汽-水换热热水系统的设计要点
摘要
关键词
医疗废物焚烧；汽-水换热；生活热水系统
正文
1 引言
近年来，新冠肺炎疫情的肆虐，导致了医疗废物的急剧增加，而对于医疗废物的处理，也成为大家重点关注的课题之一。目前，医疗废物的处置方式主要有高温焚烧法、卫生填埋法、高压蒸汽灭菌、热解法等，其中高温焚烧法是在高温火焰的作用下焚烧设备内的医疗垃圾经过烘干、引燃、焚烧三个阶段将其转化成残渣和气体，医疗垃圾中的传染源和有害物质在焚烧过程中可以被有效破坏，在焚烧的过程中，产生的烟气余热在《建筑给水排水设计标准》中作为热源的优先选项，若加以利用，将实现行业的绿色发展。
焚烧系统的热能回收是在燃烧室后的余热锅炉系统完成，经热交换后可获得高压蒸汽，经减压后的低压蒸汽可作为热媒，用于供热水或供暖。
2 汽-水换热基本原理
汽-水换热热水供应系统有两种方式：直接加热供水和间接加热供水，其中直接加热供水系统对蒸汽的质量要求较高，热媒中不得含有任何有害物质，因此选用该方式需经济比较。本文讨论的汽-水换热系统属于蒸汽间接加热供水的方式，属于闭式系统，换热设备不与冷水接触，有利于保持热效率，产生的冷凝水可回收利用，运行费用低，最重要的原因是该项目属于医废焚烧项目，采用这种间接加热方式可保证焚烧产生的余热不会对热水产生污染，供水卫生且安全。
焚烧系统的余热经锅炉系统的热交换后产生高压蒸汽，经过减压后的蒸汽（约0.4MPa）通过热媒管网进入换热机组内，蒸汽经热量交换后冷凝成水，靠余压经疏水器后流入冷凝水箱或水池，其基本原理如图1所示。
图1 汽-水换热热水系统基本原理图
Fig.1 Steam-water heat exchange basic schematic diagram of hot water system
3 项目概况及设计计算
某医疗废物处置项目，设计规模为6600吨医疗废物/年，可产生余热蒸汽2.8t/h，压力1.3MPa，应用于生产车间再加热系统、污水处理单效蒸发系统、供暖系统及生活热水系统。项目采用了焚烧处置，高温蒸煮和低温裂解等三种工艺对医废进行处理处置，本文仅对“焚烧余热作热媒供生活热水”进行讨论。
该生活热水系统的设计界面为减压后的0.4MPa蒸汽至生活热水用水点，用热水建筑物为居室内社卫生间的宿舍服务人数为50人，热水定额取100L/人·天，小时变化系数取4.8，冷水按5℃设计，热水温度为60℃，则本项目的设计小时耗热量：
4 设备选型
目前，以间接加热的方式来获得热水的汽-水换热机组主要有导流型容积式水加热器、半容积式水加热器、半即热式水加热器，这三种水加热器的优缺点如下表所示。
表1 不同类型水加热器的优缺点对比
Tab.1 The advantages and disadvantages of different types of water heaters
水加热器类型 | 优点 | 缺点 | 适用场所 | |
导流型容积式 | 1.较大的调节容积，供水可靠，供水水温、水压稳定 2.温控阀要求±5℃ | 1.有效容积仅占80%~90%，存在温水区，不利卫生 2.设备用房占地大 | 适用于热媒供应不足，用水不均匀，且要求供水水温和水压稳定的系统 | Qg①=Qh②-Q贮③，且＞Qp④ |
半容积式 | 1.有一定的调节容积，供水水温水压较稳定 2.有效容积为100% 3.温控阀要求±4℃ | 1.设备用房占地较大 | 适用于热媒供应较充足，或要求水温水压较稳定的系统 | Qg=Qh |
半即热式 | 1. 灵敏可靠，能预测温度，保证安全供水 2. 加热迅速，传热效果好 3.设备用房占地小 | 1.无调节容积，供水水温水压不稳定 2.温控阀要求±3℃ | 适用于用水均匀，且热媒能满足设计秒流量所需的耗热量的系统 | Qg=Qs⑤ |
注：①Qg为设计小时供热量；②Qh为设计小时耗热量；③Q贮为贮热量；④Qp为平均小时耗热量；⑤Qs为设计秒流量对应的耗热量。
本项目的实际用地面积不大，应尽量避免选用占地很大的设备，即容积式加热设备；根据实际生产情况，可供生活热水系统使用的余热蒸汽仅为0.3t/h，经计算是不满足设计秒流量所需的耗热量，不可选用半即热式加热设备。经综合对比分析，本项目选用半容积式加热设备，能够较平稳供应热水，且卫生安全，
设计小时热水量：
蒸汽耗量：
由上述计算得出，本项目的余热蒸汽量是满足生活热水系统所需的蒸汽量。
根据《建筑给水排水设计标准》第6.5.3条的规定，水加热设备不宜少于2台，当一台检修时，其余各台总供热能力不得小于设计小时供热量的60%，因此本项目设置了一套半容积式水加热设备，设备集成了2个立式高效恒温半容积式水加热器（单个容积1m3）、膨胀罐（800L）、系统循环泵、关键附件、阀门及控制系统，占地较小，维护方便。同时在热回水的管道系统中设置银离子消毒装置，保证用水安全卫生。
膨胀罐的容积：
其中Vs为包括水加热设备在内的系统内热水总容积。
系统循环泵的流量：
，其中Qs取4%Qh，Δts取10℃。
5 汽-水换热热水系统的设计要点
汽-水换热热水系统的核心在于换热设备，其他的管道、阀门、控制系统等均为保证其使用安全、使用方便、检修方便而服务。针对设备的布置、管道阀门附件的设置，规范已做了相关规定，本文结合市场现有换热设备，将其归纳总结，为以后的设计提供依据和参考。
5.1 温控阀
通常用于生活热水系统的蒸汽压力为0.4MPa，温度约150℃，高温蒸汽的安全使用是重中之重。为保证蒸汽的用汽安全，规范规定：水加热设备应采用相应的温级精度要求的自动温度控制装置来控制其出水温度，汽水换热设备应在热媒管上设置能够自动切断汽源的电动阀。
通常水加热设备会设置自动温度控制阀，其中的温度探测部分即温包，设置在靠近换热管束的上部位置，这样能够准确测定设备内部的水温，从而连锁控制热媒的供应量。
5.2 疏水器
高温蒸汽经换热后会产生冷凝水，而冷凝水能否顺利排除则影响着设备的正常运行。为此，规范规定：应在每台水加热设备的冷凝水管上单独设置疏水器，以保证热媒管道的汽水分离，蒸汽畅通，不会产生汽水撞击，从而延长设备的使用寿命。
为了防止热媒阻力不同而影响疏水器的工作效果，每台水加热设备要单独设置疏水器，其口径应按其最大排水量、进出口最大压差、附加系数三个因素综合计算确定。为了及时排除凝结水，应在设备出口的最低处设置疏水器。
同时，为了防止管道的杂物堵塞疏水阀，影响系统的运行，疏水器前应设置过滤器。
5.3 膨胀罐
闭式热水供应系统中，需设置安全阀或膨胀罐。通常膨胀罐是在日用水量较大的系统中设置的，不仅可以容纳贮热设备及管道内的水升温后的膨胀量，还可防止系统超压，保证系统的安全运行。
膨胀罐通常设置在水加热设备的冷水补水管上或热水回水管上，其连接管上不得设置阀门，以防阀门误关后系统无法正常泄压，影响系统的安全运行。
5.4 消毒设施
生活热水在水加热设备、贮存、输水、配水过程中有可能滋生致病细菌，因此集中热水供应系统应采取消灭致病菌的有效措施，《建筑给水排水与节水通用规范》中已对此进行了强制性的规定。
通常汽水换热系统中，在热水回水管上设置银离子消毒装置、紫外光催化二氧化钛（AOT）消毒装置等来达到消毒灭菌的目的。
5.5 设备布置
通常情况下，因设备机房的面积受限，汽-水换热设备安装运行后较难移出机房进行检修，而设备中的加热管束在运行一段时间后可能会结垢、腐蚀、震动，造成局部损坏及加热功能衰减，因此，水加热设备一般采用就地检修的方式。
在布置汽水换热机组时，需特别注意：要留出供人检修的检查孔，要保证加热管束能够抽出检修，一般汽-水换热机组侧面离墙、柱的净距不小于0.7m，后端离墙、柱的净距不小于0.5m。
6 结论
集中生活热水供应系统的热源应积极相应国家的生态环境政策，根据实际的项目情况，尽可能利用回收的能源，也能为业主节省投资和运行费用。汽-水换热热水系统已渐渐成为固废、垃圾焚烧行业的主流系统，本文以实际项目为例，对其设计原理、设计计算进行总结归纳，以期为同类工程设计提供参考。
参考文献：
[1] GB50015-2019《建筑给水排水设计标准》 [S].
[2] GB55020-2021《建筑给水排水与节水通用规范》[S].
[3] GB55015-2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》[S].
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