浮動盤管換熱器和U型管換熱器在建筑熱水中的應(yīng)用

宋曉亭 河北保定太行集團有限責任公司

在建筑熱水供應(yīng)設(shè)備中，有浮動盤管換熱器、U型管換熱器、螺旋管換熱器等種類。本文重點對浮動盤管換熱器、U型管換熱器的性能、特點進行分析和比對。

1.浮動盤管換熱器

浮動盤管換熱器是一種間接換熱器，傳熱部分采用銅管，把傳熱管做成螺旋狀浮動置于殼體內(nèi)，所以稱為浮動盤管。由于該換熱器的傳熱管在殼體內(nèi)，水流過時可上下浮動高頻振動，使被加熱的水發(fā)生擾動，因而增強了傳熱效果。

浮動盤管主要分為沉浸式和噴淋式盤管換熱器。其中，沉浸式盤管換熱器的盤管放在一個容器中，盤管和容器中各走一種流體進行熱交換。為了使盤管充滿液體，液體應(yīng)從盤管下端送入，為了避免阻塞與水擊，蒸汽宜從上方送入，在蒸汽冷凝的過程中使冷凝液積聚下端，如果需要的傳熱面大，可以將盤管相互呈同心圓裝的形狀并排排列。

浮動盤管換熱器的優(yōu)點在于采用純銅浮動盤管和純銅內(nèi)膽，可防止“軍團菌”的滋生。因為銅金屬天然具備殺滅“軍團菌”的作用，試驗表明，大部分細菌在銅表面上不能存活，這也就是國外大部分賓館、醫(yī)院的熱水系統(tǒng)采用銅管、銅內(nèi)膽換熱器的原因之一。隨著人們生活水平的提高，尤其是2003年“非典”以后，國家非常重視公共衛(wèi)生安全，浮動盤管換熱器無疑是更加衛(wèi)生、安全、技術(shù)成熟的設(shè)備。

浮動盤管換熱器的傳熱元件采用懸臂式浮動盤管結(jié)構(gòu)。在加熱過程中，由于盤管內(nèi)蒸汽離心力的作用，使盤管產(chǎn)生一種高頻浮動，促進被加熱介質(zhì)產(chǎn)生擾動，破壞了阻礙層流傳熱層的滯留現(xiàn)象。同時，由于盤管為懸臂自由端，脹縮自由，可產(chǎn)生高頻浮動，使堿性附著物自動脫離開管臂，形成自動脫垢的獨有特性。

盤管換熱器通常用于對管內(nèi)介質(zhì)的冷卻、冷凝，或是對管外介質(zhì)的加熱、冷卻和蒸發(fā)等。浮動盤管換熱器結(jié)構(gòu)簡單、造價低、操作方便，且盤管內(nèi)可承受高壓。此外，浮動盤管換熱器還常用在需要傳熱面積不大的反應(yīng)釜內(nèi)作換熱構(gòu)件。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(gòu)造的限制，一般加熱管距容器的底部需有相當大的距離，傳統(tǒng)U型管容積式換熱器冷水區(qū)約占整個容器容積的20%～30%，即它的有效貯熱容積只為70%～80%。浮動盤管型換熱器的換熱盤管距容器底可以近到100mm左右，換熱器特殊結(jié)構(gòu)可消除無冷水區(qū)，有效貯熱容積可達95%～100%，大大提高了換熱器的容積利用率。

2. 自動除垢分析

除垢的機理為當盤管內(nèi)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(chǎn)生膨脹。換熱器停止換熱時，管內(nèi)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(shù)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。

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(guān)鍵因素。換熱器的水溫嚴格控制在55℃左右，限制了結(jié)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。如果配備溫控精度高的溫控閥，將熱水出口溫度控制在55℃±2℃范圍內(nèi)，就會限制結(jié)垢條件，延長設(shè)備使用壽命，同時可防止出現(xiàn)燙傷人的事故。

建筑熱水換熱器除配溫度計、壓力表、安全閥或膨脹管等外，主要應(yīng)配備一個好的溫度控制閥。半即熱式換熱器應(yīng)配靈敏可靠的溫控裝置和超溫超壓的安全裝置，容積、半容積式換熱器亦需配置質(zhì)量可靠的被加熱水溫度控制閥。有的用戶為了省錢，采用劣質(zhì)溫控閥，設(shè)備運行時，根本不起作用，只好人工控溫。結(jié)果水溫得不到良好的控制，盤管外過水斷面很快被水垢堵塞，時間一長，整個盤管報廢，大大浪費了人力、物力和財力。個別嚴重者，使用時造成燙傷人的事故。因此，采用合適可靠的溫控閥是保證換熱器良好運行使用的關(guān)鍵。

《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》第4.4.13條第一款規(guī)定“水加熱器的一側(cè)應(yīng)用凈寬不小于0.7m的通道，前端應(yīng)留有抽出加熱盤管的位置。”即水加熱設(shè)備必須具有抽出換熱盤管進行檢修、更換的條件。另外，根據(jù)《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求，壓力容器每隔3～6年至少進行一次內(nèi)外部檢驗。浮動盤管換熱器容積式的可在設(shè)備內(nèi)部維修，半即熱式換熱器抽出管束所占空間遠遠小于U型管換熱器抽出管束所占空間，在舊設(shè)備改造和空間有限的情況下，浮動盤管換熱器更適合。

3.U型管換熱器

U型管換熱器的優(yōu)點是管束可抽出來機械清洗；殼體與管壁不受溫差限制；可在高溫、高壓下工作，一般溫度≤500℃，壓力≤10MPa，改變密封形式可用于≥10 MPa；可用于殼程結(jié)垢比較嚴重，管程易腐蝕的區(qū)域。U型管式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，只有一個管板，節(jié)省材料，質(zhì)量輕。

U型管換熱器的缺點是在U型處易產(chǎn)生沖蝕，特別在兩相流存在的情況下應(yīng)嚴格控制管內(nèi)流速；管程不適用結(jié)垢較重的部分；不適用于內(nèi)導流筒，故死區(qū)較大；不適用單管程熱交換器，換熱器管內(nèi)流體為雙程；管間距較大，管束中心有一部分空隙，所以傳熱性能較差；殼程流體容易走短路；管子不易更換，壞了的管子就只能堵塞無法使用。

因此，U型管換熱器適用于管內(nèi)走高溫、高壓、腐蝕性較大但不易結(jié)垢的流體，管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。管外可以走易結(jié)垢的流體。因各排管子曲率不一，管子長度不同，故管子分布不如直管均勻。管束中部管子不能檢查更換，堵管后管子報廢率較直管大一倍。因為由一塊管板承受全部支承作用，相同殼體內(nèi)徑的管板，厚度大于其他形式。換熱器直徑較大時，U型部分支承有困難，管束抗振性差。焊接工藝相對復雜一些。

在采用自備熱源的情況下，由燃油燃氣機組配備換熱器供給建筑熱水時，用什么樣的換熱器要通過技術(shù)性和經(jīng)濟性比較后確定。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，又不要加大燃油燃氣機組的負荷，且供水安全可靠。