地板辐射供暖系统热力站换热器选型优化

摘 要

摘要：针对地板辐射供暖系统热力站换热器选型余量过大的问题，采用混水连接方式，在二级管网供回水管之间设置旁通管，以提高换热器二级侧出水温度，降低换热器二级侧阻力，优化换热器选
摘要：针对地板辐射供暖系统热力站换热器选型余量过大的问题，采用混水连接方式，在二级管网供回水管之间设置旁通管，以提高换热器二级侧出水温度，降低换热器二级侧阻力，优化换热器选型。
关键词：地板辐射供暖系统；热力站；混水连接；换热器
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
    地板辐射供暖系统具有室内温度分布均匀、舒适性较好等优点，得到了广泛应用。地板辐射供暖系统供回水温差一般不大于10℃[1]，对于相同的供热面积，其二级管网的设计流量约为采用散热器的供暖系统的2.5倍，设计流量的增大导致换热器二级侧的阻力较高。为了控制换热器二级侧的阻力为30～50kPa，往往通过加大换热器的面积余量(即增加板片数量)，降低换热器二级侧的阻力。通常在地板辐射供暖系统热力站的换热器选型中，面积余量要取到100%以上才能满足换热器二级侧阻力要求。而同样条件下，在散热器供暖系统热力站换热器选型中，面积余量仅取5%左右即可满足要求。
    地板辐射供暖系统热力站换热器选型面积余量的增大，使得所选换热器的片数要远多于实际所需的片数，导致换热器造价增高，造成不必要的浪费。本文对地板辐射供暖系统热力站换热器的优化选型进行探讨。
2 工程概况
    某居民住宅小区，一级管网设计供回水温度为130、70℃，设计供热面积为5×104m2，设计供暖热指标取64W/m2，计算得出设计热负荷为3200kW。采用地板辐射供暖系统，设计供回水温度为60、50℃。当热用户与二级管网采用普通的直接连接方式(见图1)时，采用某换热器计算选型软件进行选型计算。在分别仅满足换热量要求时、满足二级侧阻力要求时，换热器选型计算结果见表1。换热量安全系数取1.3，经计算得到，总换热量为4160kW，对数平均温差为39℃。由表1可知，当仅满足换热量要求时，换热面积余量为7.5%；满足二级侧阻力要求时，换热面积余量为135.7%。
   按照换热器的传统选型方式，为了降低换热器二级侧的阻力，面积余量取135.7%方能满足要求。此时，换热器片数为186片，增加的片数仅是为了降低换热器二级侧阻力。
 
表1 仅满足换热量要求时、满足二级侧阻力要求时换热器选型计算结果
参数
仅满足换热量要求时
满足二级侧阻力要求时
一级侧质量流量/(t·h-1)
59.3
59.3
二级侧质量流量/(t·h-1)
358.3
358.3
一级侧计算阻力/kPa
70.3
7.7
二级侧计算阻力/kPa
598.5
49.3
传热系数/(W·m-2·K-1)
4536.1
3133.7
计算实际换热面积/m2
25.35
36.69
实际换热面积/m2
27.26
86.48
面积余量/%
7.5
135.7
板片总数/片
60
186
3 解决方法
根据换热器换热面积A的计算式：
 
式中A——换热器的换热面积，m2
    Ф——换热器的总换热量，W
    K——换热器的传热系数，W/(m2·K)
    △t——对数平均温差，℃
在总换热量一定、一级管网供回水温度不变、二级管网回水温度为50℃的限定条件下，换热器传热系数、对数平均温差随二级管网供水温度的变化见表2。由表2可知，随着二级管网供水温度的提高，换热器传热系数、对数平均温差降低。由表2中数据可计算得出，换热器二级侧质量流量、阻力随二级管网供水温度的变化(见表3)。由表3可知，随着二级管网供水温度的提高，二级管网供回水温差逐渐增大，二级侧质量流量逐渐减小，换热器二级侧阻力也随之下降。
表2 限定条件下换热器传热系数、对数平均温差随二级管网供水温度的变化
二级管网供水温度/℃
60
65
70
75
80
85
90
传热系数/(W·m-2·K-1)
4536
4084
3790
3523
3294
3049
2822
对数平均温差/℃
39
38
36
35
33
31
29
表3 换热器二级侧质量流量、阻力随二级管网供水温度的变化
二级管网供水温度/℃
60
65
70
75
80
85
90
二级侧质量流量/(t·h-1)
275.2
183.5
137.6
110.1
91.7
78.6
68.8
二级侧阻力/kPa
543.0
205.0
83.9
47.6
26.8
15.1
8.9
由表2、3可知，在限定条件下.提高二级管网供水温度，虽然导致传热系数有所降低，但换热器二级侧阻力下降幅度更大。也要注意的是，二级管网供回水温差的加大，导致设计参数不能满足地板辐射供暖系统的设计要求，但这可通过在二级管网供回水管间设置旁通管进行解决，即采用混水连接方式调节混水流量，使二级管网回水与换热器二级侧出水混合，从而满足地板辐射供暖系统的设计要求。
 
图中qm,1——换热器二级侧出口质量流量，t/h
    qm,2——二级管网供水质量流量，t/h
    qm,3——混水质量流量，t/h
    qm,4——二级管网回水质量流量，t/h
    t1——换热器二级侧出口温度，℃
    t2——二级管网供水温度，℃
    t3——混水温度，℃
    t4——二级管网回水温度，℃
4 换热器优化选型
    在管网恒定流动过程中，与任一节点关联的所有分支质量流量的代数和等于该节点的节点质量流量，因此在节点1处有平衡式[4]：
    qm,2=qm,1+qm,3    (2)
    忽略换热器出口管道的阻力，并认为整个过程中供热介质的比定压热容为常量。在设计工况下，根据热平衡方程式有[4]：
    qm,2t2=qm,1t1+qm,3t3    (3)
二级管网供水质量流量qm,2的计算式为：
 
式中Ф——供热系统的热负荷，kW
    △t2,4——二级管网供回水温差，℃，取10℃
    该工程中，供热系统的热负荷为3200kW，可计算得到，qm,2=275.2t/h。在给定t1的条件下，由式(2)、(3)可计算得到qm,1、qm,3。
    根据该供热工程的设计参数，采用混水连接，在不同t1下计算qm,1、qm,3进而计算换热器的片数、阻力，计算结果见表4。
表4 相关计算结果
T1/℃
qm,1/(t·h-1)
qm,3/(t·h-1)
换热器片数/片
一级侧阻力/kPa
二级侧阻力/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，随着t1的提高，换热器二级侧阻力下降，当t1=75℃时，换热器二级侧的阻力为47.6kPa，可满足换热器二级侧的阻力为30～50kPa的要求。此时，换热器片数为84片。与采用普通直接连接方式、并满足换热器二级侧阻力要求条件下，计算得到的186片减少102片。因此，在采用混水连接方式下，换热器二级侧出口温度约75℃时，即可以满足对换热器二级侧的阻力要求，并降低换热器的造价。
5 结论
    ① 板式换热器是一种传热系数高、结构紧凑、适应性强、拆洗较方便、节省材料的换热器。在地板辐射供暖系统中，若采用传统选型方法，反而需要加大换热器面积以降低二级侧的阻力，这无疑是浪费。热用户与二级管网采用混水连接形式既可发挥板式换热器高换热效率的优势，又可降低换热器二级侧阻力，实现优化设计。
    ② 对于一级管网温度较高、二级管网温度较低的供热系统，虽然可以选择不等截面换热器，或定制大流通截面积换热器来满足要求，但这都将提高工程造价。因此，应尽量采用现有型号的换热器，通过优化设计降低工程造价，并降低维护成本。
参考文献：
[1] JGJ 142—2004，地面辐射供暖技术规程[S].
[2] 王宏扬，李军，刘兆军.供热系统混水连接形式及调节方法[J].煤气与热力，2009，29(10)：A15-A17.
[3] 高奉春，宋景发.混水连接方式在供热系统的应用[J].煤气与热力，2008，28(5)：A24-A25.
[4] 贺平，孙刚，王飞，等.供热工程(第4版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.
 
(本文作者：李建刚 太原市热力公司 山西太原 030012)