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1、华北电力大学成人教育毕业设计(论文)论文题目：半即热式换热器在热水供应系统中的应用学生姓名： 王春焕 学号 06303175 年级、专业、层次： 2006级、热动、专科 函授站： 直属 二九 年十月华北电力大学成人教育学院毕 业 设 计（论 文）评 定 表学生姓名王春焕所在班级2006级热动（专科）设计题目半即热式换热器在热水供应系统中的应用设计地点保定太行集团有限公司设计起止日期2008年6月至2009年9月指导教师评语 指导教师签字： 年 月 日答辩委员会评语、成绩答辩委员会主任签字：年 月 日 教 研 室 热能 教研室主任 批准日期2009.9. 华北电力大学成人教育学院毕 业 设 计（
2、论 文）任 务 书 动力 学院 热能动力工程 专业 热动06 班、学生 王春焕 一、毕业设计（论文）课题 半即热式换热器在热水供应系统中的应用二、毕业设计（论文）工作自 2008 年 6月 31 日至 2009 年 9 月 1 日止三、毕业设计（论文）进行地点： 保定太行集团有限责任公司 四、毕业设计（论文）的内容要求： 1换热器选用的当今趋势1.1.贮存式换热器 1.2即热式换热器 1.3半即热式换热器 2半即热式换热器的基本结构与工作原理及特点 2.1基本结构 2.2工作原理 2.3半即热式换热器的特点及用途 3换热计算 4. 结论 五、分阶段完成时间： 2009.6.317.15 完成开
3、题报告 2009.7.158.31 完成任务书的1部分 2009.08.3109.05 完成任务书的2、3部分 2009.09.609.15 完成任务书的第4部分、撰写论文 2009.09.1609.26 审阅及安排答辩 六、原始数据和参考资料：1. 半即热式换热器CJ/T3047-1995 2、半即热式水加热器安装 3、供热工程第三版 4、中国城镇集中供热的可持续发展（论文） 5、城市热力网设计规范 6、暖通规范 7、暖通规范设计手册 负责指导教师 指 导 教 师 接受设计、论文任务开始执行日期 学生签名 半即热式换热器在热水供应系统中的应用摘 要随着现代科学技术的发展，人民生活水平的提高，
4、人民对生活热水的水质、水温有更高的要求。通过对储存式换热器的消耗能源高,空间要求大,以及表面热损多；即热式换热器当遇害负荷变化大时,温度控制极差，而且即热式换热器排放的凝结水接近蒸汽温度,导致能源和经济损失.结构性能缺点的总结分析，论述半即热式换热器采用传热系数高的铜管最为传热元件，以及采用可靠的温控装置，虽贮存少水量,但具有快速补充热量的交换器,和一个能预测负荷变化的温度控制系统,从而使供热量与需热量达到动态平衡.本文详细的介绍了半即热式换热器的结构、工作原理及其性能特点及用途。对正常的变动负荷,半即热式换热器能提供良好的温度控制及可靠的生活热水供应.是热水供应系统的最佳选择。关键词：半即热
5、式，换热能力, 生活热水供应 Half the hot heat exchanger in the hot water supply system inABSTRACTWith the development of modern science and technology, improve peoples living standards, people living hot water, water temperature have higher requirements. By storing heat exchanger of high energy consumption, spac
6、e requirements, large, and surface heat loss over; that the thermal heat load change when the murder of large, poor temperature control, and that the thermal emission of condensing heat exchanger water near the steam temperature, leading to energy and economic losses. structure and properties of sho
7、rtcomings were analyzed, discussed and a half that the thermal heat exchanger with high heat transfer coefficient of heat transfer is most brass components, and the use of a reliable temperature control devices, although storage of small water, it has quickly added that the heat exchanger, and a loa
8、d can predict changes in temperature control system, so that the heat and demand for the heat to reach dynamic equilibrium. This article describes in detail the semi-Heat heat exchanger structure, working principle and its performance characteristics and uses. Changes in normal load, semi-Heat heat
9、exchanger that is able to provide good temperature control and reliable hot water supply. Is the best choice for hot water supply system.Keywords: Semi-namely, thermal heat transfer capacity, domestic hot water suppl目 录中文摘要.ABSTRACT1、绪论.41.1 本课题的研究背景及意义.41.2换热概述.41.2.1换热强化原理及方法.41.2.2强化换热研究方法.62、换热器
10、选用的当今趋势.72.1.贮存式换热器 .72.2即热式换热器.82.3半即热式换热器.83、半即热式换热器的基本结构与工作原理及特点113.1基本结构.11 3.2 工作原理.113.3半即热式换热器的特点与用途114、换热计算.144.1换热器强化传热的方式.144.1.1 扩展传热面积F.144.1.2 加大传热温差t.144.1.3 增强传热系数（K）.144.2 换热器盘管强化传热的使用.154.3产品计算.165、结论.19致谢.20参考文献.211. 绪论1.1研究背景及意义随着现代科学技术的发展，无论在工业生产中还是在高科技领域，都不可避免地涉及到热量传递及其强化问题，而对换热
11、设备进行优化，提高换热效率则成为亟需解决的重要问题。首先，世界面临着能源短缺的问题，开发新能源和节约能量引起了世界各国有关部门的关注。而对于中国这样的人口大国，人均能源相对较少，节能更是当务之急。研究高效率的换热方法及原理，是设计和制造各类高性能换热设备、减少能量损失、节约能源的重要手段，这对于动力、石油、冶金、化工、制冷以及食品等工业部门都有着极为重要的意义。其次，随着航空、，航天及核聚变等尖端技术的发展，各种换热设备的工作温度也在不断提高。为了保证换热设备能够高效率地安全运行，并有足够长的工作寿命，必须可靠而经济地解决高温设备的散热问题。随着密集布置的大功率微电子器件在各类大型设备中的释能
12、密度日益提高，进一步研究这些特殊情况下的换热问题，以有效解决这些电子器件的冷却问题是这些大型电子设备性能和工作寿命的必要保证。另外，由于使用场合和条件的限制，开发更为紧凑的、占地面积更小的换热设备也是目前许多工业部门的生产需要。盘管换热就是满足上述的节能以及特殊场合的热量传输要求的第二代传热技术，它兴起于上世纪六十年代，任务是促进和适应高热流（The encouragement and Accommodation of High Heat Fluxes），以达到用最经济的设备来传输特定的热量、用最有效的冷却来保护高温部件的高效运行。目前传热强化在工业生产中已成为现代热科学中一个十分引人注目的研
13、究领域，有着越来越广泛的应用，起着重大的、甚至是关键性的作用。1.2换热概述1.2.1换热强化原理及方法要使对流换热的换热过程得到强化，可以通过三种基本途径实现，即：提高传热系数、增加换热面积和增大平均传热温差。后两者受应用范围和工艺条件的限制，不能增加过多。因此提高换热效率的关键是提高对流换热系数。对于气液热交换器，气体侧的换热系数远低于液体侧的换热系数（空气侧换热系数约为水侧换热系数的1/701/40），气体侧的热阻通常远远超过壁面热阻和液体侧的热阻，换热器的性能往往受限于气体侧的换热，此时提高气体侧的对流换热系数更为重要。提高气体侧的对流换热系数，可以提高气体流速、消除漩涡死滞区、增加气
14、体的扰动与混合、破坏气体边界层和层流底层的发展、改变换热器表面状况等。关于换热强化技术的方法，按照Bergles,提出的分类方法，包括：a. 无源技术（Passive Technology）是指除了输入流体的功率消耗外不需要其它的附加动力。b. 有源技术（Active Technology）指强化的实施必须依靠外部的机械力或电磁力等其它力的帮助。c. 复合强化（Compound Enhancement）。同时利用有源技术和无源技术中两种以上强化方式进行强化换热。表1-1 对流换热强化技术分类分类强化技术具体方法无源技术处理表面换热表面处理成多孔表面或锯齿形表面粗糙表面表面粗糙元的微观结构几何尺
15、寸比处理表面大，但与通道的几何尺寸相比还是十分微小。扩展表面翅片几何尺寸比粗糙元要大得多，目的是增大换热面积绕流元件流动通道中放置绕流物，加强流体混合。旋流元件流动通道中放置扭转带，螺旋叶片等，使层流流动中产生强烈的涡动。表面张力元件换热表面的某些特殊结构，如多孔结构。添加物流体中加入特殊的添加物。螺旋盘管弯曲或扭曲通道本身，促使流体产生二次流动。有源技术机械搅动各种形式的搅拌釜，促使流体产生旋转。表面振动电力振动器或者技术传动偏心装置。流体振动脉动阀门或空气脉动器电磁场在交流和直流的强电（磁）场影响下，改变流体的运动规律。喷注或抽吸在传热壁面上喷注或抽吸流体射流冲击通过圆形或狭缝型喷嘴直接将
16、流体喷射到传热表面。复合强化两种或两种以上的强化技术结合在一起在强化换热研究中，人们往往追求尽可能高的热效率，但是一般来说，换热的强化都是以阻力的增加为代价的，而阻力的升高又意味着耗能的增加。目前人们往往将换热和阻力的综合影响作为换热的性能指标。目前采用较多的是PEC（Performance Evaluation Criteria，）准则。该PEC准则衡量在相同泵功率下传递热量的大小，它大于1时表明在相同输送功率下，强化管传递的热量比光滑管多。在进行强化换热方法研究时，要综合考虑阻力增加和换热强化的影响，在阻力增加与换热强化之间取得平衡。1.2.2强化换热研究方法关于强化换热的研究方法，目前主
17、要有：1. 理论研究主要是从流动和换热的机理出发，将实际问题进行简化来研究换热现象。目前在导热领域发展较成熟，对流换热还有很多尚需完善的地方，尤其是湍流理论。但强化换热的理论研究可以为试验和数值研究提供指导和对比依据。2.实验研究实验研究传热强化是传热研究的传统和基本的方法。由于分析解范围还很小，且大多经过简化，实验方式可以得到复杂流动的实际测定数据。实验方式得到的结果比较得到认可。近年来，国内外都重视建立基准实验数据（Benchmark Test Data，Validation Data）。所谓基准实验数据是指实验条件明确、有不确定度分析的那些高精度的可靠实验测定结果。美国机械工程师协会流体
18、工程分会专门设立了一个数据库，以收集这样的实验结果。3. 数值研究数值传热学在最近20年中得到飞速发展。一方面由于计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础；另一方面由于理论分析方法或实验方法都有很大的限制。数值计算可以节省费用，拓宽试验范围，缩短研究周期，另外，还可以得到试验无法得到的较为详尽的试验数据。经过考核的数值结果可以成为对实验结果很好的补充。因此，对强化换热进行数值研究在近年来越来越普遍。 也出现了很多的商用软件，如FLUENT，PHOENICS，STAR-CD等。这些软件可以减轻研究者编程的工作量，使研究者可以将时间和精力放在对物理问题的研究上面。2.换热器选用的当今趋势选择生
19、活用热水系统的趋势受到很多因素的影响,从当时的应用技术到经济和环境方面的考虑.最早期的人造换热器或者追溯到“黑盒”一种原始形式的换热器,只是简单地由一个放置高处的贮水箱暴露于阳光所组成.并涂黑以便更好地吸收太阳能.这种换热器仍用于某些高太阳能获益的气候条件.随着技术的发展,选择换热器系统已由水炉烧水而进展到蒸气锅炉间接加热的交换器形式.今天,热水系统工程师的设计选择是较以前为多.不过,选择错误的热水系统能导致高的建造成本、安装成本、保养及能源成本、并且效果低劣.因此,应小心考虑换热器选择以为设计因素及对整个成本和效果的影响.今天,间接加热的热水系统普通采用于事业性及商业性建筑物.如:医院,酒店
20、,学校,宿舍及饭店等.这里包括三种基本形式的换热器:贮存式、即热式和半即热式.2.1贮存式换热器关于容积式水加热器容积计算方法的探讨我国现行的建筑给水排水设计规范（GB50015-2003）5.3.3条中规定：容积式水加热器的有效贮热容积系数0.75，导流型容积式水加热器的有效贮热容积系数0.85。而在5.4.9条中则这样规定：容积式水加热器或加热水箱的容积附加系数应符合下列规定：1、当冷水从下部进入、热水从上部送出，其计算容积宜附加20%25%。2、当采用导流型容积式水加热器时，其计算容积应附加10%15%。对于这样的规定，5.4.9条条文说明中做出了这样的解释：1、传统的U型管式容积式水加
21、热器，由于设备本身构造要求，加热U型盘管离容器底有相当一段高度。当冷水由下进、热水从上出时，U型盘管以下部分的水不能加热，存在约20%25%的冷水滞水区，即计算水加热器容积时应附加20%25%的容积。2、带导流装置的U型管式容积式水加热器，在U型盘管外有一组导流装置，初始加热时，冷水进入加热器的导流筒内被加热成热水上升，继而迫使加热器上部的冷水返下形成自然循环，逐渐将加热器内的水加热。随着升温时间的延续，当加热器上部充满所需温度的热水时，自然循环即终止。此时，位于U型管下部的水虽然经循环已被加热，但达不到所需要的温度，按热量计算，容器的有效贮热容积约为85%90%，即计算水加热器容积时应附加1
22、0%15%的容积多年来,贮存式换热器垄断了商业及事业性建筑物的市场.贮存换热器是一个大型水贮存容器,内有充满蒸气或热水在内的导管.由安放在容器内的恒温器来推动热媒供应的控制调节器.所贮存的水的容积是多倍于导管内加热媒体的容积.事实上,贮存式加热水顺可比拟为用火柴烧热水炉.结果是,假如需求超过所贮存的热水量,那么被加热水的温度就会突然下降.经常对贮存式加热器作出一个假设是,容器在高峰需求时期将是充满热水.实际上,由于分层作用,在贮存器下部约百分之三十的水,甚至在非高峰时期,也是低于可用温度的.其余百分之七十也并非经常保持所需温度.故此,设计该系统的工程师不能准确预计在高峰需求出现时,有多少热水会
23、在贮存容器内.再者,当容器内热水已差不多用完时.如遇短暂的热水高峰需要就会导致出水温度严重下降.为对这种不测的事件提供保障,选择贮存式换热器经常是何种过大,即大于所需的贮存容积,和选择较大的导管以提供充足的复原能力.结果是消耗能源高,空间要求大,以及表面热损多.纵然如此,贮存容量过大,一般认为可保障短缺热水的可能性.但实际上所提供的真正保护却是很少.另外,贮存式换热器有一个普遍假设是,它对锅炉热能需求很平均,且因贮存的热水容量大,其温度控制将是最佳的.实际上,应该留意到贮存式换热器对锅炉的需求是不平均的,因为一般供应的温度控制系统并非自动调节,只是或开或关的双位控制装置.这种装置无法全供给换热
24、器的能量与消耗的热能平衡.它们不能调节蒸气或热水流量.2.2即热式换热器即热式换热器原以为可解决建筑物能耗和空间的节省问题.但它们并未大量分占生活用换热器市场.即热式换热器是将要加热的水贮大导管内,而热媒蒸气则在壳体内,导管内水的容积比供热介质容量少得多.它比半即热式或贮存式换热器成本虽较低,并具有体积小和安装容易的优点.然而,作为生活用水加热器,即热式换热器有很多严重的缺点.最严重的是,当遇害负荷变化大时,温度控制极差.在这种情况下加热不是相当于“火柴烧热水炉”而是“火炬烧茶匙内的水”.这样虽能快速加热复原,但不可能控制温度,因为加热中水的容积非常小而热源非常大.一般生活用热水所需的热水温度
25、通常应在华氏正负五度之间.事实上,采用这种换热器不可能做到这一点. 必须用混合阀以防止烫伤.即热式换热器的另一个缺点是,对锅炉的需求急速.因为对负荷没有预期计算,而且没有贮水量.还有,极高的壳体温度及高温凝结水亦是缺点,因为由即热式换热器排放的凝结水接近蒸汽温度,导致能源和经济损失.综合这些缺点,即热式换热器不适合用于负荷变化大的生活用水加热系统.2.3半即热式换热器“半即热式”换热器,将要加热的水贮在壳体内,而供热介质则在导管内.它属于一种有限量贮水的换热器.特点是较少贮存水量,但具有快速补充热量的交换器,和一个能预测负荷变化的温度控制系统,从而使供热量与需热量达到动态平衡.此种换热器在一九
26、四九年已经开始在市面销售,多年来越来越受到欢迎,包括各事业,商业大厦及工业之应用,更特别适用那些有不同负荷需求的建筑物.由于该系统具备了有限量的贮存水,快速的热复原及预测负荷变化进行温度控制的特点,故此,“半即热式”换热器能使出水的温度控制在整定值2.2之内.不但满足了生活热水的要求,同时也减少了锅炉负荷的波动.此种“半即热式”换热器与贮存式的换热器不同.它能保证热水连续供应.因为它的回执复原能力之选择,是根据美国采暖,空调,制冷学会的标准,即按瞬时最大可能流率来设计的,而不是根据事前预计需要的流率来确定的.因此,即使最大可能流率一旦超过换热器的设计能力,唯一的后果就是出水温度略为降低,但绝不
27、会变成供应冷水.再者,它与贮存式换热器不同之处是,“半即热式”换热器不会因选择太大而造成能源的不当消耗.因为它有优良温度控制系统使蒸气耗量始终控制在实际需用的平均负荷范围内.“半即热式”换热器还有其它优点.因为它体积小,不但节省占地面积,节省安装及运输费,同时辐射热损失小到可忽略不计.因为,不公换热器的外壳表面积小,且调温的蒸气在盘管内,而相对较低温度的热水则贮于向外散热的换热器壳体内.“半即热式”换热器也被广泛组合采用在集中用热水的场所.例如洗衣房及团体浴室等.在这种情况下可加装辅助性贮水器.如立式蓄热器或分层贮水箱.加了贮水器后,该“半即热式”换热器在需求量降低时则成为热水预热器,而在高峰
28、负荷时则用作串联升温换热器.上述安排所需占地的面积公为同出力的贮存式换热器所占面积的千分之一.水热交换器有一串直立的单个的自由浮动的螺旋盘管，这些盘管都接在蒸汽立管和冷凝水回水管上。水从设备的底部流到顶部，当它流过盘管时，就会被加热。在蒸汽进入每组盘管的时候， 就会在3个流道内环绕着流到中心终点，然后被强制通过剩余的流道流入冷凝水排水管里。当蒸汽在盘管里冷凝时，其体积的变化（因此压力的变化）引起蒸汽的流动，蒸汽的流动由一个快速反应的、全调节的、蒸汽调节阀来控制。从上部来的所有的冷凝水被强制流入ASME标准的衬铜的压力容器底部的过冷却盘管，离冷水进水很近。从设备排出的冷凝水60，因此无需疏水器。
29、免维护的孔板控制着冷凝水的流动。在选择一个间接加热式的生活用水供应系统,应考虑三个基本因素:(1)可靠性,(2)温度控制,(3)设备全寿命期的总费用.系统设计工程师首先考虑的是可靠性,其所选的系统必须确保在满足设计条件下能供应足够的热水量.该系统不仅要求性能可靠,而且在机械上也要可靠,并要求尽量少维护.第二,该项系统必需能提供良好的温度控制来适应使用要求.(大多数生活热水系统,可接受的温度范围是摄氏2.7。第三,选择系统时,其费用不应只考虑一次投资,而是设备全寿命期的总费用.包括:(1)设备初投资(2)安装费(3)运行费(4)维修费(5)占用建筑面积费用.可靠性贮存式换热器能为任何应用提供足量
30、的热水,只要选择方法正确,恰当考虑贮存/复原的平衡.在考虑最大贮存量时,应认识到容器中只有约百分之七十的水,其温度是符合使用要求的.温度控制贮存式换热器较任何其他传统式换热器能有较少的温度变动,只有需求量不超过容量内所贮存的热水量.否则,在最高负荷时,出水温度会下跌15度或更多.一个具有预知负荷、正确地设计的半即热式换热器,能提供稳定的温度控制,即使在正常负荷变动的情形下.如流量超过半即热式换热器的设计容量,也只会使出水温度略为降低.贮存式对半即热式换热器在安装、能量利用及保养成本方面的差别,都成为换热器选择的重要考虑.贮存式换热器因体积大,对建筑物有特别的结构需要、吊装工作量大,以及所需建筑
31、空间多.因此,其安装费用要比半即式换热器高得多.又因本身幅射热损大,能量消耗也大于半即热式换热器.鉴于需要更换导管及容器内部定期的补修,其保养费用也高.最先进设计的半即热式加热器则可以自动除垢.在选择锅炉大小方面,贮存式换热器一般需要加大锅炉,以便向换热器提供送汽、停汽周期性的热能要求.而半即式换热器的制造商则声称,“他们不必加大锅炉,因为他们对锅炉的能量要求是均匀的平均值”.3.半即热式换热器的基本结构、工作原理及特点3.1 基本结构半即热式换热器为半即热式,由美国半即热式国际公司所首创.由1949年开始便风行于全球,在世界换热器中始终处于领先地位.半即热式换热器由三个主要部份组成:*带顶端
32、盖和底端盖的壳体;*组装在立管上的盘管;*需求积分预测器温度控制单元.3.2 其工作原理如下:冷水从底端盖的入口接头和孔板进入换热器,并碰击转向器.孔板合水量冷水进入分流管,转向器则使冷水均匀进入壳体底部.然后冷水向上流过盘管并得到加热.热水则经端盖上的止回阀和热水出口输出.蒸汽经控制阀和底端盖止的蒸汽入口通过蒸汽立管同时进入各个并联盘管,到盘管出口端即成为冷凝水.最后,从底端盖上的冷凝水出口流出换热器.如上所述,冷水是从下向上流经换热器并得到加热的.此外,由于热水的密度小于冷水,在换热器中将因对流作用而向上游移,其结果是,最热的水总是聚集在换热器顶部,也就是在换热器出口和预测器感温管的入口处
33、.热水从换热器顶部进入感温管的开口端,而冷水则从分流管以与换热器负荷(热水需求量)成比例的流量进入感温管.冷、热水在感温管中混合得出平均温度,此温度必定低于换热器顶部的热水温度.感温元件读出任一瞬间感温管内水的平均温度并向蒸汽控制阀发出信号,按需要对控制阀在全开和全闭之间进行调节,以保持所要求的热水输出温度.如果换热器没有热水需求或负荷,则感温元件读出的只是换热器出口处的水温.若此水温已是要求水温,甚至高出要求,则发出信号关闭蒸汽控制阀.由此可见,这种控制方法并非简单地只是根据出水温度,只要一有热水需求(负荷),热水出口处的水温还没有下降,就能发出信号开启蒸汽控制阀.因此,具有预测性.3.3半
34、即热式换热器的特点与用途半即热式换热器具有以下特点:整体组装无论是汽水换热器或水水换热器,出厂时已全部组装完成.运到现场后,只要与系统的蒸汽(或高温水)管道和冷热水管道接上即可.整体组装的换热器包括热水交换器、气动或自含式蒸汽(或高温水)控制阀、双电磁阀限温系统、温度计和压力表、温度/压力安全阀、“通电”与“跳闸”状态批示器、排放阀、外壳保温层等.自由浮动盘管、传热系数大热交换器内有多组自由浮动螺旋形铜盘管.盘管在器内使水形成最大扰动,但对接头并不产生应力.同时无需水流挡板,不会与出现与挡板接合处的管子损坏. 表1-2各种材料在不同温度下的导热系数W(m.)材料25125225铁806860低碳钢545
