邱建華 劉峰 應(yīng)超

浙江省建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)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(zhǎng)最適宜的環(huán)境。《建筑給水排水設(shè)計(jì)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(chǎng)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(duì)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(guò)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(dòng)，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(yùn)行時(shí)，換熱器貯存的熱水仍能在一定時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)的供應(yīng)。若換熱器罐底沒(méi)有導(dǎo)流穩(wěn)流器等防死水裝置，運(yùn)行過(guò)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(wú)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(wú)冷溫水滯水區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)及試驗(yàn)方法是亟待解決的問(wèn)題。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 傳熱溫差

傳熱溫差分靜態(tài)傳熱溫差和動(dòng)態(tài)傳熱溫差，分別指換熱器靜態(tài)換熱和動(dòng)態(tài)換熱過(guò)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(wú)冷溫水滯水區(qū)，則換熱時(shí)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(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，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)?？蓪⒐薜?、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(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50015-2019）[1]6.8.9 條對(duì)水加熱器溫度控制裝置的要求，半容積式換熱器的自動(dòng)溫度控制閥溫級(jí)范圍為±4 ℃，故要求靜態(tài)傳熱和動(dòng)態(tài)傳熱的最大傳熱溫差均應(yīng)不超過(guò)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(jī)》（GB/T 21362-2008）[2]關(guān)于熱泵熱水機(jī)使用性能的定義，為額定條件下實(shí)際熱水輸出量同額定容積的比值。理論上無(wú)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(huì)更多，相應(yīng)的熱水輸出率會(huì)更高。半容積式換熱器與熱泵熱水機(jī)均屬于水的加熱儲(chǔ)熱設(shè)備。在相同的放熱條件下，可將熱泵熱水機(jī)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(yàn)方法研究

3.1 試驗(yàn)條件

1）溫度測(cè)點(diǎn)布置要求。為了準(zhǔn)確測(cè)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(cè)點(diǎn)。

2）熱媒供水溫度要求。換熱器熱水設(shè)計(jì)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(guò)低會(huì)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(jī)》（GB/T21362-2008）[2]對(duì)熱泵熱水機(jī)使用性能的試驗(yàn)方法，測(cè)試環(huán)境溫度要求控制在20 ℃±5 ℃?！都矣煤皖愃朴猛緹岜脽崴鳌罚℅B/T23137-2020）[3]對(duì)熱泵熱水器使用性能的試驗(yàn)方法，測(cè)試環(huán)境溫度要求控制在20 ℃±2 ℃。兩者對(duì)使用性能參數(shù)測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度的要求基本一致，考慮到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件受限，半容積式換熱器熱水輸出率測(cè)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(duì)換熱器的換熱效果也會(huì)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(cè)時(shí)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(mén)以控制放水流量。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 靜態(tài)傳熱溫差試驗(yàn)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(kāi)啟回水循環(huán)泵進(jìn)行混水，使灌頂、罐中、罐底三個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫差在1 ℃以內(nèi)，記錄此時(shí)各測(cè)點(diǎn)的初始溫度。然后開(kāi)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(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度，當(dāng)罐頂測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度時(shí)停止測(cè)量。計(jì)算每組數(shù)據(jù)中灌頂、罐中、罐底的平均溫度T1、T2、T3，測(cè)點(diǎn)之間的靜態(tài)傳熱溫差ΔTji按下式計(jì)算：

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

3.2.2 動(dòng)態(tài)傳熱溫差試驗(yàn)方法

當(dāng)罐頂測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度的±0.5 ℃時(shí)，打開(kāi)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(cè)量，每個(gè)放水量測(cè)試6 min，每2 min 記錄一次罐內(nèi)頂部、中部、底部三個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度。計(jì)算每組數(shù)據(jù)中灌頂、罐中、罐底的平均溫度T1、T2、T3，測(cè)點(diǎn)之間的動(dòng)態(tài)傳熱溫差ΔTdi按下式計(jì)算：

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

3.2.3 換熱器熱水輸出率試驗(yàn)方法

熱水輸出率的試驗(yàn)方法參照《商業(yè)或工業(yè)用及類型用途的熱泵熱水機(jī)》（GB/T21362-2008）[2]中關(guān)于熱泵熱水機(jī)使用性能的測(cè)試方法。即換熱系統(tǒng)補(bǔ)滿水，換熱器通過(guò)熱媒換熱至55 ℃±5 ℃后，關(guān)閉熱媒循環(huán)泵，打開(kāi)冷水進(jìn)水閥門(mén)和熱水出水閥門(mén)。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(shí)，認(rèn)為半容積式換熱器儲(chǔ)熱失效，關(guān)閉冷水進(jìn)水閥，停止試驗(yàn)。計(jì)算累積的熱水放水質(zhì)量或累積流量，并按下式計(jì)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(cè)試案例

4.1 換熱系統(tǒng)介紹

本次測(cè)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(mén)等組成。立式半容積式換熱器設(shè)備型號(hào)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(jì)供回水溫度95/70 ℃，換熱器熱水出水設(shè)計(jì)溫度60 ℃。通過(guò)在灌頂、罐中、灌底設(shè)置的鉑電阻記錄試驗(yàn)時(shí)罐內(nèi)不同位置溫度的變化情況。換熱系統(tǒng)組成及測(cè)點(diǎn)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 換熱系統(tǒng)組成及測(cè)點(diǎn)示意圖

4.2 靜態(tài)傳熱溫差試驗(yàn)

試驗(yàn)前先啟動(dòng)回水循環(huán)泵混水，待罐內(nèi)三個(gè)測(cè)點(diǎn)的水溫穩(wěn)定后，開(kāi)啟熱媒循環(huán)泵開(kāi)始換熱，至灌頂溫度達(dá)到60 ℃時(shí)結(jié)束測(cè)試，記錄各測(cè)點(diǎn)的溫度及溫差。

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

圖2 靜態(tài)換熱時(shí)罐頂、罐中、灌底溫度變化曲線圖

4.3 動(dòng)態(tài)傳熱溫差試驗(yàn)

當(dāng)罐頂測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度的60 ℃時(shí)，打開(kāi)冷水進(jìn)水閥和熱水出水閥，通過(guò)熱水出水口處安裝的流量調(diào)節(jié)閥門(mén)，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(cè)量，每個(gè)放水量測(cè)試6 min，記錄各測(cè)點(diǎn)的溫度及溫差。

從圖3 可以看出換熱器在不同的放水量動(dòng)態(tài)換熱時(shí)的灌頂、罐中、罐底三處測(cè)點(diǎn)的水溫變化情況，其中底部的水溫波動(dòng)幅度較大，開(kāi)始時(shí)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(shí)，水溫又開(kāi)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(cè)點(diǎn)之間的最大溫差為1.8 ℃。

圖3 動(dòng)態(tài)換熱時(shí)罐頂、罐中、灌底溫度變化曲線圖

4.4 熱水輸出率試驗(yàn)

測(cè)試開(kāi)始時(shí)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(shí)，停止測(cè)試，記錄各測(cè)點(diǎn)的溫度及累積放水量。

當(dāng)罐內(nèi)頂部溫度降至45.5 ℃時(shí)，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(kāi)始陡降，11 分鐘中部水溫開(kāi)始陡降，24 分鐘后頂部水溫開(kāi)始陡降。放熱過(guò)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(shí)罐頂、罐中、灌底水溫的變化曲線圖

4.5 試驗(yàn)結(jié)論

本次測(cè)試對(duì)象半容積式換熱器最大靜態(tài)傳熱溫差為1.9 ℃，最大動(dòng)態(tài)傳熱溫差為1.8 ℃，熱水輸出率為82.2%。通過(guò)測(cè)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(guò)對(duì)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(wú)冷溫水滯水區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)、試驗(yàn)方法及判定標(biāo)準(zhǔn)。并通過(guò)實(shí)際案例測(cè)試驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)指標(biāo)的科學(xué)性與試驗(yàn)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(píng)價(jià)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(cè)試方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)。