供热系统一次热网换热站大温差换热器

摘要

本发明公开了一种供热系统一次热网换热站大温差换热器，由换热组件、流态分布组件和联接装置连接而成；其中，板式换热组件设有的热媒入口、热媒出口、冷媒入口和冷媒出口；流态分布组件由顺次连接的喷管、流体喷嘴、吸入室、混合管和扩散器组成；联接装置包括：供水干管、喷射阀门、混水入口管、混合阀门、引回水管、引射阀门、送出管、蝶阀，回水干管、送水管和回水管。该换热器可应用在热冷媒介均为水的供热系统中，在一次网侧安装，取代传统换热器，通过设置特定结构的流态分布组件和联接装置，并有机与板式换热组件连接，通过减少输配流量解决供热系统水力失调、无功消耗过大问题，也没有过多附件而形成过大压头损失的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及换热器领域，特别是涉及一种供热系统一次热网换热站大温差换热器。

背景技术

传统供热系统的热源循环泵承担着热源内部阻力、整个热网的阻力以及各个用户的资用压头。为满足最远端用户的资用压头，往往加大热源循环泵扬程，采用中继泵或在末端增设加压泵等方式，而近端用户采用调节阀消耗多余的资用压头，由于水力调节不合理，易造成“大流量小温差”的不合理运行方式，不但不能从根本上解决问题，反而使供热系统流量超标，造成锅炉效率大幅降低，热网输配能耗偏高。图1为传统供热系统的水压图，图中ΔH₁、ΔH₂、ΔH₃分别为一次网换热站1—3采用调节阀消耗的多余资用压头。可知换热站较多时，传统供热系统中的无效电耗浪费巨大。另一种目前常用的分布式变频泵供热系统的热源循环泵只承担热源内部的循环动力，利用分布在用户端的循环泵取代用户端的调节阀用来提供必要的资用压头。图2为分布式变频泵供热系统水压图，可知热源循环泵、一、二级循环泵提供的能量均在各自的行程内被有效地消耗掉，理论上相对于传统供热系统的无效电耗明显下降，经分析计算，采用分布式变频泵供热系统可节电30％～40％。但增设的大量用户端循环泵所增设的每组附件均可形成5m左右的压头损失，几乎与该换热站换热的实际能力需求相当，当热力站数量较多时，仍将造成巨大的浪费。同时，水泵变频后水泵电机的效率下降，整个热网中热媒流量、建筑热力入口热媒流量、建筑室内供热系统的热媒流量均将下降，使建筑热用户的稳定性、可调性下降，加剧热力失调和水利失调状况，从而使供热系统的不平衡供热损失加大，供热质量下降。

发明内容

基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种供热系统一次热网换热站大温差换热器，能通过减少输配流量解决供热系统水力失调、消耗过大以及附件过多形成过大压头损失的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种供热系统一次热网换热站大温差换热器，该换热器由换热组件、流态分布组件和联接装置连接而成；其中，

所述板式换热组件的固定压板3上设有与该板式换热组件内部连通的热媒入口7A、热媒出口7B、冷媒入口7C和冷媒出口7D；

所述流态分布组件由顺次连接的喷管10、流体喷嘴11、吸入室13、混合管14和扩散器15组成；其中，所述喷管10前段截面为圆形，沿所述喷管10轴线截面渐缩至扁长形形成所述流体喷嘴11；所述吸入室13为一个腔室，前端与所述喷管10连接，后端与所述混合管14连通，所述吸入室13与所述混合管14两者公称直径相同，所述吸入室13底部设有引回水口12；所述混合管14为一段管径一致的直圆管，其出口端与所述扩散器15入口端相连；所述扩散器15的入口端公称直径与所述混合管14出口端相同，该扩散器15具有沿流态分布组件轴线增大的横截面面积；

所述联接装置包括：供水干管16、喷射阀门23、混水入口管17、混合阀门24、引回水管18、引射阀门25、送出管19、蝶阀26，回水干管20、送水管21和回水管22；其中，所述供水干管16一端连接所述流态分布组件的喷管14，另一端设有热源厂出水口相连的进水口，所述供水干管16的轴向中部设置与该供水干管16规格相匹配的所述喷射阀门23；所述混水入口管17连接所述流态分布组件的扩散器15与所述板式换热组件的热媒入口7A，所述混水入口管17轴向中部设置规格与该混水入口管17相匹配的所述混合阀门24；所述引回水管18一端与所述流态分布组件的吸入室13的引回水口12相连，所述引回水管18轴向中部设置与该引回水管18规格相匹配的所述引射阀门25，所述引回水管18的另一端与所述送出管19和所述回水干管20连接成三通结构，所述送出管19与所述板式换热组件的热媒出口7B相连，所述送出管19上设置所述蝶阀26，所述回水干管22设有与热源厂回水口相连的回水口；所述送水管21连接所述板式换热组件的冷媒入口7C与二次网回水管；所述回水管22连接所述板式换热组件的冷媒出口7D与二次网供水管。

本发明的有益效果为：

(1)与相同供热量系统相比，本发明的供热系统一次热网换热站大温差换热器通过设置特定结构的流态分布组件与联接装置的引回水管配合，能吸入部分热媒回水补偿进入换热阶段的热媒流量，提高一次网的输配流量与换热站换热器流量的比，并将供回水温差提高至普通换热器供回水温差的1.4～2倍，从根本上解决了单纯降低一次网流量不足带来的热量不足问题，不仅增加了一次网的换热效果，而且提高了建筑物供热系统水力和热力可调性和稳定性，降低了由于水力失调和热力失调造成的不平衡热损失；在保证一次网换热站与二次网换热量、建筑物供热量的前提下，供热系统可降低供热能耗15％～30％；并且极大降低了其所连接的供热系统所需的热媒流量，提高了锅炉等生产热源设备的效率，降低了供热系统的输配能耗，供热管网的输配水泵电耗可降低65.7％～87.5％。

(2)该换热器尤其适合于既有供热系统改造，用供热系统一次热网换热站大温差换热器替代原一次网换热器，可以弥补其对管网造成资用压差减少的问题，在很大程度上避免了对管网的整体改造，节省了投资；相对于相同供热量的分布式变频泵系统，本发明大幅减少分布式水泵需设置的水泵接口变径、止回阀等必要附件的安装数量，节约设备成本和维护成本。

(3)该换热器具有供水温度可调节功能，流量自动调节及自动补偿功能并可提供不同的供水温度；

同时，该换热器为全封闭设备，结构相对简单，安装方便无泄漏、低振动、低噪音、无运动部件，工作可靠、无需电源、不需备件、免维修、寿命可达10～20年、水力稳定性高、抗干扰能力强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为传统供热系统水压示意图；

图2为现有技术的分布式变频泵的供热系统水压示意图；

图3本发明实施例的换热器结构及与供热系统的连接方式示意图；

图3中各部件标号为：1-换热板片；2-板片密封件；3-固定压板；4-活动压板；5-上导梁；6-下导梁；7A-热媒入口；7B-热媒出口；7C-冷媒入口；7D-冷媒出口；8-压紧螺栓；9-防护罩；10-喷管；11-流体喷嘴；12-引回水口；13-吸入室；14-混合管；15-扩散器；16-供水干管；17-混水入口管；18-引回水管；19-送出管；20-回水干管；21-送水管；22-回水管；23-喷射阀门；24-混合阀门；25-引射阀门；26-蝶阀。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图3所示，本发明实施例提供一种供热系统一次热网换热站大温差换热器，该换热器由换热组件、流态分布组件和联接装置连接而成；其中，

板式换热组件的固定压板3上设有与该板式换热组件内部连通的热媒入口7A、热媒出口7B、冷媒入口7C和冷媒出口7D；

流态分布组件由顺次连接的喷管10、流体喷嘴11、吸入室13、混合管14和扩散器15组成；其中，喷管10前段截面为圆形，沿喷管10轴线截面渐缩至扁长形形成流体喷嘴11；吸入室13为一个腔室，前端与喷管10连接，后端与混合管14连通，吸入室13与混合管14两者公称直径相同，吸入室13底部设有引回水口12；混合管14为一段管径一致的直圆管，其出口端与扩散器15入口端相连；扩散器15的入口端公称直径与混合管14出口端相同，该扩散器15具有沿流态分布组件轴线增大的横截面面积；该流态分布组件中，喷管用于连接热源厂高温水供水干管，流体喷嘴用于将高温水喷出，引回水口用于吸入热媒回水，吸入室用于引导自引回水口吸入的热媒回水进入混合管，混合管用于将流体喷嘴喷出的高温水与自吸入室吸入的回水混合成混合流体，扩散器用于将混合管输出混合流体降压输出；

联接装置包括：供水干管16、喷射阀门23、混水入口管17、混合阀门24、引回水管18、引射阀门25、送出管19、蝶阀26，回水干管20、送水管21和回水管22；其中，供水干管16一端连接流态分布组件的喷管14，另一端设有热源厂出水口相连的进水口，供水干管16的轴向中部设置与该供水干管16规格相匹配的喷射阀门23；混水入口管17连接流态分布组件的扩散器15与板式换热组件的热媒入口7A，混水入口管17轴向中部设置规格与该混水入口管17相匹配的混合阀门24；引回水管18一端与流态分布组件的吸入室13的引回水口12相连，引回水管18轴向中部设置与该引回水管18规格相匹配的引射阀门25，引回水管18的另一端与送出管19和回水干管20连接成三通结构，送出管19与板式换热组件的热媒出口7B相连，送出管19上设置蝶阀26，回水干管22设有与热源厂回水口相连的回水口；送水管21连接板式换热组件的冷媒入口7C与二次网回水管；回水管22连接板式换热组件的冷媒出口7D与二次网供水管。该联接装置中，供水干管用于将热源厂高温水送入流态分布组件，混水入口管用于连接流态分布组件的扩散器与板式换热组件的热媒入口，引回水管用于将热媒回水引至流态分布组件上的引回水口，回水干管用于将热媒回水引至热源厂，送水管用于连接板式换热组件的冷媒入口与二次网回水干管，回水管用于连接板式换热组件的冷媒出口与二次网供水干管，喷射阀门用于调节自热源厂流入的高温水流量；混合阀门用于调节流态分布组件中自扩散器流出的混合流体的供水流量，引射阀门用于分配热媒回水至引回水管与回水干管间比例。

上述换热器中，引回水管18的另一端与送出管19和回水干管20连接成三通结构为：采用焊接连接使引回水管18的另一端与送出管19和回水干管20连接成三通结构。

上述换热器中，供水干管16、混水入口管17、引回水管18均采用法兰与流态分布组件连接。这种连接方式使得拆装比较方便，便于维护。

上述换热器中，板式换热组件包括：若干换热板片1、板片密封件2、固定压板3、活动压板4、上导梁5、下导梁6、压紧螺栓8、防护罩9、热媒入口7A、热媒出口7B、冷媒入口7C和冷媒出口7D；

其中，若干换热板片1交替排列设在固定压板3和活动压板4之间，用于形成冷热媒流通通道，处于活动压板4的一侧的各换热板片1侧面上均设有板片密封件2，换热板片1、板片密封件2和活动压板4通过上、下导梁5、6连接在一起，上导梁用于承载活动压板和固定压板，下导梁用于保持换热板片的一端对齐，并通过上、下导梁5、6端部的拉紧螺栓8紧压成内部为换热空间的换热器；

换热板片1和板片密封件2外面设置防护罩9，防护罩覆盖在换热板片外部，用于保护换热板片；

作为冷媒和热媒进出入管道接口的热媒入口7A、热媒出口7B、冷媒入口7C和冷媒出口7D分布设在固定压板3的外侧面上，均与换热板片1形成的换热空间内连通。

上述本发明实施例的换热器可应用在热冷媒介均为水的供热系统中，尤其是热力站较多的大型供热系统中并在一次网侧安装，取代传统换热器。该换热器通过设置特定结构的流态分布组件和联接装置，并有机与板式换热组件连接，既可巧妙地通过减少输配流量解决供热系统水力失调、无功消耗过大的问题，又无增设过多附件而形成过大压头损失的问题。

下面结合具体实施例对本发明换热器作进一步说明。

实施例一

如图3所示，本实施例的供热系统一次热网换热站大温差换热器应用于新建建筑中的供热系统，与热源厂和二次网连接，承担一次网侧的换热工作，该换热器由板式换热组件、流态分布组件和联接装置连接而成；

其中，板式换热组件包括：若干换热板片1、板片密封件2、固定压板3、活动压板4、上导梁5、下导梁6、作为管道接口的热媒入口7A、热媒出口7B、冷媒入口7C和冷媒出口7D、压紧螺栓8和防护罩9；其中，若干换热板片1交替排列，位于固定压板3和活动压板4之间，各换热板片1粘有板片密封件2的一侧朝向活动压板4，三者通过上、下导梁5、6连接在一起，并用拉紧螺栓8将其紧压；作为管道接口的热媒入口7A、热媒出口7B、冷媒入口7C和冷媒出口7D分布设在固定压板3的外侧面上，该四个管道接口位于固定压板3最上方和最下方，可与外部管道连通，四个管道接口可任意排列，图3中给出了一种热媒入口7A、热媒出口7B、冷媒入口7C和冷媒出口7D在固定压板3上的设置方式。

流态分布组件包括：喷管10、流体喷嘴11、引回水口12、吸入室13、混合管14和扩散器15；其中，喷管10前段截面为圆形，沿组件轴线截面渐缩至扁长形形成流体喷嘴11；所述吸入室13为一个腔室，一端与喷管10连接，另一端与混合管14连通，两者公称直径相同；混合管14为一段管径不发生变化的直圆管，出口端与扩散器15相连；所述扩散器15一端公称直径与混合管14出口相同并且具有沿流态分布组件轴线增大的横截面面积。

联接装置包括：供水干管16、混水入口管17、引回水管18、送出管19，回水干管20、送水管21、回水管22、喷射阀门23、混合阀门24、引射阀门25和蝶阀26；其中，供水干管16连接热源厂与流态分布组件的喷管10，供水干管16的轴向中部设置喷射阀门23，喷射阀门23规格与供水干管16相匹配；混水入口管17连接流态分布组件的扩散器15与板式换热组件的热媒入口7A，混水入口管17轴向中部设置混合阀门24，混合阀门28规格与混水入口管17相匹配；引回水管18连接流态分布组件的引回水口12和经送出管19连接板式换热组件的热媒出口7B，引回水管18轴向中部设置引射阀门25，引射阀门25规格与引回水管18相匹配；引回水管18、送出管19和回水干管20连接构成一个三通结构，回水干管20连接送出管19并与热源厂回水口相连，送出管19的轴中部设置蝶阀26；送水管21连接板式换热组件的冷媒入口7C与二次网回水管；回水管22连接板式换热组件的冷媒出口7D与二次网供水管。送出管19、回水干管18和引回水管18采用焊接连接形成三通结构；供水干管16、混水入口管17、引回水管18与流态分布组件均采用法兰连接。

上述供热系统一次热网换热站大温差换热器工作时，流量为0.5Q的高温水自热源厂由供水干管16送至流态分布组件的喷管10，在其压力作用下，由流体喷嘴11高速喷射出来，进入吸入室13，动能增加，压力下降，形成低压区，此时在板式换热组件中完成换热的流量0.5Q的热媒回水被引回水口12吸入至吸入室13，两者进入混合管14并进行热能交换与动能交换，使混合后的两种流体的温度、速度趋于一致，再进入扩散器15。混合后的混流流体流量为Q由混水入口管17流入板式换热组件，与自板式换热组件冷媒入口7C流入的冷水在相邻的流体换热通道中进行充分换热后，流量为0.5Q的热媒回水通过引射阀门25分流被流态分布组件吸入至吸入室13，另一部分流量为0.5Q的热媒回水通过回水干管20进入热源厂循环；冷媒由板式换热组件冷媒出口7D流出进入二次热网供水干管。

以某一拥有4个热用户的集中供热系统为例，分别采用两种方式布置其循环系统。方式一为采用传统热源侧布置总循环泵的方式，并且该循环管网中不布置其他循环水泵，系统单位时间换热量为G。方式二为采用本发明承担一次网侧的换热工作，将其与热源厂和二次网连接，系统单位时间换热量为G^’。

(1)供热系统换热量与输配流量、供回水温差的关系按下式计算：

G＝c×Q×Δt(1)

式中，c——流体比热容，kJ/(kg·℃)；

Q——供热系统输配流量，t/s；

Δt——供热系统供回水温差，℃。

可得方式一中供热管网的输配流量当G＝G’时，$>Q^{,}=\left(\frac{G}{{\mathrm{c\Delta t}}^{,}}\right)=\left(\frac{G}{c2\Delta t}\right),$>可知Δt’＝2Δt，$>Q^{,}=\frac{1}{2}·\left(\frac{G}{c\Delta t}\right)=\frac{Q}{2}.$>

则装有本发明的供热系统供回水温差提高至传统的2倍，且输配流量相对传统供热系统降低50％。

(2)设传统供热管网(采用本发明的供热管网)循环泵出口端、循环泵进口段、热源处、换热装置(换热组件，流态分布组件)、站内主管、除污器、外网主管的压力损失分别为H₁(H’₁)、H₂(H’₂)、H₃(H’₃)、H₄(H’₄，H〃₄)、H₅(H’₅)、H₆(H’₆)、H₇(H’₇)。由1)已知，传统供热系统的输配流量为Q，装有本发明的供热系统的换热装置的输配流量为Q，其他管段输配流量为0.5Q。

供热系统输配水泵扬程与输配流量的关系按下式计算：

$>\frac{H_i^{,}}{H_i}={\left(\frac{Q^{,}}{Q}\right)}^2---\left(2\right)$>

式中，H_i——传统供热管网相应管段的压力损失，mH₂O；

H’_i——装有本发明的供热管网相应管段的压力损失，mH₂O；

Q——传统供热管网相应管段的输配流量，t/s；

Q’——装有本发明的供热管网相应管段的输配流量，t/s。

可求出传统供热管网与采用本发明的供热管网各管段的压力损失间的关系，以循环泵出口端为例，可得H’₁＝0.25H₁，其他段同理，得到：H’₂＝0.25H₂，H’₃＝0.25H₃，H’₄＝H₄，H’₅＝0.25H₅，H’₆＝0.25H₆，H’₇＝0.25H₇并将结果整理成表1。从表1中可知，正常情况下，采用本发明的供热管网除了换热组件流量和压力损失与传统相同，其他管段压力损失均减少75％。

(3)供热管网的输配水泵电耗与输配流量的关系按下式计算：

$>\frac{P^{,}}{P}={\left(\frac{Q^{,}}{Q}\right)}^3---\left(3\right)$>

式中：P’——装有本发明的供热管网输配水泵的输配流量的功耗，kJ；

P——传统供热管网输配水泵的输配流量的功耗，kJ；

Q’——装有本发明的供热管网输配水泵的输配流量，t/s；

Q——传统供热管网输配水泵的输配流量，t/s；

可得$>\frac{P^{,}-P}{P}={\left(\frac{Q^{,}}{Q}\right)}^3-1={\left(\frac{0.5Q}{Q}\right)}^3-1=-87.5\%$>

则装有本发明换热器的供热管网输配水泵电耗与传统管网相比可降低87.5％。

实施例二

本实施例的供热系统一次热网换热站大温差换热器应用于既有建筑的供热系统整体改造，将原有一次网侧的换热器替换成本发明的换热器，其所连接的供热管网的全程管径不更换，所有手动平衡阀与自力平衡阀开至最大或去除。本发明换热器的联接装置管径与既有供热管网的管径相匹配，选用板式换热组件规格比原换热器小。

设定既有建筑的供热系统原输配流量为Q，调节本发明换热器的联接装置上的喷射阀门23使自热源厂进入本发明换热器的高温水流量减少至0.5Q，调节本发明换热器的联接装置上的蝶阀26使回到热源厂的热媒回水减少至0.5Q，如实施例一所述，替换为本发明的换热器后，输配流量降低为原有的50％，输配水泵电耗可降低87.5％。供热系统供回水温差是改造前的2倍。

实施例三

本实施例的供热系统一次热网换热站大温差换热器应用于既有建筑的供热系统局部改造，将本发明的流态分布组件与联接装置安装在原有一次网侧的换热器(普通板式换热器)上，其所连接的供热管网的全程管径不更换，所有手动平衡阀与自力平衡阀开至最大或去除。本发明的联接装置管径与既有供热管网的管径相匹配。

将联接装置的供水干管16与热源厂连接，混水入口管17与原换热器热媒入口连接，送出管19与原换热器热媒出口连接，回水干管20与热源厂连接，连接方式采用焊接。

设定既有建筑的供热系统换热量不变仍为G，原输配流量为Q，调节本发明的联接装置上的喷射阀门23使来自热源厂进入本发明换热器的高温水流量减少至0.5Q，调节本发明的联接装置上的蝶阀26使回到热源厂的热媒回水减少至0.5Q。如实施例所述，替换为本发明的换热器后，输配流量降低为原有的50％，输配水泵电耗可降低87.5％，供热系统换热供回水温差是改造前的2倍。

实施四

本实施例的供热系统一次热网换热站大温差换热器具有远程调节功能。将本发明的换热器的联接装置中的喷射阀门23、混合阀门24、引射阀门25、蝶阀26均换成调节电动阀门并配备控制箱，在本发明换热器工作时，工作人员可根据建筑物的单位时间内供热量要求通过自动控制装置或电动执行机构调节各个阀门的开度。将四个电动阀开度设置在60％、70％、80％、90％、100％共5个值之间变换，实现节能降耗。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。