，但也有耐用、壽命長之優點。

防垢，脫垢的另一個重要因素是控制被加熱水的出水溫度。從一定意義上講，這是一條關鍵因素。我院80年代末設計并投入運營的國際藝苑五星級旅館，生活熱制備采用的RV-02雙U型盤管立式容積式換熱器，從1990年運行至含已過11年，設備一直末檢修過（按規定換熱器應該至少3年檢修一次），換熱效果一直很好，換熱能力沒有發現明顯的下降，說明盤管外壁結垢不嚴重。究其原因是換熱器的水溫嚴格控制在55℃左右，限制了結垢的條件。相反有的工程換熱器用了不到一年，盤外壁空間全被水垢堵死，原因是換熱器出水溫度控制不好，有時高達80℃以上。就是浮動盤管型換熱器也有因支行管理不當，盤管外壁空間被水垢堵死的實例。

3.2.2設備本身亦需考慮檢修

所有使用的設備均宜考慮檢修，換熱設備亦不例外。生活熱水用換熱器除了檢查清理水后之外還有如下檢修事項：如容器內壁、換熱盤管的座蝕情況。一般容器的使用壽命為15年左右，而換熱盤管使用壽命一般只有5--10年。浮動盤管壁厚比U型管薄，其壽命也低于U型管，因此在換熱器使用期限內一般都有更換換熱盤管的要求。再有如換熱器內的盤管與分水立管、集水立管的連接處因長期的浮動可能脫焊而需更換管束，國內初始的浮動盤管型換熱器就是在檢修青島某飯店的一臺脫焊的進口原裝半即熱式換熱器時仿制出來的。

因此《建筑給水排水設計規范》第4.4.13條第一款規定“水加熱器的一側應用凈寬不小于0.7m的通道，前端應留有抽出加熱盤管的位置。“即水加熱設備必須具有抽出換熱盤管進行檢修、更換的條件。另外，根據“壓力容器安全技術監察規程”的要求，壓力容器每隔3--6年至少進行一次內外部檢驗。

3.3產熱量問題

近年來國內一些生產廠的產品樣本中，單缺罐產熱量越來越大，有些選用單位也就只注重這個指標，哪個罐單罐產熱大就選用哪個產品。對此，提出如下兩點個人意見：

3.3.1樣本數據僅供參考

換熱器換熱量的大小在熱媒條件、換熱面積定下來后，主要取決于傳熱系數K值，其表達式就是大家熟知的：W=KF△T

式中：W---換熱量，kw；

F-------換熱面積，m2；

△T----熱媒與被加熱水的平均溫差，℃；

K----傳熱系數。W/（m2.℃)；K值在略去次要影響因素后的表達式可簡化為K=α1α2/（α1+α2）

式中α1、α2如前所述。α1、α2分別與熱媒流速V10.8、被加熱水流束V20.8成正比。上述表明，除像彈性管束這種有流體誘振造成擾動可能提高K值外，其他一般浮動盤管型換熱器K值的提高主要還是取決于管內外介質的流速。

大部分廠家浮動盤管換熱器均未經過熱工性能測試，有的也可能測了，但不一定反映實際情況，其計算所用K值不少是套用半容積式或快速換熱器的K值。由于容積式換熱器的被加熱水流速V2遠小于快速換熱器的V2兩者的α2相差甚遠，即一般容積式換熱器的K值肯定要比半即熱式、快速換熱器小得多。對于帶導流筒的容積式或半容積式換熱器，其V2比一般無導流筒的窖式換熱器有所提高，K值也提高，但也不可能達到快速、半即熱式換熱器的K值。

我們曾對類似于圖6（d）所示的浮動盤管型換熱器進行過水—水換熱的熱工測試，所測結果見表1。

3.3.2容積式、半容積式換熱器單罐產熱量。

容積式、半容積式換熱器與半即熱式、快速換熱器的區別在于前者除有換熱功能外還須有貯熱調節功能，即單罐的產熱量應與貯熱量相匹配套。因此，《建筑給水排水設計規范》第8.4.8條規定了各種不同換熱設備的貯熱時間。一些先進國家換熱器廠商則是根據用戶要求的換熱量來配備相應的貯熱容積與換熱面積，這樣可以做到合理地使用設備。

目前國內一些容積式換熱器產品樣本中，單罐產熱量為貯熱量的10--20倍，其相應的貯熱時間只有6--3min，基本上發球一個快速換熱器，起不到貯熱調節之作用。如果將其作為容積式、半容積式換熱器來使用就不符合《建設給水排水設計規范》4.4.8條之要求。如果把它當作半即熱式換熱器來使用，就必須按“半即熱式換熱器”產品要配備需按秒流量預測溫度調節，超溫、越壓控制的靈敏、可靠的附件。另外，熱媒需按秒流量供給。即熱煤供給流量為半容積式換熱器的2倍以上。如不這樣考慮，就可能出現換熱器瞬時長溫過快燙傷人，或因貯熱調節量太小供不上熱水的現象。

3.4半即熱式與快速式換熱器、半容積式與容積式換熱器之區別

快速換熱器顧名思義是換熱器管束內外介質流速快、K值高、換熱量大，但相應地存在阻力損失大、無貯熱調節功能等問題。由于生活用水的不均勻性，如一般恒速泵不能單獨用于生活給水加壓系統一樣，快速換熱器亦不宜單獨用于生活熱水系統。通常生活熱水系統使用快速換熱器時是與熱水箱或熱水罐配套的，這樣可以較好地保證系統較穩定可靠的水溫水壓。水快速換熱器不配貯熱容器用于熱水系統時，需要配備如前所述的半即熱式換熱器的溫近代調節、安全附件。因此有無靈敏可靠的溫度調節、溫度控制及超溫超壓保護裝置就是半即熱式換熱器與快速換熱器的根本區別。

半容積式換器源于英國，這種產品的特點、性能和使用要求等見文[1]。半容積式換熱器是一種帶有適量調節容積內藏式快速水加熱器。實際上它是由一個快速換熱器安放在一個貯熱容器內組成的。它與容積式換熱器構造上的區別在于：換熱部分與貯熱部分是完全分開的；而后者的這兩部分之間沒有阻擋，彼此完全相通。半容積式換熱器性能方面的特點是完全正確消除了容積式換熱器下部的冷水溫水區，被加熱水流速V2有較大提高，即K值高于容積式換熱器。相應地單罐產熱量亦高于同容積的容積式換熱器，加上它無冷水溫水區、容積利用率基本上達到100%，因而其貯熱容積可以減少到一般容積式換熱器的1/2--1/3。即汽--水換熱時，貯熱時間T>=min。T>=15min是英國樣本中提出的參數。我們分析它是在滿足一次秒流量高峰過后尚留有約1/3罐的調節熱水量，這樣既大大減少了貯熱容積，又仍然滿足系統貯熱調節之要求，且熱媒只需按設計小時流量提供，而不要如快速或半即熱式換器那樣按設計秒流量供給，不增加熱媒負荷，不需要特殊的溫度、安全控制裝置。

目前，國內一些廠家尚未了解半容積式換熱器的實質，在容積式換熱器內加一個導流筒子、或多加幾組換熱盤管，其產熱量亦不與貯熱窖相匹配，卻冠名為半窖式換熱器。而實際上，它們均不能滿足半容積式換熱器構造和性能上的要求。4、正確評價和選項用換熱器概括以上所述內容，對于制備生活用熱水的各種形形色色的換熱設備，應該如何評價選用呢？

4.1依熱媒供給條件選擇

用作生活熱水的熱媒從品種來說一般是蒸汽或高溫軟化熱水。來源一種是城市或區域熱水網供給，一種是自備熱源。當以蒸池為熱媒時，只要熱源充足，選用半即熱、半容積、容積式換熱器都可以，一般不必擔心換熱能力不夠的問題。但有可能實際換熱量超過設備的正常換熱能力時，換熱不充分，出來的凝結水溫度過高，造成需二級換熱或耗能的現象。另則，由于蒸汽的熱焓值高，如選用半即熱式換熱器時，溫長速度將很快，一定要注意該產品是否滿足半即熱式換熱器的溫度、安全控制的要求，否則易出現燙人的事故。

當以熱水為熱媒時，由于同樣換熱面積條件下，以熱水為熱媒的換熱能力只有蒸汽為熱媒時換熱能力的1/3--1/4。因此，宜選用帶一定貯熱調節容積的半容積或容積式換熱器。否則有可能出現供熱不足的問題。

當以城市熱網為熱媒時，要考慮熱媒的供給條件。如北京城市熱網的末端處供回水資用壓差很小，這就限制了熱媒在換熱管束內的流速，也就限制了換熱器的K值，即產熱量達不到預定值。設計選用時，應由生產設備的廠方提供相應的K值來進行驗算。

當采用自備熱源時，由燃油燃氣機組配換熱器供給生活熱水時，用什么樣的換熱器宜經技術經濟比較確定。一般來說宜選用貯熱容積為20min左右的半容積或容積換熱器，這樣換熱器大小適當，又不要加大燃油烯氣機組的負荷，供水安全可靠。

4.2綜合評價熱工性能4.2.1K值的來源

傳熱系數K是換熱器的主要技術參數。前已述及：K值是與介質流態、流速、傳熱管材質、壁厚、介質溫度、污垢情況等多項因素相關的熱工參數，很難用計算方法求得，一般是通過熱工測試取得的，因此，我們在評價或選用換熱器產品時，首先要考證其K值是怎么得來的。

4.2.2K值與△h△T之關系

換熱管內、外兩側介質流速V越高，則K值愈大，但V大則阻力加大，且K是隨V0.8成正比增減，而阻力△h則與V2成正比。像板式快速換熱器，其K值很高，一般為容積式換熱器的4--6倍，但其阻力則為容積式換熱器被加熱水側的15--20倍。不少用戶評價選用產品時，往往只注重K值，而忽略了△h這個因素，在實際工程應用時，就會出現被加熱水△h過大，造成系統的冷熱水壓力不平衡，甚至發生有的最不利用水處理熱水上不去的現象。這也是欠一般生活熱水不推薦采用阻力大、污垢易堵塞介質流通斷面的快速換熱器的原因。

從表2可以看出，K值大時，V1、V2大，△P1、△P2也大。反過來說RV-03、04在增大V1后，K值亦可提高。由于我們當時熱工測試及編制樣本的出發點是按《建設給水排水設計規范》的要求，盡量使單罐產熱量與貯熱量匹配，因而未選用高V1下的K值。當然如前所述，選用浮動盤管作換熱元件的同樣V1條件下，K值有一定的提高。

評價K值的另一相關因素是熱媒溫差。因為隨著V1提高，熱媒在管中停留時間縮短，其出水溫度將提高，即熱媒溫差△T減少。因此，總換熱量W雖有增加，但并不是與V1的提高（熱媒流量Q1的提高）成正比增加，因W還受△T減小的影響。式W=Q1.△T.C（式中C為比熱）即反映出了此關系。表1所示的測試數據，熱媒流速V1從1.69m/s增加到2.70m/s，上升了60%，熱媒溫差從17.9℃下降了44%，因此，總換熱量僅增加了4%。

4.3可檢修性

生活熱水用的換熱設備比其他一般用水設備結垢、腐蝕等