半容積式換熱器儲熱效率評價及試驗方法研究

邱建華 劉峰 應(yīng)超

浙江省建設(shè)工程質(zhì)量檢驗站有限公司

1 引言

帶有冷溫水滯水區(qū)的換熱器，其滯水區(qū)水溫一般在20 ℃-30 ℃之間，是細(xì)菌繁殖生長最適宜的環(huán)境。《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50015-2019）[1]明確規(guī)定，醫(yī)院等病菌滋生繁殖嚴(yán)重的場所不得采用有冷溫水滯水區(qū)的水加熱設(shè)備，目前醫(yī)院及其他對熱水品質(zhì)要求高的集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)水加熱設(shè)備多數(shù)選擇半容積式換熱器。它的工作原理是：通過提高內(nèi)置換熱器管內(nèi)熱媒與管外被加熱水的流速，將層流換熱轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲹Q熱，充分發(fā)揮換熱管的熱交換作用，大幅提高換熱系數(shù)。它的工作流程是：內(nèi)置換熱器換熱好的水經(jīng)管路輸送至換熱器罐底，罐底的冷溫水換熱后向上流動，容器內(nèi)貯存的全是高于系統(tǒng)回水溫度的熱水。理論上半容積式換熱器不存在冷溫水滯水區(qū)，容積利用率可達(dá)100%，當(dāng)熱媒受影響或停止運行時，換熱器貯存的熱水仍能在一定時間內(nèi)平穩(wěn)的供應(yīng)。若換熱器罐底沒有導(dǎo)流穩(wěn)流器等防死水裝置，運行過程中冷溫水換熱不充分，則該區(qū)域或存在冷溫水滯水區(qū)。

綜上所述，半容積式換熱器無冷溫水滯水區(qū)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，也是用戶的選型依據(jù)，確定半容積式換熱器無冷溫水滯水區(qū)的評價指標(biāo)及試驗方法是亟待解決的問題。

2 評價指標(biāo)

2.1 傳熱溫差

傳熱溫差分靜態(tài)傳熱溫差和動態(tài)傳熱溫差，分別指換熱器靜態(tài)換熱和動態(tài)換熱過程中罐內(nèi)頂部、中部和底部三者之間熱水的最大溫差。換熱器罐底無冷溫水滯水區(qū)，則換熱時水溫較低的罐底與罐內(nèi)其他部位的溫差應(yīng)保持在一定范圍。經(jīng)實驗統(tǒng)計，半容積式換熱器罐頂、罐中、罐底之間的熱水傳熱溫差基本在15 ℃內(nèi)。可將罐底、罐中、灌頂之間的傳熱溫差作為判定冷溫水滯水區(qū)的重要指標(biāo)之一，根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50015-2019）[1]6.8.9 條對水加熱器溫度控制裝置的要求，半容積式換熱器的自動溫度控制閥溫級范圍為±4 ℃，故要求靜態(tài)傳熱和動態(tài)傳熱的最大傳熱溫差均應(yīng)不超過8 ℃。

2.2 熱水輸出率

熱水輸出率參照《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機》（GB/T 21362-2008）[2]關(guān)于熱泵熱水機使用性能的定義，為額定條件下實際熱水輸出量同額定容積的比值。理論上無冷溫水滯水區(qū)的半容積式換熱器，容積利用率可達(dá)100%，可利用的熱水量會更多，相應(yīng)的熱水輸出率會更高。半容積式換熱器與熱泵熱水機均屬于水的加熱儲熱設(shè)備。在相同的放熱條件下，可將熱泵熱水機使用性能的要求作為半容積式換熱器熱水輸出率的要求，即半容積式換熱器的熱水輸出率不得低于65%。

3 試驗方法研究

3.1 試驗條件

1）溫度測點布置要求。為了準(zhǔn)確測量罐內(nèi)各部位的溫度，要求在罐頂、罐中、罐底分別布置溫度測點。

2）熱媒供水溫度要求。換熱器熱水設(shè)計溫度一般為50 ℃～60 ℃，熱媒與熱水的溫差在20 ℃以上，故要求熱媒供水溫度應(yīng)不得低于70 ℃，熱媒溫度過低會影響換熱效果。

3）環(huán)境溫度要求。換熱器的保溫性能受所處的環(huán)境溫度影響，根據(jù)《商業(yè)及工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機》（GB/T21362-2008）[2]對熱泵熱水機使用性能的試驗方法，測試環(huán)境溫度要求控制在20 ℃±5 ℃。《家用和類似用途熱泵熱水器》（GB/T23137-2020）[3]對熱泵熱水器使用性能的試驗方法，測試環(huán)境溫度要求控制在20 ℃±2 ℃。兩者對使用性能參數(shù)測試時的環(huán)境溫度的要求基本一致，考慮到現(xiàn)場檢測條件受限，半容積式換熱器熱水輸出率測試的環(huán)境溫度要求為20 ℃±5 ℃。

4）冷水供水溫度要求。不同溫度的冷水進(jìn)水對換熱器的換熱效果也會產(chǎn)生影響，考慮到進(jìn)水溫度不好控制，要求盡量接近檢測時的環(huán)境溫度，且水溫一般低于環(huán)境溫度，故冷水供水溫度要求為15 ℃±5 ℃。

5）流量控制要求。在熱水出水口處安裝流量調(diào)節(jié)閥門以控制放水流量。

3.2 試驗方法

3.2.1 靜態(tài)傳熱溫差試驗方法

在規(guī)定的環(huán)境溫度條件下，將半容積式換熱器注滿15 ℃±5 ℃的水后關(guān)閉冷水進(jìn)水閥。開啟回水循環(huán)泵進(jìn)行混水，使灌頂、罐中、罐底三個測點的溫差在1 ℃以內(nèi)，記錄此時各測點的初始溫度。然后開啟熱媒循環(huán)泵，穩(wěn)定后每隔2 min 記錄一次灌頂、罐中、罐底三個測點的溫度，當(dāng)罐頂測點溫度達(dá)到設(shè)計溫度時停止測量。計算每組數(shù)據(jù)中灌頂、罐中、罐底的平均溫度T1、T2、T3，測點之間的靜態(tài)傳熱溫差ΔTji按下式計算：

式中：ΔTji—第i次測量時的靜態(tài)傳熱溫差，℃；T1i、T2i、T3i—分別為第i次測量時灌頂、罐中、灌底的平均溫度，℃。

3.2.2 動態(tài)傳熱溫差試驗方法

當(dāng)罐頂測點溫度達(dá)到設(shè)計溫度的±0.5 ℃時，打開冷水進(jìn)水閥和熱水出水閥，每分鐘熱水放水量分別調(diào)至額定容積的1%、2%、3%、4%和5%五檔連續(xù)測量，每個放水量測試6 min，每2 min 記錄一次罐內(nèi)頂部、中部、底部三個測點的溫度。計算每組數(shù)據(jù)中灌頂、罐中、罐底的平均溫度T1、T2、T3，測點之間的動態(tài)傳熱溫差ΔTdi按下式計算：

式中：ΔTdi—第i次測量時的動態(tài)傳熱溫差，℃；T1i、T2i、T3i—分別為第i次測量時灌頂、罐中、灌底的平均溫度，℃。

3.2.3 換熱器熱水輸出率試驗方法

熱水輸出率的試驗方法參照《商業(yè)或工業(yè)用及類型用途的熱泵熱水機》（GB/T21362-2008）[2]中關(guān)于熱泵熱水機使用性能的測試方法。即換熱系統(tǒng)補滿水，換熱器通過熱媒換熱至55 ℃±5 ℃后，關(guān)閉熱媒循環(huán)泵，打開冷水進(jìn)水閥門和熱水出水閥門。將每分鐘放水流量調(diào)為額定容積的3%，水流量允許偏差±水流。當(dāng)罐頂溫度降至比最高水溫低10 ℃時，認(rèn)為半容積式換熱器儲熱失效，關(guān)閉冷水進(jìn)水閥，停止試驗。計算累積的熱水放水質(zhì)量或累積流量，并按下式計算熱水輸出率：

式中：μ—熱水輸出率，%；L—熱水累積流量，L；mp—放出水的質(zhì)量，kg；ρ—在平均放水溫度下水的密度，kg/L；CR—換熱器的額定容積，L。

4 測試案例

4.1 換熱系統(tǒng)介紹

本次測試的換熱系統(tǒng)由立式半容積式換熱器、熱媒循環(huán)泵、回水循環(huán)泵、管網(wǎng)及各類儀表閥門等組成。立式半容積式換熱器設(shè)備型號為NBHRV-02-1.5，貯熱罐額定貯水容積1.5 m3，換熱面積5.9 m2。換熱系統(tǒng)熱媒水接自鍋爐，罐內(nèi)冷水經(jīng)換熱器換熱后用于生活熱水。熱媒設(shè)計供回水溫度95/70 ℃，換熱器熱水出水設(shè)計溫度60 ℃。通過在灌頂、罐中、灌底設(shè)置的鉑電阻記錄試驗時罐內(nèi)不同位置溫度的變化情況。換熱系統(tǒng)組成及測點示意圖見圖1。

圖1 換熱系統(tǒng)組成及測點示意圖

4.2 靜態(tài)傳熱溫差試驗

試驗前先啟動回水循環(huán)泵混水，待罐內(nèi)三個測點的水溫穩(wěn)定后，開啟熱媒循環(huán)泵開始換熱，至灌頂溫度達(dá)到60 ℃時結(jié)束測試，記錄各測點的溫度及溫差。

從圖2 可以看出換熱器靜態(tài)換熱時灌頂、罐中、罐底三處測點的水溫均能同步平穩(wěn)上升，三處測點之間的最大溫差為1.9 ℃，當(dāng)灌頂溫度達(dá)到設(shè)計溫度60 ℃時，灌底溫度為58.5 ℃。

圖2 靜態(tài)換熱時罐頂、罐中、灌底溫度變化曲線圖

4.3 動態(tài)傳熱溫差試驗

當(dāng)罐頂測點溫度達(dá)到設(shè)計溫度的60 ℃時，打開冷水進(jìn)水閥和熱水出水閥，通過熱水出水口處安裝的流量調(diào)節(jié)閥門，將放水量分別調(diào)至15 L/min、30 L/min、45 L/min、60 L/min、75 L/min 連續(xù)測量，每個放水量測試6 min，記錄各測點的溫度及溫差。

從圖3 可以看出換熱器在不同的放水量動態(tài)換熱時的灌頂、罐中、罐底三處測點的水溫變化情況，其中底部的水溫波動幅度較大，開始時受冷水進(jìn)水的影響，溫度稍有下降后逐步升溫，當(dāng)放水量加大時，水溫又開始下降。中部和頂部水溫幾乎不受影響，逐步升溫后成穩(wěn)定狀態(tài)，三處測點之間的最大溫差為1.8 ℃。

圖3 動態(tài)換熱時罐頂、罐中、灌底溫度變化曲線圖

4.4 熱水輸出率試驗

測試開始時罐頂溫度為55.5 ℃，按45 L/min 固定水流量放熱水，冷水進(jìn)水溫度為19.8 ℃，當(dāng)罐頂溫度降至45.5 ℃時，停止測試，記錄各測點的溫度及累積放水量。

當(dāng)罐內(nèi)頂部溫度降至45.5 ℃時，熱水累積放水量為1233 L，熱水輸出率為82.2%。從圖4 可以看出，前3 分鐘罐內(nèi)各位置的水溫均保持在50 ℃以上，然后罐底水溫開始陡降，11 分鐘中部水溫開始陡降，24 分鐘后頂部水溫開始陡降。放熱過程中罐體內(nèi)的熱水總體上按層流的形態(tài)推進(jìn)。

圖4 放熱時罐頂、罐中、灌底水溫的變化曲線圖

4.5 試驗結(jié)論

本次測試對象半容積式換熱器最大靜態(tài)傳熱溫差為1.9 ℃，最大動態(tài)傳熱溫差為1.8 ℃，熱水輸出率為82.2%。通過測試結(jié)果分析，該半容積式換熱器換熱效果好，且容積利用率高于普通的半容積式換熱器，可以判定罐內(nèi)不存在冷溫水滯水區(qū)。

5 結(jié)論

本文通過對半容積式換熱器的換熱原理和類似產(chǎn)品性能指標(biāo)的研究分析，提出了半容積式換熱器無冷溫水滯水區(qū)的評價指標(biāo)、試驗方法及判定標(biāo)準(zhǔn)。并通過實際案例測試驗證了該評價指標(biāo)的科學(xué)性與試驗方法的可操作性，完善了半容積式換熱器產(chǎn)品的質(zhì)量評價方法。其他類似用途的水加熱設(shè)備亦可參照本文提出的測試方法和評價指標(biāo)。