热网加热器选型探讨

  【摘 要】 供热电厂热网首站系统最主要的设备就是热网加热器，加热器选型必然的联系到供热系统的安全性及稳定性，同时也关系到供热的质量、工程建设价格，为此在热网加热器的选择应慎之又慎，把好选型这一关。

  工程中多数热网首站，均布置在汽机房A列外的偏屋内，蒸汽采用单元式布置方式。汽水热交换器一般布置运转层，热网供水多为110-130℃、回水一般为70℃，采暖加热蒸汽队为0.4MPa、260℃左右。

  换热器作为一种传热设备，被广泛地应用于炼油、化工、轻工、制药及城市的集中供暖等领域，是工业生产里必不可少的设备。特别是管壳式换热器约占全部换热器的70%左右，它结构坚固容易清洗，易损件易于更换，维修方便；不易堵、漏，密封周长短；材料的选择范围较广，满足几乎所有的场合，包括特别低和特别高压力、温度，大的温差，蒸发与凝结以及严重污染和有腐蚀性流体的情况，这种换热器不但使用起来更便捷，而且经久耐用，互换性强。与其它品种换热器比较，管壳式换热器的最大缺点是传热效率低。例如，对于水一水换热，传统的管壳式换热器K值范围一般为1150～2230W/m2・℃，板式换热器K值为1500～4700W/m2・℃，螺旋板式为2000～3000W/m2・℃。

  自70年代能源危机爆发以来，对传统换热器设备强化研究逐渐兴起，并大多分布在在两大方向上；一是开发新的换热器品种，如板式、螺旋板式、振动盘管式、板翅式等等，这些换热器设计思想都是尽可能地提高换热效率；二是对传统的管壳式换热器采取强化措施。具体说来，就是用各种异型管取代原来的光管。现在较常用的有螺旋横纹（螺纹管）、横槽纹管、缩放管、内翅管及管内插入强化物质等。以上各种异型管其换热效率较光管一般提高40%～80%，而且已在不同场合得到应用。其中应用最广泛的螺纹管已有相应的国家标准。

  现在的汽水热交换器均按饱和蒸汽设计，若不考虑过热蒸汽的特点，直接采用现有汽水热交换器，将会使得换热器的出力严重不足。若将过热蒸汽通过减压减温装置变为饱和蒸汽使用，则既增加了系统的复杂性，又增加了总系统的投资。

  过热蒸汽在放热过程中经历了三个阶段：过热蒸汽冷却变为饱和蒸汽；饱和蒸汽凝结放热变为饱和水；饱和水进一步冷却变为冷水。这三个阶段的换热特点是各不相同。在过热蒸汽冷却阶段，过热蒸汽侧的对流换热系数很小，是传热的主要阻力所在；在饱和蒸汽冷却阶段，被加热水侧的对流换热系数要小于蒸汽的凝结换热系数，传热的阻力主要在水侧。

  换热器传热过程的强化就是力求使换热器在单位时间内、单位传热面积传递的热量尽可能增多。其意义在于：在设备投资及输送功耗一定的条件下，获得较大的传热量，从而增大设备容量，提高劳动生产率；在保证设备容量不变情况下使其结构更紧凑，减少占有空间，节约材料，减少相关成本；在某种特定技术过程使某些工艺特别的条件得以实施等。传热过程的强化有以下几条途径：

  （1）增大传热面积：能大大的提升换热器的传热速率。但增大传热面积不能靠增大换热器的尺寸来实现，而是要从设备的结构入手，提高单位体积的传热面积，往往通过改进传热面的结构来实现。目前已研制出并成功使用了多种高效能传热面，它不仅使传热面得到充分的扩展，而且还使流体的流动和换热器的性能得到相应的改善。例如用翅（肋）片，用轧制、冲压、打扁或爆炸成型等方法将传热面制造成各种凹凸形、波纹型、扁平状等，将细小的金属颗粒烧结或涂敷于传热表面或填充于传热表面间，以实现扩大传热面积的目的，减少管子直径，增加单位体积的传热面积。

  （2）增大平均温度差：能大大的提升换热器的传热效率。平均温度差的大小主要根据两流体的温度条件和两流体在换热器中的流动型式。一般来说，物料的温度由生产的基本工艺来决定，不能随意变动，而加热介质或冷却介质的温度由于所选介质不同，可以有很大的差异。例如，在化工中常用的加热介质是饱和水蒸汽，若提高蒸汽的压力就能大大的提升蒸汽的温度，来提升平均温度差。但需指出的是，提高介质的温度必须考虑到技术上的可行性和经济上的合理性。

  （3）增大总传热系数：能大大的提升换热器的传热效率。由总传热系数的计算公式可见，要提高值，就必须减少各项热阻。但因各项热阻所占比例不同，故应设法减少对值影响较大的热阻。一般来说，在金属材料换热器中，金属材料壁面较薄且导热系数高，不会成为主要热阻；污垢热阻是一个可变因素，在换热器刚投入到正常的使用中时，污垢热阻很小，不会成为主要矛盾，但随着使用时间的加长，污垢逐渐增加，便可成为障碍传热的重要的因素；对流传热热阻经常是传热过程的主要矛盾，也应是着重研究的内容。减少热阻的主要方法有：提高流体的速度；增强流体的扰动；在流体中加固体颗粒；在气流中喷入液滴；采用短管换热器；防止结垢和及时清除垢层。

  近年来出现的波纹管换热器，是在原管壳式换热器的基础上，采用强化传热原理而研制开发的一种新型传热设备，它继承了管壳式换热器的优点，克服了其缺点，因而具有很强的实用性和更广泛的应用领域。波节管管壳式换热器采用的换热管为波节管，是强化传热换热管。波节管不仅壁薄，而且形状独特。一般波节管壁厚为0.5～1.2mm，形状为直管段与弧形段交替。流体在波节管内外流动中，由于断面周期性变化所引起的压力与流速的周期性变化，使流体边界层发生分离、破坏了边界层热阻，使管内外的流体与管壁的换热系数可提高2～5倍，同时从根本上破坏了在管壁上有结垢的可能。另外，波节管为直管段与弧形段交替的形状，使流体有前喷射与后节流的双重作用。喷射使弧形段内流体向管壁产生横向冲刷破坏了边界层，节流使直管段内流体产生整流，流体的流向、密度、压力趋于一致，且不造成能量损失。波节管即波节强化传热换热管不同于其它换热管，由于管内外的流体与管壁的换热系数大幅度提升，使得用波节管作换热管的换热器―波节管换热器的综合传热系数得以大幅度的提升，保证了换热器的使用性能。在相同热负荷情况下比其它换热器换热面积可以选得更小。换句话说，在工况条件相同的情况下，比其它换热器换热效率高，更能发挥出换热的潜力，可保证本设计110-130℃的供水温度。与传统管壳式换热器相比，波纹管式换热器具有以下优点：

  （1）传热效率高：对于水―水换热，流速1.5m/s时，传热系数达2000～3500W/m2・℃，是传统管式换热器的2～3倍，并已接近板式换热器水平。这一数据在实践中也得到了验证。

  （2）不污、不堵、不结垢：传热元件通径最小为φ32，比传统管式（一般为φ19、φ25）及板式通道大，故防堵性能好。由于换热管为不锈钢材料，故管程耐蚀性好（在氯离子含量不超标条件下）。首台换热器在某供热所已使用五个供暖期仍不结垢，这足已证实新产品有很强的防结垢能力，从而也保证了换热器的稳定运行（换热效率不降低）。

  （3）防泄漏能力强：密封周期长（这是管壳式换热器固有的优点），不易泄漏，另外由于换热管为波纹管，本身就具有自身补偿功能，管板热应力很小，因而不会因管口破裂而泄漏。这一点，比板式换热器有明显的优越性。

  （4）节能：由于传热效率高，能回收低温热源。同时因传热元件口径大，波行呈流线状，压力损失小。因此，我们大家可以称该产品是节能型设备。

  （5）维修方便：由于该产品不污、不堵、不腐蚀、不结垢，因此，不必年年维修。一旦需维修，工作量也很小。

  （6）价格合理：由于换热元件采取不锈钢材料，成本比传统列管式换热器相对提高。因此其销售价高于传统产品，比板式换热器也高许多。但按照换热能力计算，总造价并不高。与板式换热器比，由于二者结构不同其优劣因素各有所长，只能根据真实的情况，由用户决定选型。

  波纹管换热器在热电领域的应用大多数表现在凝汽器或加热器上，利用热电厂的蒸汽，把循环水加热至一定温度，然后把循环水供给千家万户，解决居民的冬季供暖问题。特别是近十年来，我国城市建设发展迅速，人民的居住水平也在不断改善，而居住面积的大幅度增加，使电厂原有的加热器的供热能力显得不足，这就要增加换热器的换热面积，或增加新的加热器。然而热厂内的厂房的空间又是有限的，增加加热器的换热面积势必增大加热器的体积，而增加新的加热器又需要新的安装空间，因此都难以实现。如果用波纹管换热器取代原有的加热器，在安装空间不变的条件下，可以使换热能力得到较大幅度的提高，满足居民的供暖需要。

  在节能方面，可通过波纹管换热器回收工业过程中的废热，如热电厂排放的废污水一般温度均在70℃以上，可以把这些热量加以回收用于居民的生活热水。锅炉排放的烟气一般都在200℃以上，可以用这些烟气的余热，加热空气作为锅炉的预热器，或用这些烟气的余热加热锅炉的补给水作为锅炉的省煤器。还能够使用波纹管换热器来给居民用的液化气加热，使液化气能够充分气化，达到节能的目的。总而言之，正是利用了波纹管换热器的高效传热的特点，吸收废弃介质中的热能，变废为宝的。

  由于波节管型汽水热交换器具有传热系数高、不易结垢、设备体积小、节能、便于维修等特点，建议大型热电厂供热参数与本文相近时优先选用波节管换热器。