CN101067539A

CN101067539A - 污水及地表水热泵明渠式换热槽换热方法及其装置

Info

Publication number: CN101067539A
Application number: CN 200710072326
Authority: CN
Inventors: 吴荣华; 孙德兴
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: HIT (Harbin Institute of Technology) Kint Technology Co., Ltd.
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: CN100455970C

Abstract

污水及地表水热泵明渠式换热槽换热方法及其装置，涉及一种热泵明渠式换热槽换热方法及其装置。本发明的目的是为解决现有系统工艺相对复杂，大量的污垢使得换热效率衰减太快，清洗维护周期短，操作工作量太大的问题。本发明的方法将污水或地表水送入截面积至少为300mm×40mm的流道内，该流道的倾斜坡度或水力坡度为0.5％～6％，污水或地表水在流道内成非满管的明渠式流动。本发明的装置多个换热管(3)并联连接在流道底面(4)上并与流道底面(4)保持有间隙。本发明的方法污水按非满管明渠流动，由于是开放式的，不仅不会出现堵塞问题，而且对换热面的清洗维护更容易，而且流道数少，清洗工作量小，甚至可在线清洗。本发明的装置具有结构简单，易于维护的优点。

Description

污水及地表水热泵明渠式换热槽换热方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种热泵明渠式换热槽换热方法及其装置。

背景技术

城市污水与地表水(江河湖海水)是良好的低位、可再生、清洁的能源，开发利用城市污水与地表水可作为热泵冷热源为建筑物供热或空调，即污水或地表水热泵供热与空调，具有重要的节能与环保价值。例如，将10℃左右的污水降低5℃，提取5℃的温差热能，该热能是低位的，再利用热泵循环原理进行高位转化，使之达到50℃左右或更高，然后为建筑物供热，以达到建筑节能的目的，利用城市污水与地表水作为热泵冷热源没有煤的燃烧过程，具有环保作用。较传统的供热系统节能幅度达45％，污染物的排放量也成比例减少。

该能源的利用(或污水热泵系统)由热能的提取与转化两个过程组成，其中的提取过程是指污水或地表水通过换热设备进行换热，是系统的技术关键，也是当前应用的主要技术障碍。由于污水和地表水中含有一定数量的悬浮物和大量的杂质，利用它的循环又是开式的，换热设备中的悬浮物与杂质呈迅速的累积过程，堵塞与软垢污染问题极其严重。若没有有效的解决或应对措施时，系统不可能正常运行。

既有的技术方案一种是浸泡式装置，将换热器直接放在污水池或江河之中，例如专利号为ZL01218852.2、授权公告日为2002年3月6日、名称为“污水水源空调装置”的实用新型专利，该类装置效率低，维护困难。

既有的技术方案另一种是先对污水或地表水做过滤处理，开发过滤技术与设备，再利用一般的换热方式进行换热，例如专利号为ZL03132553.X、授权公告日为2005年1月26日、名称为“城市污水冷热源的应用方法和装置”的发明专利；中国专利申请号为200410155197.2、公开号为CN1587872A、公开日为2005年3月2日、名称为“城市污水集中供热(冷)装置”的发明专利申请，这样虽然解决了堵塞问题，但也使得系统工艺相对复杂，而关键问题是一般的换热方式通常只适应于清水，污水或地表水换热时，大量的污垢使得换热效率衰减太快，清洗维护周期短，操作工作量太大。

中国专利申请号为200510009925.3、公开号为CN1687677A、公开日为2005年10月26日、名称为“城市原生污水冷热源直流输送换热应用方法”的发明专利申请，在水源距离长(污水或地表水与建筑物的距离)时有一定的优势，但距离较近时，投资较高，另外，水管内的维护工作较难。

发明内容

本发明的目的是为解决现有系统工艺相对复杂，换热效率低，大量的污垢使得换热效率衰减太快，清洗维护周期短，操作工作量太大，输送换热法在水源距离较近时，投资较高，水管内的维护工作较难的问题，提供一种污水及地表水热泵明渠式换热槽换热方法及其装置。本发明污水及地表水热泵明渠式换热槽换热方法的步骤如下：1、将污水或地表水送入截面积至少为300mm×40mm的流道内，该流道的倾斜坡度或水力坡度为0.5％～6％，污水或地表水在流道内成非满管的明渠式流动；2、污水或地表水流经的所述流道为长直流道或折线流道；3、在所述流道的底面或两侧布置管束或板面，换热介质(清水或制冷剂)在管束或板面腔体内流动形成换热槽；4、流道壁面上的管束或板面通过介质连通部件连接(串联或并联)，换热介质与污水或地表水通过流道壁面的管束或板面进行换热；5、换热介质再进入热泵机组的蒸发器或冷凝器，或者热泵机组的制冷剂直接进入流道壁面的管束或板面，制冷剂与污水或地表水换热。本发明的方法具有如下的优点：(1)流道的截面积足够大，即使有悬浮物，也不会造成流通断面的完全堵塞，水流可保持流量稳定地流动；(2)由于流通断面很大，若按满管流动，势必造成很低的流速，换热效率会很低，而按非满管明渠式流动，则可保持较高的流速，另外，雷诺数很大，换热效率较高；(3)污水按单流道流动，所有流道相互串联，较大的流量经过一个流道，大量的悬浮物或杂质可由水流带动并随水流流动，当流速较大时还有冲刷作用，减轻壁面污垢；(4)污水按非满管明渠流动，由于是开放式的，不仅不会出现堵塞问题，而且对换热面的清洗维护更容易，而且流道数少，清洗工作量小，甚至可在线清洗；(5)不需要采取防堵技术与设备，工艺简化，投资降低。而且采取明渠流动的形式，流动阻力很小，能耗低；(6)该方法较中国专利申请号为200510009925.3、公开号为CN1687677A、公开日为2005年10月26日、名称为“城市原生污水冷热源直流输送换热应用方法”的发明专利申请开发的输送换热法的优点是同等的流动长度，换热面积要高出几倍，甚至几十倍，另外，本发明的方法为非满管流，较输送换热法这一满管流的流动阻力小很多，相比之下几乎为零，能耗低，投资低。本发明污水及地表水热泵明渠式换热槽换热装置由污水或地表水进口1、污水或地表水出口2、多个换热管3、流道底面4、介质连管5、壳体6、左封头7、右封头8、多个垫块9和多个挡水板10组成，污水或地表水进口1连接在壳体6的上部，污水或地表水出口2连接在壳体6的底部，多个换热管3并联连接在流道底面4上并与流道底面4保持有间隙，多个换热管3的两端分别与两个介质连管5连通，换热管3与流道底面4共同设置有0.5％～6％的倾斜坡度；流道底面4的两侧与壳体6的内壁相连接，流道底面4的端头与介质连管5连接；多个垫块9固定在每个流道底面4的上端介质连管5的侧面，多个挡水板10固定在垫块9的上侧，左封头7和右封头8分别与壳体6固定连接，换热管3与流道底面4形成换热槽11。本发明的装置具有结构简单，易于维护的优点。

附图说明

图1是本发明污水及地表水热泵明渠式换热槽换热方法的原理示意图，图2是具体实施方式二的原理图，图3和图4是具体实施方式三的原理图，图5是具体实施方式四的原理图，图6是污水及地表水热泵明渠式换热槽换热装置的整体结构主视图，图7是图6的A-A剖视图，图8是图6的B-B剖视图，图9是图6的C-C剖视图。图中的附图标记1是污水或地表水进口，2是污水或地表水出口，3是换热管，4是流道底面，5是介质连管，6是壳体，7是左封头，8是右封头，9是垫块，10是挡水板，11是换热槽，13是流道壁面，14是污水单流道，15是热泵，16是压缩机，17是冷凝器或蒸发器，18是膨胀阀或截流装置，19是建筑物或机房，20是连通部件，22是换热介质的流出方向，23是换热介质的进入方向。

具体实施方式

具体实施方式一：(参见图1)本实施方式的污水及地表水热泵明渠式换热槽换热方法的步骤如下：1、将污水或地表水送入截面积≥300mm×40mm的流道内，该流道的倾斜坡度或水力坡度为0.5％～6％，污水或地表水在流道内成非满管的明渠式流动；2、污水或地表水流经的所述流道为长直流道或折线流道；3、在所述流道的底面或两侧布置管束或板面，换热介质(清水或制冷剂等)在管束或板面腔体内流动形成换热槽；4、流道壁面上的管束或板面通过介质连通部件连接(串联或并联)，换热介质与污水或地表水通过流道壁面的管束或板面进行换热；5、换热介质再进入热泵机组的蒸发器或冷凝器，或者热泵机组的制冷剂直接进入流道壁面的管束或板面，制冷剂与污水或地表水换热。

具体实施方式二：(参见图2)本实施方式是一种污水或地表水明渠式长直流道或换热槽流动换热方式，在水源与建筑物(或机房)之间的某一段内的地下或地上，或者在机房和其它选定的地方有足够的空间时设置污水的长直流道或少数几个串联流道，在流道的底面或两侧布置换热管束或板面，形成长直换热槽。污水或地表水由水泵抽送进入单个流道或少数几个串联流道内明渠流动，换热介质在管束或板面腔体内流动。

具体实施方式三：(参见图3、图4)本实施方式是一种污水或地表水明渠式多个流道或多个换热槽串联组合的流动换热方式，此时单个流道或换热槽的长度较小，多个进行串联组合形成折线流道。污水自上而下，从第一个流道或换热槽逐一流向最后一个流道或换热槽，所有流道或换热槽中的流动为明渠流。污水或地表水通过流道中的管束或板面与换热介质换热。每一个流道或换热槽内的管束或板面腔体可以实施串联连接或者实施串、并混合连接，以控制换热介质的流速与流动阻力。

具体实施方式四：(参见图5)本实施方式是热泵机组的制冷剂直接进入串联组合的多个流道或换热槽。制冷剂按一定的串、并联方式进入污水或地表水换热槽中的换热管束或板面，通过换热面与污水或地表水进行换热，提取热能，由液态变为气态后，从换热槽出来进入压缩机压缩，再进入冷凝器冷凝放热，从冷凝器出来后经节流膨胀，然后再次进入污水或地表水的换热槽。作为冷凝器，使制冷剂的流向相反，并且制冷剂向污水中放热。污水则自上而下流动。

具体实施方式五：(参见图6～图9)本实施方式的污水及地表水热泵明渠式换热槽换热装置由污水或地表水进口1、污水或地表水出口2、多个换热管3、流道底面4、介质连管5、壳体6、左封头7、右封头8、多个垫块9和多个挡水板10组成，污水或地表水进口1连接在壳体6的上部，污水或地表水出口2连接在壳体6的底部，多个换热管3并联连接在流道底面4上并与流道底面4保持有间隙，多个换热管3的两端分别与两个介质连管5连通，换热管3与流道底面4共同设置有0.5％～6％的倾斜坡度；流道底面4的两侧与壳体6的内壁相连接，流道底面4的端头与介质连管5连接；多个垫块9固定在每个流道底面4的上端介质连管5的侧面，多个挡水板10固定在垫块9的上侧，左封头7和右封头8分别与壳体6固定连接，换热管3与流道底面4形成换热槽11。本实施方式的工作过程为：污水或地表水从污水或地表水进口进入，然后自上而下，从第一个流道或换热槽逐一流向最后一个流道或换热槽，所有流道或换热槽中的流动为明渠流动，水流覆盖换热管，然后从污水或地表水出口流出。换热介质则从介质连管进入，通过换热管与污水或地表水进行换热，然后从另一侧的介质连管流出。

具体实施方式六：(参见图1、图2)本实施方式换热管3与流道底面4的共同倾斜坡度为1％。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：(参见图1、图2)本实施方式换热管3与流道底面4的共同倾斜坡度为2％。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式八：(参见图1、图2)本实施方式换热管3与流道底面4的共同倾斜坡度为3％。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式九：(参见图1、图2)本实施方式换热管3与流道底面4的共同倾斜坡度为4％。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式十：(参见图1、图2)本实施方式换热管3与流道底面4的共同倾斜坡度为5％。其它与具体实施方式五相同。

Claims

1、一种污水及地表水热泵明渠式换热槽换热方法，其特征在于污水及地表水热泵明渠式换热槽换热方法的步骤如下：(1)将污水或地表水送入截面积至少为300mm×40mm的流道内，该流道的倾斜坡度或水力坡度为0.5％～6％，污水或地表水在流道内成非满管的明渠式流动；(2)污水或地表水流经的所述流道为长直流道或折线流道；(3)在所述流道的底面或两侧布置管束或板面，换热介质在管束或板面腔体内流动形成换热槽；(4)流道壁面上的管束或板面通过介质连通部件连接，换热介质与污水或地表水通过流道壁面的管束或板面进行换热；(5)换热介质再进入热泵机组的蒸发器或冷凝器，或者热泵机组的制冷剂直接进入流道壁面的管束或板面，制冷剂与污水或地表水换热。

2、根据权利要求1所述的污水及地表水热泵明渠式换热槽换热方法，其特征在于在水源与建筑物之间的某一段内的地下或地上，或者在机房和其它选定的地方设置污水的长直流道或串联流道，在流道的底面或两侧布置换热管束或板面，形成长直换热槽，污水或地表水由水泵抽送进入单个流道或串联流道内明渠流动，换热介质在管束或板面腔体内流动。

3、根据权利要求1所述的污水及地表水热泵明渠式换热槽换热方法，其特征在于单个流道或换热槽进行串联组合形成折线流道，污水或地表水自上而下，从第一个流道或换热槽逐一流向最后一个流道或换热槽。

4、根据权利要求1所述的污水及地表水热泵明渠式换热槽换热方法，其特征在于热泵机组的制冷剂直接进入串联组合的流道或换热槽，制冷剂按串、并联组合的流道或换热槽进入污水或地表水换热槽中的换热管束或板面，通过换热面与污水或地表水进行换热，提取热能，由液态变为气态后，从换热槽出来进入压缩机压缩，再进入冷凝器冷凝放热，从冷凝器出来后经节流膨胀，然后再次进入污水或地表水的换热槽，作为冷凝器，使制冷剂的流向相反，并且制冷剂向污水或地表水中放热，污水或地表水则自上而下流动。

5、一种权利要求1污水及地表水热泵明渠式换热槽换热方法所用的装置，该装置由污水或地表水进口(1)、污水或地表水出口(2)、多个换热管(3)、流道底面(4)、介质连管(5)、壳体(6)、左封头(7)、右封头(8)、多个垫块(9)和多个挡水板(10)组成，污水或地表水进口(1)连接在壳体(6)的上部，污水或地表水出口(2)连接在壳体(6)的底部，其特征在于多个换热管(3)并联连接在流道底面(4)上并与流道底面(4)保持有间隙，多个换热管(3)的两端分别与两个介质连管(5)连通，换热管(3)与流道底面(4)共同设置有0.5％～6％的倾斜坡度；流道底面(4)的两侧与壳体(6)的内壁相连接，流道底面(4)的端头与介质连管(5)连接；多个垫块(9)固定在每个流道底面(4)的上端介质连管(5)的侧面，多个挡水板(10)固定在垫块(9)的上侧，左封头(7)和右封头(8)分别与壳体(6)固定连接，换热管(3)与流道底面(4)形成换热槽(11)。

6、根据权利要求5所述的污水及地表水热泵明渠式换热槽换热装置，其特征在于换热管(3)与流道底面(4)的共同倾斜坡度为1％。

7、根据权利要求5所述的污水及地表水热泵明渠式换热槽换热装置，其特征在于换热管(3)与流道底面(4)的共同倾斜坡度为2％。

8、根据权利要求5所述的污水及地表水热泵明渠式换热槽换热装置，其特征在于换热管(3)与流道底面(4)的共同倾斜坡度为3％。

9、根据权利要求5所述的污水及地表水热泵明渠式换热槽换热装置，其特征在于换热管(3)与流道底面(4)的共同倾斜坡度为4％。

10、根据权利要求5所述的污水及地表水热泵明渠式换热槽换热装置，其特征在于换热管(3)与流道底面(4)的共同倾斜坡度为5％。