热网系统热网加热器新型结构研究及应用技术

热网系统热网加热器新型结构研究及应用技术

高旭东

大唐七台河发电有限责任公司

摘要： 热网加热器作为热网系统的核心设备，其性能对热网系统的运行效率和能源利用效果至关重要。本文针对传统热网加热器存在的问题，对新型热网加热器结构进行了深入研究。通过理论分析、数值模拟与实验验证相结合的方法，探讨了新型结构的传热机理和性能优势，并结合实际工程案例阐述了其应用效果。研究表明，新型热网加热器在提高传热效率、降低流动阻力、减小设备体积等方面具有显著优势，为热网系统的优化升级提供了有力支持。

关键词： 热网系统；热网加热器；新型结构；传热性能；应用技术

一、引言

随着集中供热事业的蓬勃发展，热网系统的规模不断扩大，对热网加热器的性能要求也日益提高。热网加热器的主要作用是将热源的热量传递给热网循环水，为用户提供稳定的供热。传统的热网加热器，如管壳式热网加热器，在长期运行中暴露出传热效率低、流动阻力大、设备体积大等问题，难以满足当前热网系统高效、节能、紧凑的发展需求。

为了提高热网加热器的性能，国内外学者和工程技术人员开展了大量研究工作。新型热网加热器结构的研发成为解决上述问题的关键途径。通过改进传热元件、优化流道设计等手段，新型热网加热器能够有效提高传热效率，降低能耗，减小设备占地面积，具有广阔的应用前景。

二、传统热网加热器结构与问题分析

2.1 传统热网加热器结构

传统热网加热器以管壳式结构最为常见。管壳式热网加热器主要由壳体、管束、管板、折流板等部件组成。热网循环水在管内流动，加热蒸汽在壳侧流动，通过管束的壁面进行热量交换。管束一般采用直管或 U 形管，管板用于固定管束并分隔管程和壳程。折流板的作用是引导蒸汽在壳侧流动，增强蒸汽的湍流程度，提高传热系数。

2.2 存在的问题

传热效率较低：在传统管壳式热网加热器中，管内流体的流速相对较低，导致管内对流传热系数不高。同时，壳侧蒸汽的流动存在死区，部分蒸汽不能充分与管束接触进行热交换，使得整体传热效率受到限制。

流动阻力大：热网循环水在管内流动时，由于管束的布置和折流板的存在，会产生较大的流动阻力。这不仅增加了循环水泵的能耗，还可能导致系统压力分布不均匀，影响热网的稳定运行。

设备体积大、占地面积广：为了满足一定的热交换需求，传统热网加热器需要较大的换热面积，从而导致设备体积较大，占地面积广。这在一些空间有限的场合，如城市中心区域的供热站，会带来建设和布局上的困难。

维护成本高：长期运行过程中，管束和管板容易受到腐蚀和结垢的影响，降低传热性能。为了保证热网加热器的正常运行，需要定期进行清洗和维护，这增加了运行成本和维护工作量。

三、新型热网加热器结构设计与原理

3.1 高效传热元件的应用

微通道换热管：微通道换热管具有较小的通道尺寸，能够显著增加流体的流速和湍流程度，从而提高对流传热系数。与传统的光滑管相比，微通道换热管的传热面积更大，单位体积的传热量更高，可有效减小热网加热器的体积。

强化传热翅片管：通过在换热管表面添加各种形式的翅片，如锯齿翅片、波纹翅片等，可以增加管外的传热面积，提高蒸汽的冷凝传热效率。翅片的特殊结构还可以促进蒸汽的湍流流动，减少边界层厚度，进一步增强传热效果。

3.2 优化流道设计

螺旋流道设计：采用螺旋流道设计，使热网循环水和加热蒸汽在热网加热器内呈螺旋状流动。这种流道设计可以增加流体的流动路径，延长流体的停留时间，提高热交换的充分性。同时，螺旋流动还可以减少流动死区，提高传热效率。

错列管束布置：将管束采用错列布置方式，相比顺列布置，错列布置可以使流体在管束间的流动更加紊乱，增加流体的湍流程度，从而提高传热系数。此外，错列管束布置还可以在一定程度上降低流动阻力。

3.3 紧凑式结构设计

板壳式结构：板壳式热网加热器采用板片作为传热元件，具有结构紧凑、传热效率高的优点。板片之间通过焊接或密封垫片连接，形成流体通道。与管壳式结构相比，板壳式结构的传热面积更大，体积更小，能够有效节省空间。

一体化集成设计：将热网加热器的各个部件进行一体化集成设计，减少连接部件和密封点，提高设备的可靠性和紧凑性。例如，将管板与壳体一体化设计，减少了管板与壳体之间的密封环节，降低了泄漏的风险。

四、新型热网加热器传热性能研究

4.1 理论分析

根据传热学原理，建立新型热网加热器的传热模型。对于管内流体的对流传热，采用努塞尔数关联式计算对流传热系数；对于管外蒸汽的冷凝传热，考虑蒸汽的物性参数和冷凝条件，建立相应的传热方程。通过对传热模型的求解，得到热网加热器的总传热系数、热交换量等参数，分析不同结构参数和运行工况对传热性能的影响。

4.2 数值模拟

利用计算流体力学（CFD）软件，对新型热网加热器内的流场和温度场进行数值模拟。通过建立三维几何模型，划分网格，设置边界条件和物性参数，模拟热网循环水和加热蒸汽在热网加热器内的流动和传热过程。数值模拟结果可以直观地显示流体的速度分布、温度分布以及传热效率等信息，为热网加热器的结构优化提供依据。

4.3 实验验证

搭建新型热网加热器的实验平台，对其传热性能进行实验研究。实验平台包括热网加热器本体、蒸汽系统、热网循环水系统、测量系统等。通过调节蒸汽流量、热网循环水流量和温度等参数，测量不同工况下热网加热器的进出口温度、压力、流量等数据，计算总传热系数和热交换量。将实验结果与理论分析和数值模拟结果进行对比，验证理论模型和数值模拟的准确性。

五、新型热网加热器在热网系统中的应用案例

5.1 工程背景

某城市集中供热项目，原热网系统采用传统管壳式热网加热器，供热面积为 200 万平方米，设计供热负荷为 100MW。随着城市发展和供热需求的增加，原热网加热器已无法满足供热要求，且能耗较高，设备老化严重。为了提高供热质量和能源利用效率，决定对热网加热器进行改造，采用新型热网加热器结构。

5.2 新型热网加热器的应用

根据项目的供热需求和现场条件，选择了板壳式热网加热器，并对其结构参数进行了优化设计。在安装过程中，对热网系统的管道和设备进行了相应的改造和调整，确保新型热网加热器能够与原系统顺利对接。

5.3 应用效果分析

传热效率显著提高：改造后，热网加热器的总传热系数比原管壳式热网加热器提高了约 40%，热交换效率大幅提升，能够在较短时间内将热网循环水加热到所需温度，保证了供热质量。

能耗降低：由于新型热网加热器的流动阻力减小，循环水泵的能耗降低了约 20%。同时，传热效率的提高使得蒸汽的消耗量减少，进一步降低了供热成本。

设备体积减小：板壳式热网加热器的结构紧凑，体积比原管壳式热网加热器减小了约 30%，节省了设备占地面积，为供热站的布局和扩建提供了更多空间。

维护成本降低：新型热网加热器采用了耐腐蚀材料和先进的制造工艺，减少了管束和板片的腐蚀和结垢问题，延长了设备的使用寿命。同时，一体化集成设计减少了密封点，降低了泄漏的风险，维护成本显著降低。

六、结论与展望

6.1 结论

1、传统热网加热器存在传热效率低、流动阻力大、设备体积大、维护成本高等问题，已难以满足当前热网系统的发展需求。

2、新型热网加热器通过应用高效传热元件、优化流道设计和采用紧凑式结构等手段，有效提高了传热效率，降低了流动阻力，减小了设备体积，降低了维护成本。

3、理论分析、数值模拟和实验研究表明，新型热网加热器的传热性能优于传统热网加热器，具有良好的应用效果。实际工程案例也验证了新型热网加热器在提高供热质量、降低能耗、节省空间等方面的显著优势。

6.2 展望

1、进一步深入研究新型热网加热器的传热机理和流动特性，优化结构参数，提高其性能和可靠性。

2、开展新型热网加热器与不同热源、热网系统的匹配性研究，实现热网系统的整体优化运行。

3、加强新型热网加热器的智能化控制研究，实现对热网加热器的实时监测和精确控制，提高热网系统的自动化水平和运行效率。

4、探索新型热网加热器在分布式能源系统、储能系统等领域的应用，拓展其应用范围，推动热网系统的多元化发展。

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