地板輻射供暖系統(tǒng)熱力站換熱器選型優(yōu)化

摘 要

摘要：針對(duì)地板輻射供暖系統(tǒng)熱力站換熱器選型余量過(guò)大的問(wèn)題，采用混水連接方式，在二級(jí)管網(wǎng)供回水管之間設(shè)置旁通管，以提高換熱器二級(jí)側(cè)出水溫度，降低換熱器二級(jí)側(cè)阻力，優(yōu)化換熱器選
摘要：針對(duì)地板輻射供暖系統(tǒng)熱力站換熱器選型余量過(guò)大的問(wèn)題，采用混水連接方式，在二級(jí)管網(wǎng)供回水管之間設(shè)置旁通管，以提高換熱器二級(jí)側(cè)出水溫度，降低換熱器二級(jí)側(cè)阻力，優(yōu)化換熱器選型。
關(guān)鍵詞：地板輻射供暖系統(tǒng)；熱力站；混水連接；換熱器
Lectotype Optimization of Heat Exchanger in Substation of Radiant Floor Heating System
LI Jian-gang
Abstract：In order to prevent frequent excessive margin for lectotype of heat exchanger in substation of radiant floor heating system，a by-pass pipe between supply and return water pipes of secondary circuit is installed by way of water-mixing connection to raise the outlet temperature at the secondary side
of heat exchanger，reduce the resistance at the secondary side of heat exchanger and optimize the lectotype of heat exchanger.
Key words：radiant floor heating system；substation；water-mixing connection；heat exchanger
1 概述
    地板輻射供暖系統(tǒng)具有室內(nèi)溫度分布均勻、舒適性較好等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。地板輻射供暖系統(tǒng)供回水溫差一般不大于10℃[1]，對(duì)于相同的供熱面積，其二級(jí)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)流量約為采用散熱器的供暖系統(tǒng)的2.5倍，設(shè)計(jì)流量的增大導(dǎo)致?lián)Q熱器二級(jí)側(cè)的阻力較高。為了控制換熱器二級(jí)側(cè)的阻力為30～50kPa，往往通過(guò)加大換熱器的面積余量(即增加板片數(shù)量)，降低換熱器二級(jí)側(cè)的阻力。通常在地板輻射供暖系統(tǒng)熱力站的換熱器選型中，面積余量要取到100%以上才能滿足換熱器二級(jí)側(cè)阻力要求。而同樣條件下，在散熱器供暖系統(tǒng)熱力站換熱器選型中，面積余量?jī)H取5%左右即可滿足要求。
    地板輻射供暖系統(tǒng)熱力站換熱器選型面積余量的增大，使得所選換熱器的片數(shù)要遠(yuǎn)多于實(shí)際所需的片數(shù)，導(dǎo)致?lián)Q熱器造價(jià)增高，造成不必要的浪費(fèi)。本文對(duì)地板輻射供暖系統(tǒng)熱力站換熱器的優(yōu)化選型進(jìn)行探討。
2 工程概況
    某居民住宅小區(qū)，一級(jí)管網(wǎng)設(shè)計(jì)供回水溫度為130、70℃，設(shè)計(jì)供熱面積為5×104m2，設(shè)計(jì)供暖熱指標(biāo)取64W/m2，計(jì)算得出設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為3200kW。采用地板輻射供暖系統(tǒng)，設(shè)計(jì)供回水溫度為60、50℃。當(dāng)熱用戶與二級(jí)管網(wǎng)采用普通的直接連接方式(見(jiàn)圖1)時(shí)，采用某換熱器計(jì)算選型軟件進(jìn)行選型計(jì)算。在分別僅滿足換熱量要求時(shí)、滿足二級(jí)側(cè)阻力要求時(shí)，換熱器選型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。換熱量安全系數(shù)取1.3，經(jīng)計(jì)算得到，總換熱量為4160kW，對(duì)數(shù)平均溫差為39℃。由表1可知，當(dāng)僅滿足換熱量要求時(shí)，換熱面積余量為7.5%；滿足二級(jí)側(cè)阻力要求時(shí)，換熱面積余量為135.7%。
   按照換熱器的傳統(tǒng)選型方式，為了降低換熱器二級(jí)側(cè)的阻力，面積余量取135.7%方能滿足要求。此時(shí)，換熱器片數(shù)為186片，增加的片數(shù)僅是為了降低換熱器二級(jí)側(cè)阻力。
 
表1 僅滿足換熱量要求時(shí)、滿足二級(jí)側(cè)阻力要求時(shí)換熱器選型計(jì)算結(jié)果
參數(shù)
僅滿足換熱量要求時(shí)
滿足二級(jí)側(cè)阻力要求時(shí)
一級(jí)側(cè)質(zhì)量流量/(t·h-1)
59.3
59.3
二級(jí)側(cè)質(zhì)量流量/(t·h-1)
358.3
358.3
一級(jí)側(cè)計(jì)算阻力/kPa
70.3
7.7
二級(jí)側(cè)計(jì)算阻力/kPa
598.5
49.3
傳熱系數(shù)/(W·m-2·K-1)
4536.1
3133.7
計(jì)算實(shí)際換熱面積/m2
25.35
36.69
實(shí)際換熱面積/m2
27.26
86.48
面積余量/%
7.5
135.7
板片總數(shù)/片
60
186
3 解決方法
根據(jù)換熱器換熱面積A的計(jì)算式：
 
式中A——換熱器的換熱面積，m2
    Ф——換熱器的總換熱量，W
    K——換熱器的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)
    △t——對(duì)數(shù)平均溫差，℃
在總換熱量一定、一級(jí)管網(wǎng)供回水溫度不變、二級(jí)管網(wǎng)回水溫度為50℃的限定條件下，換熱器傳熱系數(shù)、對(duì)數(shù)平均溫差隨二級(jí)管網(wǎng)供水溫度的變化見(jiàn)表2。由表2可知，隨著二級(jí)管網(wǎng)供水溫度的提高，換熱器傳熱系數(shù)、對(duì)數(shù)平均溫差降低。由表2中數(shù)據(jù)可計(jì)算得出，換熱器二級(jí)側(cè)質(zhì)量流量、阻力隨二級(jí)管網(wǎng)供水溫度的變化(見(jiàn)表3)。由表3可知，隨著二級(jí)管網(wǎng)供水溫度的提高，二級(jí)管網(wǎng)供回水溫差逐漸增大，二級(jí)側(cè)質(zhì)量流量逐漸減小，換熱器二級(jí)側(cè)阻力也隨之下降。
表2 限定條件下?lián)Q熱器傳熱系數(shù)、對(duì)數(shù)平均溫差隨二級(jí)管網(wǎng)供水溫度的變化
二級(jí)管網(wǎng)供水溫度/℃
60
65
70
75
80
85
90
傳熱系數(shù)/(W·m-2·K-1)
4536
4084
3790
3523
3294
3049
2822
對(duì)數(shù)平均溫差/℃
39
38
36
35
33
31
29
表3 換熱器二級(jí)側(cè)質(zhì)量流量、阻力隨二級(jí)管網(wǎng)供水溫度的變化
二級(jí)管網(wǎng)供水溫度/℃
60
65
70
75
80
85
90
二級(jí)側(cè)質(zhì)量流量/(t·h-1)
275.2
183.5
137.6
110.1
91.7
78.6
68.8
二級(jí)側(cè)阻力/kPa
543.0
205.0
83.9
47.6
26.8
15.1
8.9
由表2、3可知，在限定條件下.提高二級(jí)管網(wǎng)供水溫度，雖然導(dǎo)致傳熱系數(shù)有所降低，但換熱器二級(jí)側(cè)阻力下降幅度更大。也要注意的是，二級(jí)管網(wǎng)供回水溫差的加大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)參數(shù)不能滿足地板輻射供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，但這可通過(guò)在二級(jí)管網(wǎng)供回水管間設(shè)置旁通管進(jìn)行解決，即采用混水連接方式調(diào)節(jié)混水流量，使二級(jí)管網(wǎng)回水與換熱器二級(jí)側(cè)出水混合，從而滿足地板輻射供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
 
圖中qm,1——換熱器二級(jí)側(cè)出口質(zhì)量流量，t/h
    qm,2——二級(jí)管網(wǎng)供水質(zhì)量流量，t/h
    qm,3——混水質(zhì)量流量，t/h
    qm,4——二級(jí)管網(wǎng)回水質(zhì)量流量，t/h
    t1——換熱器二級(jí)側(cè)出口溫度，℃
    t2——二級(jí)管網(wǎng)供水溫度，℃
    t3——混水溫度，℃
    t4——二級(jí)管網(wǎng)回水溫度，℃
4 換熱器優(yōu)化選型
    在管網(wǎng)恒定流動(dòng)過(guò)程中，與任一節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的所有分支質(zhì)量流量的代數(shù)和等于該節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)質(zhì)量流量，因此在節(jié)點(diǎn)1處有平衡式[4]：
    qm,2=qm,1+qm,3    (2)
    忽略換熱器出口管道的阻力，并認(rèn)為整個(gè)過(guò)程中供熱介質(zhì)的比定壓熱容為常量。在設(shè)計(jì)工況下，根據(jù)熱平衡方程式有[4]：
    qm,2t2=qm,1t1+qm,3t3    (3)
二級(jí)管網(wǎng)供水質(zhì)量流量qm,2的計(jì)算式為：
 
式中Ф——供熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷，kW
    △t2,4——二級(jí)管網(wǎng)供回水溫差，℃，取10℃
    該工程中，供熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷為3200kW，可計(jì)算得到，qm,2=275.2t/h。在給定t1的條件下，由式(2)、(3)可計(jì)算得到qm,1、qm,3。
    根據(jù)該供熱工程的設(shè)計(jì)參數(shù)，采用混水連接，在不同t1下計(jì)算qm,1、qm,3進(jìn)而計(jì)算換熱器的片數(shù)、阻力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 相關(guān)計(jì)算結(jié)果
T1/℃
qm,1/(t·h-1)
qm,3/(t·h-1)
換熱器片數(shù)/片
一級(jí)側(cè)阻力/kPa
二級(jí)側(cè)阻力/kPa
70
137.6
137.6
74
46.2
83.9
71
131.0
144.2
76
44.1
81.1
72
125.1
150.1
78
41.8
70.6
73
119.7
155.5
80
39.6
61.7
74
114.7
160.5
82
37.9
53.9
75
110.1
165.1
84
36.1
47.6
76
105.8
169.4
86
34.4
42.2
77
101.9
173.3
88
32,8
37.7
78
98.3
176.9
90
31.6
34.4
79
94.9
180.3
92
30.2
29.9
80
91.7
183.5
94
28.9
26.8
    由表4可知，隨著t1的提高，換熱器二級(jí)側(cè)阻力下降，當(dāng)t1=75℃時(shí)，換熱器二級(jí)側(cè)的阻力為47.6kPa，可滿足換熱器二級(jí)側(cè)的阻力為30～50kPa的要求。此時(shí)，換熱器片數(shù)為84片。與采用普通直接連接方式、并滿足換熱器二級(jí)側(cè)阻力要求條件下，計(jì)算得到的186片減少102片。因此，在采用混水連接方式下，換熱器二級(jí)側(cè)出口溫度約75℃時(shí)，即可以滿足對(duì)換熱器二級(jí)側(cè)的阻力要求，并降低換熱器的造價(jià)。
5 結(jié)論
    ① 板式換熱器是一種傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性強(qiáng)、拆洗較方便、節(jié)省材料的換熱器。在地板輻射供暖系統(tǒng)中，若采用傳統(tǒng)選型方法，反而需要加大換熱器面積以降低二級(jí)側(cè)的阻力，這無(wú)疑是浪費(fèi)。熱用戶與二級(jí)管網(wǎng)采用混水連接形式既可發(fā)揮板式換熱器高換熱效率的優(yōu)勢(shì)，又可降低換熱器二級(jí)側(cè)阻力，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
    ② 對(duì)于一級(jí)管網(wǎng)溫度較高、二級(jí)管網(wǎng)溫度較低的供熱系統(tǒng)，雖然可以選擇不等截面換熱器，或定制大流通截面積換熱器來(lái)滿足要求，但這都將提高工程造價(jià)。因此，應(yīng)盡量采用現(xiàn)有型號(hào)的換熱器，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)降低工程造價(jià)，并降低維護(hù)成本。
參考文獻(xiàn)：
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(本文作者：李建剛 太原市熱力公司 山西太原 030012)