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摘 要：针对目前常压热水锅炉应用中的一些問题，设计了“一炉两用”不产生水垢的锅炉房工艺系统。
关键词：水垢；负荷平衡；软化水；盘管加热水箱
改革开放以来，中国经济多元化发展，小规模的集体和私有经济如山花烂漫，遍及中华大地，常压热水锅炉由此得到广泛应用。
常压热水锅炉的额定热功率≤2.8MW，它一般不设各种锅炉辅机，具有运行安全、司炉操作简单的特点。特别适合于小范围内的冬季供暖及热水供应。但是，我们宝鸡地区的自来水硬度较高，以地表水即河水为水源的自来水硬度一般均在3～6mmol/l；以地下水即深井水为水源的自来水硬度一般均在8～10mmol/l。其硬度指标都远大于工业锅炉水质GB1576-2001的指标要求。若将自来水直接作为锅炉给水，作为供应热水的常压热水锅炉很快就会结生较厚的水垢，情况严重时，造成锅炉管子堵塞，使管子过热而烧坏。一般每两个月左右就必须停炉进行清除水垢一次，每半年就会有个别锅炉管子因烧漏而需要更换。由于常压热水锅炉结构的限制，如立式锅炉的U形锅圈、锅壳内壁和炉胆外壁等好多死角，其水垢就很难清理，在这些部位会引起垢腐蚀。每次清理水垢，总会给锅炉造成一些机械的和化学的损伤。锅炉由于结生水垢，不仅造成造成浪费燃料、增加维修工作量、影响使用，而且缩短了锅炉的使用年限，正所谓既费工又费钱。
要防止常压热水锅炉结生水垢，就必须改善锅炉给水的水质，降低给水硬度（使锅炉给水符合GB1576-2001的指标要求），即对锅炉给水进行软化处理。其经济、常用的软化处理方法是采用锅内加药处理。这种措施对专门用于供暖的锅炉房系统是可行的。但是，对于用于供洗澡热水的锅炉房系统是不行的。因为，采用锅内加药处理后的水，其水质指标的含盐量增高，碱度增高，PH（25℃）值在10～12，这种水对人体皮肤有刺激。这样一来，就形成了目前最常见的两种常压热水锅炉房工艺系统：
系统一：洗澡热水与供暖共用一台锅炉，自来水不进行软化处理，直接作为锅炉给水使用。这种系统的初次投资最低，其运行中不足也最多。自来水硬度较高时，锅炉结垢是很快的。洗澡热水的供应是没有回水的，供应热水的时间大多是定时的。在热水供应期间会对热水供暖系统引起水力失调和热力失调，要满足高峰热负荷，就会增大锅炉热功率，降低锅炉使用效率。
系统二：洗澡热水与供暖分别各使用一台锅炉，供应洗澡热水的锅炉给水不进行软化处理，直接作为锅炉给水使用。供暖的锅炉给水进行软化处理。这样一来，供暖锅炉的结垢问题得到了解决，也排除了热水供应系统对供暖系统的不利影响。但是，供应洗澡热水的锅炉仍存在结垢问题，供暖锅炉在一年中非供暖期的大部分时间处于闲置，且易受大气腐蚀。显然，该方案初次投资大，设备利用率低，对小型业主是不合算的。
上述两种系统，从不同角度来看，都存在设备利用率低、初投资不合理等缺点。然而上述这两种系统，特别是系统一是常压热水锅炉厂家在产品样本中给出的常用系统形式，因此应用较广泛。在水质硬度大的地区突出表现了结垢严重，炉龄缩短。
为了解决上述系统的不足，提出下述形式的锅炉房系统，供暖与热水供应共用一台锅炉，锅水只
作为系统循环的热媒，洗浴热水采用盘管式加热水箱供给，锅炉补给水采取加药软化处理，水箱内热水的温度控制在50～65℃，以防加热盘管外表结垢。这种系统有下列特点：
一、锅炉水循环系统为软化水，防止了水垢结生，也就减少了维修，延长了炉龄；
二、热水箱的畜热作用，使洗浴热水的加热可分配在24小时的任意时间段，减小了锅炉热负荷的谷峰比，即减小锅炉容量，也就减小了锅炉的初投资；
三、供暖、热水共用一台锅炉，提高设备利用率；另外由于锅炉为长年运行，也避免了供暖锅炉在非供暖期因长期停用产生的氧化腐蚀；
四、由于热水的预先储存，减弱了洗浴期间的自来水用水高峰，减轻了供水系统的设备负担；
五、在供暖期间可用70℃供暖回水加热水箱热水，降低了回水温度，提高了锅炉传热效率，节约燃料；
六、保持了锅水水质的稳定、供暖系统水力工况和热力工况的稳定，提高供暖质量；
七、盘管式加热的常压水箱结构简单、维护方便，适宜于现场制作和安装。即使因温度控制不当，在盘管外壁形成水垢，也易清理。更换盘管时，割开水箱管束的管板条形区，拉出更换后再焊回原处即可；
八、洗浴热水预先加热和水箱的恒压作用，保证了热水的温度和压力的恒定。水箱的沉淀作用使供水更清洁。
基于上述思路，尝试设计了常压热水锅炉“一炉两用”不结水垢的锅炉房工艺系统。下面是在1998年6月的一个小工程的设计过程，附有锅炉房系统图和盘管式加热的常压水箱示意图。以期交流，敬请批评指正。
一、项目名称：某旅馆楼供暖及洗浴热水供应系统；
二、建筑结构：砖混五层；
三、建筑面积：2376平方米；
四、供暖设计热负荷：153.9 KW；
五、热水（65℃）小时最大用水量：3150 Kg/h，自来水温度为15℃；
六、热水供应时间：20：00～21：30，即供水时间为1.5小时；
热水总用量：V = 3150 × 1.5 = 4725 Kg；
七、常压热水锅炉的选型：
供暖热负荷是主要负荷，因此根据冬季热负荷确定合理的常压热水锅炉的热功率，我们将热水用热负荷平均分配在22：00—0：00—19：00时间内进行加热，加热时间为21小时，则平均热负荷为：
N = 4725 ×（65-15）× 1.163 / 21 = 13084 W = 13.1 KW
所需总热功率：∑N = 1.1 × （供暖设计热负荷 + 热水用热负荷） = 1.1 × （153.9+13.1） = 183.7 KW
其中：1.163为换算系数1 Kcal/h = 1.163 W ；1.1为富裕系数，下同。
选定CLSS200—90/70—AIII常压热水锅炉，额定热功率为200KW。
八、热水循环泵的选定：
常压热水锅炉额定循环量：G = 1.1×200 / [（90-70）×1.163] = 9.5 m3/h
选定热水循环泵的额定流量为G = 10 m3/h
九、热水箱加热盘管的设计计算：锅炉在非采暖期就专用于加热洗浴热水，为使锅炉运行时间不致太长，加热盘管的换热面积应适当大些，因此不按冬季的21小时加热时间确定换热面积，我们按4小时加热时间来计算。
1、加热盘管的传热功率为：N = 4725 ×（65-15）× 1.163 / 4 = 68689 W
2、由《工业锅炉房设计手册》321页，查得水箱中的蛇形管传热系数的概略值为：
K = 250 Kcal / （m2.h. ℃） = 291 W/（m2.K）
3、加热热水的进出水温差 Δt = N /（1.163 G）= 68.7/（1.163×10） = 5.9 ℃
4、夏季锅炉出水为90℃时，则回水为84.1℃，那么传热算数平均温差为：
Δt夏 = （90+84.1）/2 – （65+15）/2 = 47 ℃
所需盘管的换热面积：F = N/（K·Δt夏）= 68689/（291×47）= 5.02 m2
5、针对冬季工况的校核计算：冬季利用采暖回水作为加热热媒，采暖供回水温差为
Δt = N / 1.163 G = 153.9/（1.163×10） = 13.2 ℃
采暖供水为90℃时，则回水为90-13.2=76.8℃，即进入盘管热水温度为76.8℃，则盘管出口热水温度为76.8-5.9=70.9℃，那么传热算数平均温差为：
Δt冬 = （76.8+70.9）/2 – （65+15）/2 = 33.8 ℃
所需盘管的换热面积：F=13084/（291×33.8）= 1.33 m2
6、选用φ38×3无缝钢管制作加热盘管，其每平方米换热面积需要8.38米，以较大的夏季所需面积计算，所需总长度为：L = 5.02 × 8.38 = 42.1 m
7、拟定加热盘管单程长度3米，所需根数n = 42.1 / 3 = 14 根，实际设计为16根，四个回程，每回程并联四根φ38×3无缝钢管（Q235）。热水箱所需理论容积为4.725m3，设计为钢制圆柱体卧式水箱φ1610×5——3200，总容积6.43 m3有效容积5 m3。盘管加热式热水箱见示意图。
8、传热系数的校核计算：由《工业锅炉房设计手册》321页公式（6—63）
W/（m2.K）
其中：
dn——管子内直径 0.032 m
dw——管子外直径 0.038 m
δ——管子的壁厚 0.003 m
λ——碳钢管Q235的导热系数，取为50 W/（m.K）
α1——加热介质至管内壁的换热系数5494 W/（m2.K）
[α1的计算： 加热介质在盘管（每回程并联四根φ38×3无缝钢管）内的流速：
U = 循环流量/流通截面积 = 10/3600/（4×3.14×0.0162） = 0.86 m/s
加热介质的平均温度tp=（90+84.1+76.8+70.9）/ 4 = 80.5 ℃
查《工业锅炉房设计手册》323页图6—38水的雷诺数线算图，得Re=6.8×104>104即属于紊流状态，由《工业锅炉房设计手册》322页公式（6—66）
α1 = 1.163×（1400+18tp-0.035 tp2）×U0.8/dn0.2
α1 = 1.163×（1400+18×85-0.035× 852）×0.860.8/0.0320.2 = 5494 W/（m2.K） ]
α2——管外壁至被加热介质的换热系数389 W/（m2.K）
[α2的计算：被加热水的流动为受热后自然对流，流态在整个加热过程中不恒定。
平均对流速度粗测为U = 0.08 m/s ，平均温度tp=（65+15）/2 = 40 ℃
查《工业锅炉房设计手册》323页图6—38水的雷诺数線算图，得Re=0.48×104<104即属于层流状态，由《工业锅炉房设计手册》322页公式（6—65）
α2 = 1.163×（300+68.5×U×tp0.5）
α2 = 1.163×（300+68.5×0.08×400.5）= 389 W/（m2.K） ]
= 386 W/（m2.K）
经校核计算K = 386 W/（m2.K） 大于初设值291 W/（m2.K），即传热效果是可靠的。
十、该系统投入使用后，取得了预期效果。
参考文献：
【1】白扩社；也谈常压热水锅炉及其供热系统[J]；安装；1995年04期
【2】岳忠；常压热水锅炉及其供暖系统的现状与发展展望[J]；工业锅炉；2000年01期
关键词：水垢；负荷平衡；软化水；盘管加热水箱
改革开放以来，中国经济多元化发展，小规模的集体和私有经济如山花烂漫，遍及中华大地，常压热水锅炉由此得到广泛应用。
常压热水锅炉的额定热功率≤2.8MW，它一般不设各种锅炉辅机，具有运行安全、司炉操作简单的特点。特别适合于小范围内的冬季供暖及热水供应。但是，我们宝鸡地区的自来水硬度较高，以地表水即河水为水源的自来水硬度一般均在3～6mmol/l；以地下水即深井水为水源的自来水硬度一般均在8～10mmol/l。其硬度指标都远大于工业锅炉水质GB1576-2001的指标要求。若将自来水直接作为锅炉给水，作为供应热水的常压热水锅炉很快就会结生较厚的水垢，情况严重时，造成锅炉管子堵塞，使管子过热而烧坏。一般每两个月左右就必须停炉进行清除水垢一次，每半年就会有个别锅炉管子因烧漏而需要更换。由于常压热水锅炉结构的限制，如立式锅炉的U形锅圈、锅壳内壁和炉胆外壁等好多死角，其水垢就很难清理，在这些部位会引起垢腐蚀。每次清理水垢，总会给锅炉造成一些机械的和化学的损伤。锅炉由于结生水垢，不仅造成造成浪费燃料、增加维修工作量、影响使用，而且缩短了锅炉的使用年限，正所谓既费工又费钱。
要防止常压热水锅炉结生水垢，就必须改善锅炉给水的水质，降低给水硬度（使锅炉给水符合GB1576-2001的指标要求），即对锅炉给水进行软化处理。其经济、常用的软化处理方法是采用锅内加药处理。这种措施对专门用于供暖的锅炉房系统是可行的。但是，对于用于供洗澡热水的锅炉房系统是不行的。因为，采用锅内加药处理后的水，其水质指标的含盐量增高，碱度增高，PH（25℃）值在10～12，这种水对人体皮肤有刺激。这样一来，就形成了目前最常见的两种常压热水锅炉房工艺系统：
系统一：洗澡热水与供暖共用一台锅炉，自来水不进行软化处理，直接作为锅炉给水使用。这种系统的初次投资最低，其运行中不足也最多。自来水硬度较高时，锅炉结垢是很快的。洗澡热水的供应是没有回水的，供应热水的时间大多是定时的。在热水供应期间会对热水供暖系统引起水力失调和热力失调，要满足高峰热负荷，就会增大锅炉热功率，降低锅炉使用效率。
系统二：洗澡热水与供暖分别各使用一台锅炉，供应洗澡热水的锅炉给水不进行软化处理，直接作为锅炉给水使用。供暖的锅炉给水进行软化处理。这样一来，供暖锅炉的结垢问题得到了解决，也排除了热水供应系统对供暖系统的不利影响。但是，供应洗澡热水的锅炉仍存在结垢问题，供暖锅炉在一年中非供暖期的大部分时间处于闲置，且易受大气腐蚀。显然，该方案初次投资大，设备利用率低，对小型业主是不合算的。
上述两种系统，从不同角度来看，都存在设备利用率低、初投资不合理等缺点。然而上述这两种系统，特别是系统一是常压热水锅炉厂家在产品样本中给出的常用系统形式，因此应用较广泛。在水质硬度大的地区突出表现了结垢严重，炉龄缩短。
为了解决上述系统的不足，提出下述形式的锅炉房系统，供暖与热水供应共用一台锅炉，锅水只
作为系统循环的热媒，洗浴热水采用盘管式加热水箱供给，锅炉补给水采取加药软化处理，水箱内热水的温度控制在50～65℃，以防加热盘管外表结垢。这种系统有下列特点：
一、锅炉水循环系统为软化水，防止了水垢结生，也就减少了维修，延长了炉龄；
二、热水箱的畜热作用，使洗浴热水的加热可分配在24小时的任意时间段，减小了锅炉热负荷的谷峰比，即减小锅炉容量，也就减小了锅炉的初投资；
三、供暖、热水共用一台锅炉，提高设备利用率；另外由于锅炉为长年运行，也避免了供暖锅炉在非供暖期因长期停用产生的氧化腐蚀；
四、由于热水的预先储存，减弱了洗浴期间的自来水用水高峰，减轻了供水系统的设备负担；
五、在供暖期间可用70℃供暖回水加热水箱热水，降低了回水温度，提高了锅炉传热效率，节约燃料；
六、保持了锅水水质的稳定、供暖系统水力工况和热力工况的稳定，提高供暖质量；
七、盘管式加热的常压水箱结构简单、维护方便，适宜于现场制作和安装。即使因温度控制不当，在盘管外壁形成水垢，也易清理。更换盘管时，割开水箱管束的管板条形区，拉出更换后再焊回原处即可；
八、洗浴热水预先加热和水箱的恒压作用，保证了热水的温度和压力的恒定。水箱的沉淀作用使供水更清洁。
基于上述思路，尝试设计了常压热水锅炉“一炉两用”不结水垢的锅炉房工艺系统。下面是在1998年6月的一个小工程的设计过程，附有锅炉房系统图和盘管式加热的常压水箱示意图。以期交流，敬请批评指正。
一、项目名称：某旅馆楼供暖及洗浴热水供应系统；
二、建筑结构：砖混五层；
三、建筑面积：2376平方米；
四、供暖设计热负荷：153.9 KW；
五、热水（65℃）小时最大用水量：3150 Kg/h，自来水温度为15℃；
六、热水供应时间：20：00～21：30，即供水时间为1.5小时；
热水总用量：V = 3150 × 1.5 = 4725 Kg；
七、常压热水锅炉的选型：
供暖热负荷是主要负荷，因此根据冬季热负荷确定合理的常压热水锅炉的热功率，我们将热水用热负荷平均分配在22：00—0：00—19：00时间内进行加热，加热时间为21小时，则平均热负荷为：
N = 4725 ×（65-15）× 1.163 / 21 = 13084 W = 13.1 KW
所需总热功率：∑N = 1.1 × （供暖设计热负荷 + 热水用热负荷） = 1.1 × （153.9+13.1） = 183.7 KW
其中：1.163为换算系数1 Kcal/h = 1.163 W ；1.1为富裕系数，下同。
选定CLSS200—90/70—AIII常压热水锅炉，额定热功率为200KW。
八、热水循环泵的选定：
常压热水锅炉额定循环量：G = 1.1×200 / [（90-70）×1.163] = 9.5 m3/h
选定热水循环泵的额定流量为G = 10 m3/h
九、热水箱加热盘管的设计计算：锅炉在非采暖期就专用于加热洗浴热水，为使锅炉运行时间不致太长，加热盘管的换热面积应适当大些，因此不按冬季的21小时加热时间确定换热面积，我们按4小时加热时间来计算。
1、加热盘管的传热功率为：N = 4725 ×（65-15）× 1.163 / 4 = 68689 W
2、由《工业锅炉房设计手册》321页，查得水箱中的蛇形管传热系数的概略值为：
K = 250 Kcal / （m2.h. ℃） = 291 W/（m2.K）
3、加热热水的进出水温差 Δt = N /（1.163 G）= 68.7/（1.163×10） = 5.9 ℃
4、夏季锅炉出水为90℃时，则回水为84.1℃，那么传热算数平均温差为：
Δt夏 = （90+84.1）/2 – （65+15）/2 = 47 ℃
所需盘管的换热面积：F = N/（K·Δt夏）= 68689/（291×47）= 5.02 m2
5、针对冬季工况的校核计算：冬季利用采暖回水作为加热热媒，采暖供回水温差为
Δt = N / 1.163 G = 153.9/（1.163×10） = 13.2 ℃
采暖供水为90℃时，则回水为90-13.2=76.8℃，即进入盘管热水温度为76.8℃，则盘管出口热水温度为76.8-5.9=70.9℃，那么传热算数平均温差为：
Δt冬 = （76.8+70.9）/2 – （65+15）/2 = 33.8 ℃
所需盘管的换热面积：F=13084/（291×33.8）= 1.33 m2
6、选用φ38×3无缝钢管制作加热盘管，其每平方米换热面积需要8.38米，以较大的夏季所需面积计算，所需总长度为：L = 5.02 × 8.38 = 42.1 m
7、拟定加热盘管单程长度3米，所需根数n = 42.1 / 3 = 14 根，实际设计为16根，四个回程，每回程并联四根φ38×3无缝钢管（Q235）。热水箱所需理论容积为4.725m3，设计为钢制圆柱体卧式水箱φ1610×5——3200，总容积6.43 m3有效容积5 m3。盘管加热式热水箱见示意图。
8、传热系数的校核计算：由《工业锅炉房设计手册》321页公式（6—63）
W/（m2.K）
其中：
dn——管子内直径 0.032 m
dw——管子外直径 0.038 m
δ——管子的壁厚 0.003 m
λ——碳钢管Q235的导热系数，取为50 W/（m.K）
α1——加热介质至管内壁的换热系数5494 W/（m2.K）
[α1的计算： 加热介质在盘管（每回程并联四根φ38×3无缝钢管）内的流速：
U = 循环流量/流通截面积 = 10/3600/（4×3.14×0.0162） = 0.86 m/s
加热介质的平均温度tp=（90+84.1+76.8+70.9）/ 4 = 80.5 ℃
查《工业锅炉房设计手册》323页图6—38水的雷诺数线算图，得Re=6.8×104>104即属于紊流状态，由《工业锅炉房设计手册》322页公式（6—66）
α1 = 1.163×（1400+18tp-0.035 tp2）×U0.8/dn0.2
α1 = 1.163×（1400+18×85-0.035× 852）×0.860.8/0.0320.2 = 5494 W/（m2.K） ]
α2——管外壁至被加热介质的换热系数389 W/（m2.K）
[α2的计算：被加热水的流动为受热后自然对流，流态在整个加热过程中不恒定。
平均对流速度粗测为U = 0.08 m/s ，平均温度tp=（65+15）/2 = 40 ℃
查《工业锅炉房设计手册》323页图6—38水的雷诺数線算图，得Re=0.48×104<104即属于层流状态，由《工业锅炉房设计手册》322页公式（6—65）
α2 = 1.163×（300+68.5×U×tp0.5）
α2 = 1.163×（300+68.5×0.08×400.5）= 389 W/（m2.K） ]
= 386 W/（m2.K）
经校核计算K = 386 W/（m2.K） 大于初设值291 W/（m2.K），即传热效果是可靠的。
十、该系统投入使用后，取得了预期效果。
参考文献：
【1】白扩社；也谈常压热水锅炉及其供热系统[J]；安装；1995年04期
【2】岳忠；常压热水锅炉及其供暖系统的现状与发展展望[J]；工业锅炉；2000年01期