CN101915511B - 污水或地表水源热泵大管径换热装置及其系统 - Google Patents

Abstract

污水或地表水源热泵大管径换热装置及其系统，涉及一种利用热泵技术提取污水或地表水中的热量或冷量的换热装置及其系统，属于能源技术领域。本发明的目的是解决悬浮物的堵塞和现有技术为实现防堵塞而导致的工艺流程复杂与占地大等关键问题。本发明的装置由两个单体换热装置串联组成，每个单体换热装置由大管径管、管板、壳体、内外隔板、污水或地表水进出口、清水进出口、封板等组成，系统由该换热装置、热泵机组、水泵和连接管路等组成，污水或地表水在大管径管内顺畅地流动，清水在管外与污水呈逆流换热，热泵机组再从清水中提取热量。本发明适用于污水或地表水源热泵间接式系统，前端不需设置过滤网或防阻装置，实现无堵塞连续换热、取热，具备足够的腐蚀余量，占地小，换热效率高。

Description

污水或地表水源热泵大管径换热装置及其系统

技术领域

本发明涉及一种利用热泵技术提取污水或地表水中的热量或冷量的换热装置及其系统，属于能源技术领域。 

背景技术

利用热泵技术提取污水或地表水中的低位热能为建筑物采暖空调，即污水或地表水源热泵供热空调系统，具有巨大的节能潜力，其节能幅度可达45％以上。按我国现有污水排放量测算，开发利用污水低位热能(按温降4-5℃)，可为20％的城市建筑物供热空调，其开发应用前景非常广阔，是建筑节能减排的有效途径之一。 

污水源或地表水源都是水源的一种，相比地下水其主要特点是悬浮物和其它杂质含量大，悬浮物易堵塞换热设备或热泵机组，其它杂质易在换热壁面形成污垢。 

一般的过滤或污水处理方面的技术，例如机械格栅、沉淀等，被利用在污水源热泵系统中的主要问题是初投资过大、运行成本过高，另外用户也没有足够的空间安装这些设施。因此，污水源热泵的技术关键是防堵、防垢。 

现有技术都采用特殊的过滤措施防堵，再对换热设备或热泵机组定期清污除垢。按系统形式分为直接式系统和间接式系统，直接式系统是指污水经过滤措施后直接进入热泵机组，间接式系统采用中间换热方式，先将热量传递给清水，清水再进入热泵机组，这两种形式都需要定期清污除垢。 

由于污垢不可避免地要在换热壁面上形成，采用直接式系统后，定期对热泵机组除垢，易损伤机组，造成蒸发器或冷凝器换热管泄漏，风险太大。因此，多采用中间换热的方式，目前的工程应用也主要是间接式系统。 

在采用间接式系统时，当前主要有两类技术： 

一类是采用特殊的过滤措施防堵，再利用现有的换热设备中间换热，例如笔者作为发明人开发的专利号ZL200410043654.9、公开号CN1594112A和专利号ZL200610010437.9、公开号CN1920447A的专利技术。 

二类是直接采用无堵塞的换热设备中间换热，例如笔者作为发明人开发的专利号ZL200710144522.9、公开号CN101149233A和专利号ZL200720117309.4、公开号CN201096463Y的专利设备。 

第一类技术的缺点是增加了过滤设备，系统工艺流程相对复杂，故障点和维护点相对增加。第二类技术的缺点是换热设备内的过流断面较大，换热设备的体积和占地相对增加。但笔者认为，第二类技术相对具有优势。 

发明内容

本发明的目的是提供一种污水或地表水源热泵大管径换热装置及其系统，它可以有效地解决悬浮物的堵塞和现有技术为实现防堵塞而导致的工艺流程复杂与占地大等关键问题。 

本发明的装置它由两个单体换热装置串联组成，每个单体换热装置由大管径管、大管径管组成的排管、管板、第一壳体、第二壳体、内隔板、第一外隔板、第二外隔板、污水或地表水进口、污水或地表水出口、清水进口、清水出口和封板组成，大管径管的管径在50～150mm之间，管与管之间留有一定的间隙，水平方向并列形成一层排管，并且逐根固定在管板上；第一壳体和第二壳体分别与管板连接；内隔板设置在排管与其它排管的中间位置，每层排管或每两层排管或每三层排管设置一个内隔板，内隔板两侧与第一壳体连接，一端与管板连接，另一端与另一管板留有一定的过水距离，内隔板沿垂直方向与管板的连接方式交替设置，即上一内隔板的一端与左面的所述管板连接，则下一内隔板的一端与右面的所述管板连接，内隔板将每层排管或每两层排管或每三层排管的管外空间形成相互串联；第一外隔板和第二外隔板的一端分别与管板连接，两侧分别与第二壳体连接，第一外隔板和第二外隔板在 垂直方向交替设置，将每层排管或每两层排管或每三层排管的管内空间形成相互串联；封板通过法兰或丝扣封闭第二壳体两端；污水或地表水进口和污水或地表水出口分别连接在第二壳体上；清水进口、清水出口分别连接在第一壳体上；两个单体换热装置的污水或地表水出口相连通，清水进口相连通；所述装置的管程和壳程数为30～40，内隔板、第一外隔板、和第二外隔板起到拉筋作用，而且距离很近，所述装置可承压到0.3MPa以上。 

本发明装置的运行原理为：含悬浮物和其它杂质的污水或地表水从污水或地表水进口进入，经第一外隔板和第二外隔板的阻隔作用，从大管径管的管内空间依次流过，流往污水或地表水出口，并从污水或地表水出口流出；清水则从清水进口进入，经内隔板的阻隔作用，从大管径管的管外空间依次流过，再从清水出口流出；污水或地表水与清水成逆流换热。 

本发明的系统它由所述的大管径换热装置、热泵机组、污水或地表水泵、污水或地表水供水管、污水或地表水排水管、清水泵、清水供水管线、清水回水管线和低位水箱组成，污水或地表水泵连接在污水或地表水供水管上；污水或地表水供水管与所述大管径换热装置的污水或地表水进口连接；污水或地表水排水管与所述大管径换热装置的污水或地表水出口连接；清水泵连接在清水供水管线上；清水供水管线分别与所述大管径换热装置的清水出口和热泵机组的进口连接；清水回水管线分别与所述大管径换热装置的清水进口和热泵机组的出口连接；低位水箱连接在清水泵和所述大管径换热装置之间的清水供水管线上。 

本发明系统的运行原理为：污水或地表水泵抽送污水或地表水进入大管径换热装置，清水泵抽送清水在大管径换热装置和热泵机组之间进行循环，污水或地表水与清水通过大管径换热装置进行冷热量交换，热泵机组则从清水中提取冷热量。 

本发明的装置与传统壳管换热器和笔者曾申请的专利号为ZL200720117308.X，公开号为CN201096461的“污水及地表水冷热源方形壳管换热器”的区别在于： 

(1)结构上的差异一：本发明采用了特大管径管作为换热管，其直径为70～150mm，一般传统换热器和ZL200720117308.X的换热管管径都不大于50mm。 

(2)结构上的差异二：本发明的大管径换热装置的管程(壳程)数将由一般的6～12管程(壳程)增加到30～40管程(壳程)，与传统换热器和ZL200720117308.X的管、壳程将有显著不同。 

(3)结构上的差异三：本发明的大管径换热装置的每管程的管根数只有几根或十几根，与传统换热器和ZL200720117308.X每管程几十根管的差距巨大。 

(4)功能上的差异一：本发明采用特大管径后，含悬浮物的污水或地表水可顺畅地通过，具有防堵功能，不需单独再采取防堵措施，解决了污水或地表水热泵系统的关键技术之一；而传统换热器和ZL200720117308.X采用直径不大于50mm的管径时，都需要另外采取防堵措施。 

(5)功能上的差异二：本发明采用大管径，大管径管壁相对较厚，为污水或地表水的腐蚀性相对留有一定的腐蚀余量。 

(6)效果上的差异一：本发明的大管径换热装置由于不需再采取防堵措施，使得热泵系统的工艺流程明显简单、故障点和维护量大大减小。 

(7)效果上的差异二：虽然采取大管径后，换热装置的体积和占地会增大，但由于没有了防堵措施，较传统换热器加防堵措施的综合占地相反要减少30％以上。 

(8)克服了技术偏见一：本领域的技术人员都认为换热器应该结构紧凑，管径越小，相对会越紧凑，换热器体积和占地会越小，因此认为不应该采用大管径换热管。而实际采用较小的换热管换热器后，虽然换热器的体积和占地减小了，但由于需要设置防堵措施，其综合占地反而比大管径换热装置的占地明显增加。 

(9)克服了技术偏见二：本领域的技术人员都认为壳管换热器的壳体应该采用圆柱形，方形不耐压。而实际污水或地表水热泵系统中，该换热装置的承压可不超过0.3MPa，而本发明的大管径换热装置的管、壳程数很多，即内隔板、外隔板和第二外隔板的数量很多，都可起到拉筋作用，而且距离很近，完全可承压到0.3MPa以上，这也克服了ZL200720117308.X 的缺陷。 

该装置及其系统具有如下有益效果： 

(1)采用大管径换热管后，污水或地表水直接进入换热装置进行换热，前端不需设置过滤网或防阻装置，解决了污水或地表水源热泵的堵塞问题； 

(2)由于无需设置防堵措施，使得整个系统的工艺流程明显简单化，故障点也明显减少； 

(3)采用大管径后，管壁会适当增大，但系统为开式循环，接近无压状态，适当增加的壁厚不需要对承压不起作用，留有了足够的腐蚀余量； 

(4)换热装置采用逆流换热，换热效率高；采用大管径后，流动阻力小，水泵能耗低； 

(5)相对传统的壳管换热器，管的数量可减少75％左右，清洗工作量减少，利于维护管理。 

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图 

图2是图1的B-B剖面图 

图3是图1的C-C剖面图 

图4是图1的A向图 

图5是两个单体换热装置串联的结构示意图 

图6是本发明系统的整体结构示意图 

具体实施方式

具体实施方式一，结合图1、图2、图3、图4和图5进行说明。本实施方式的大管径换热装置12它由两个单体换热装置串联组成，每个单体换热装置由大管径管1、大管径管1组成的排管2、管板3、第一壳体4-1、第二壳体4-2、内隔板5、第一外隔板6-1、第二外隔板6-2、污水或地表水进口7、污水或地表水出口8、清水进口9、清水出口10和封板11组成，大管径管1的管径在50～150mm之间，管与管之间留有一定的间隙，水平方向并列形成一层排管2，并且逐根固定在管板3上；第一壳体4-1和第二壳体4-2分别与管板3连接；内隔板5设置在排管2与其它排管2的中间位置，每层排管2或每两层排管2或每三层排管2设置一个内隔板5，内隔板5的两侧与第一壳体4-1连接，一端与管板3连接，另一端与另一管板3留有一定的过水距离，内隔板5沿垂直方向与管板3的连接方式交替设置，即上一内隔板5的一端与左面的所述管板3连接，则下一内隔板5的一端与右面的所述管板3连接，内隔板5将每层排管2或每两层排管2或每三层排管2的管外空间形成相互串联；第一外隔板6-1和第二外隔板6-2的一端分别与管板3连接，两侧分别与第二壳体4-2连接，第一外隔板6-1和第二外隔板6-2在垂直方向交替设置，将每层排管2或每两层排管2或每三层排管2的管内空间形成相互串联；封板11通过法兰或丝扣封闭第二壳体4-2两端；污水或地表水进口7和污水或地表水出口8分别连接在第二壳体4-2上；清水进口9、清水出口10分别连接在第一壳体4-1上；两个单体换热装置的污水或地表水出口8相连通，清水进口9相连通；所述大管径换热装置12的管程和壳程数为30～40，内隔板5、第一外隔板6-1和第二外隔板6-2起到拉筋作用，所述大管径换热装置可承压到0.3MPa以上。 

具体实施方式二(参见图1～图5)，本实施方式的大管径管1的管径为70～125mm，其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式三(参见图1～图5)，本实施方式的大管径管1的管径为90～110mm，其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式四(参见图1～图5)，本实施方式的大管径管1的管径为95～105mm，其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式五，本实施方式是本发明系统的具体实施方式，结合图6进行说明。它由具体实施方式一至四中任一项所述的大管径换热装置12、热泵机组13、污水或地表水泵14、污水或地表水供水管15、污水或地表水排水管16、清水泵17、清水供水管线18、清水回水管线19和低位水箱20组成，污水或地表水泵14连接在污水或地表水供水管15上；污水或地表水供水管15与所述大管径换热装置12的污水或地表水进口连接；污水或地表水排水管 16与所述大管径换热装置12的污水或地表水出口连接；清水泵17连接在清水供水管线18上；清水供水管线18分别与所述大管径换热装置12的清水出口和热泵机组13的进口连接；清水回水管线19分别与所述大管径换热装置12的清水进口和热泵机组13的出口连接；低位水箱20连接在清水泵17和所述大管径换热装置12之间的清水供水管线18上。 

Claims (5)

1.一种污水或地表水源热泵大管径换热装置，其特征在于它由两个单体换热装置串联组成，每个单体换热装置由大管径管（1）、大管径管（1）组成的排管（2）、管板（3）、第一壳体（4-1）、第二壳体（4-2）、内隔板（5）、第一外隔板（6-1）、第二外隔板（6-2）、污水或地表水进口（7）、污水或地表水出口（8）、清水进口（9）、清水出口（10）和封板（11）组成，大管径管（1）的管径在50~150 mm之间，管与管之间留有一定的间隙，水平方向并列形成一层排管（2），并且逐根固定在管板（3）上；第一壳体（4-1）和第二壳体（4-2）分别与管板（3）连接；内隔板（5）设置在排管（2）与其它排管（2）的中间位置，每层排管（2）或每两层排管（2）或每三层排管（2）设置一个内隔板（5），内隔板（5）的两侧与第一壳体（4-1）连接，一端与管板（3）连接，另一端与另一管板（3）留有一定的过水距离，内隔板（5）沿垂直方向与管板（3）的连接方式交替设置，即上一内隔板（5）的一端与左面的所述管板（3）连接，则下一内隔板（5）的一端与右面的所述管板（3）连接，内隔板（5）将每层排管（2）或每两层排管（2）或每三层排管（2）的管外空间形成相互串联；第一外隔板（6-1）和第二外隔板（6-2）的一端分别与管板（3）连接，两侧分别与第二壳体（4-2）连接，第一外隔板（6-1）和第二外隔板（6-2）在垂直方向交替设置，将每层排管（2）或每两层排管（2）或每三层排管（2）的管内空间形成相互串联；封板（11）通过法兰或丝扣封闭第二壳体（4-2）两端；污水或地表水进口（7）和污水或地表水出口（8）分别连接在第二壳体（4-2）上；清水进口（9）、清水出口（10）分别连接在第一壳体（4-1）上；两个单体换热装置的污水或地表水出口（8）相连通，清水进口（9）相连通；所述大管径换热装置的管程数为30～40管程，内隔板（5）、第一外隔板（6-1）和第二外隔板（6-2）起到拉筋作用，而且距离很近，所述大管径换热装置可承压到0.3MPa以上。

2.根据权利要求1所述的污水或地表水源热泵大管径换热装置，其特征在于大管径管（1）的管径为70~125mm。

3.根据权利要求1所述的污水或地表水源热泵大管径换热装置，其特征在于大管径管（1）的管径为90~110mm。

4.根据权利要求1所述的污水或地表水源热泵大管径换热装置，其特征在于大管径管（1）的管径为95~105mm。

5.一种污水或地表水源热泵系统，其特征在于它由如权利要求1~4中任一项所述的大管径换热装置（12）、热泵机组（13）、污水或地表水泵（14）、污水或地表水供水管（15）、污水或地表水排水管（16）、清水泵（17）、清水供水管线（18）、清水回水管线（19）和低位水箱（20）组成，污水或地表水泵（14）连接在污水或地表水供水管（15）上；污水或地表水供水管（15）与所述大管径换热装置（12）的污水或地表水进口连接；污水或地表水排水管（16）与所述大管径换热装置（12）的污水或地表水出口连接；清水泵（17）连接在清水供水管线（18）上；清水供水管线（18）分别与所述大管径换热装置（12）的清水出口和热泵机组（13）的进口连接；清水回水管线（19）分别与所述大管径换热装置（12）的清水进口和热泵机组（13）的出口连接；低位水箱（20）连接在清水泵（17）和所述大管径换热装置（12）之间的清水供水管线（18）上。

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