CN103033071A

CN103033071A - 卧式椭圆管污水换热器

Info

Publication number: CN103033071A
Application number: CN2011103058797A
Authority: CN
Inventors: 尚德敏; 李金峰; 李伟
Original assignee: HIT (HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY) KINT TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HIT (HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY) KINT TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2013-04-10

Abstract

本发明给出一种卧式椭圆管污水换热器，它的结构包括：箱体、清水流道和污水流道。箱体是卧式椭圆管污水换热器的外壳，呈矩形，箱体内部是污水流道和清水流道。清水流道包括：清水进口、清水管道、清水弯道、隔板和清水出口；清水从箱体下方的清水进口进入，沿着由隔板和箱体形成的截面为矩形的水平的清水管道流动，从箱体上方的清水出口流出。污水流道包括：污水进口、变形管、污水管道、污水弯道和污水出口；污水从箱体上方的污水进口进入，首先通过变形管，污水沿着水平的污水管道流动，经过污水弯道，进入下一个污水管道。污水管道为椭圆管，椭圆的长轴处于水平方向，椭圆长轴为100毫米，短轴为60毫米，防堵性能良好。

Description

卧式椭圆管污水换热器

技术领域

本发明涉及热交换设备，特别是涉及卧式椭圆管污水换热器。

背景技术

城市污水的热能利用有多种方式，但最有效的利用方式就是利用污水源热泵。即夏季将建筑物内多余热量通过热泵机组释放到城市污水中，冬季将城市污水的热量提取出来通过热泵机组释放到建筑物内。

污水换热器就是利用换热器将污水中的热量从污水中置换出来，以满足人类建筑物的冬季取暖和夏季制冷的需求。由于城市的污水排放量较大，因此污水能否被人类利用也被越来越多的人类开始思索起来。污水换热器的出现，帮人类解决了这一问题，污水换热器的出现，是的源生污水能够利用起来不再成为人类的幻想。

解决包括污水在内的恶劣水质，对换热设备及管路的堵塞与结垢，实现持续和稳定地换热，是一个世界性技术难题。

利用污水作为热泵冷热源的技术关键在于：实现污水的高效连续换热。

通常的做法是在城市污水和热泵之间，设置污水过滤装置和污水换热器，热泵从污水中吸收热量，或向污水中释放热量。交换能量后的污水，从回水管，返回到城市污水的排放系统中。

在污水换热器前设置的污水过滤装置，其过滤孔不可能很小，否则污水过滤装置很快就被堵塞。当污水过滤装置的过滤孔较大时，这样的污水过滤装置，不可能彻底解决污水换热器的堵塞问题。

为了防止污水换热器堵塞，通常的做法是采用平板大流道的污水换热器。这种换热器污水流动空间大，流道内基本没有水平和上下支撑。如果在污水流道内有任何支撑，很快就会在这些支撑上挂垢，特别是一些纤维类的东西，包括头发，从而造成阻塞。

对于普通换热器，可以采用在换热板上，进行碾压，产生凸凹形状，以增强抗压能力。但是，对于污水换热器，却不能采用这个办法，否则，凸凹不平的表面很快积垢，促成换热器换热效果下降。

对于污水换热器，考虑到污水或清水的压力，为了保证流道的强度，流道的壁面不得不采用很厚的钢板做成，这就增加了金属材料的消耗，建造成本，和运输费用。

污水换热器有几种，其中应用比较广泛的有流道式污水换热器和管道式污水换热器。

流道式污水换热器就是用两种换热器介质(污水和清水)，借助水泵的驱动，在扁平的矩形流道内，以反向相对地流动。一种介质的温度是沿着流动方向升高的，另一种换热介质的温度随着流动而降低，两种换热介质的流动方向和温度的变化趋势始终方向相反的。在流道式污水换热器中，温度场的分布比较均匀，换热效率较高。

流道式污水换热器的流道换热面是水平的板面，这就带来两个问题：其一是污水中的污垢在换热面上沉淀，使流道式污水换热器在应用时，不用太长时间，换热效率就明显下降；其二是平板的换热流道不耐压，容易在高压下发生变形和泄漏。

管道式污水换热器的耐压能力比流道式污水换热器要大得多，将高压流体放到管内，可以是清水，也可以是污水。

目前，市场上出现的一种污水在管内的管道式污水换热器，它的污水管是管径为100毫米的粗圆管，水平布置，清水在管外，清水也是水平流动，清水流动路径与污水管路平行，但两者流动方向相反。这种粗圆管的管道式污水换热器，污水污垢沉淀对换热的影响，要小于流道式污水换热器，因为圆管内表面的弧度作用，污垢沉淀较集中在圆管底部靠近中心线附近。这种粗圆管的管道式污水换热器，还有其他一些优点，比如耐压较好，制作较方便等。但它有一个严重的缺点：它的紧凑性太差，即在单位体积内，所包含传热面积太小。

一般认为紧凑性达到700m²/m³的换热器，称之为紧凑型换热器。而这种直径100毫米的粗圆管的管道式污水换热器，紧凑性大约仅为20m²/m³。当然，由于污水的特殊性质，污水换热器的紧凑性不可能很高，但其它污水换热器的紧凑性，有的还是可以达到较高的水平，比如流道式污水换热器的紧凑性，目前已经达到32m²/m³。如果能既有管道式污水换热器的优点，同时又能有较高的紧凑性，那将是较为理想的污水换热器。

上述有关污水换热器的背景技术，在以下专著中有详细描述：

1、史美中，王中铮编，热交换器原理与设计，南京：东南大学出版社，2011。

2、(美)沙拉，塞库利克著，程林译，换热器设计技术，北京：机械工业出版社，2010。

发明内容

本发明的目的是给出一种污水换热器，它既有管道式污水换热器的优点，同时又有较高的紧凑性。

为达到上述目的，本发明给出一种卧式椭圆管污水换热器，污水在水平的椭圆管内流动，清水在管外流动。当水平椭圆管的长轴处于水平位置，称作卧式椭圆管。

本发明给出这种卧式椭圆管污水换热器，它的结构包括：箱体、清水流道和污水流道；污水和清水分别在箱体内的流道中流动，污水和清水通过间壁换热。

污水流道包括水平设置的污水管道，污水管道为椭圆管，椭圆管的长轴处于水平方向。

箱体是卧式椭圆管污水换热器的外壳，呈矩形，用碳钢板做成；箱体内部是污水流道和清水流道，箱体外表面上，有污水进口、污水出口、清水进口和清水出口。

清水流道包括：清水进口、清水管道、清水弯道、隔板和清水出口；清水从箱体下方的清水进口进入，沿着由隔板和箱体形成的截面为矩形的水平的清水管道流动，每层清水管道末端顶面开口，通过清水弯道，进入下一个水平的反方向的清水管道，多次往返流动，最后到达箱体上方的清水出口。

污水流道还包括：污水进口、变形管、污水弯道和污水出口；污水从箱体上方的污水进口进入，首先通过变形管，变形管进口为方形，出口为椭圆形，污水沿着水平的污水管道流动，通过流道末端开口，经过污水弯道，进入下一个污水管道，污水在换热器内多次水平往返流动，最后到达箱体下方的污水出口。

污水管道的椭圆长轴为100毫米，短轴为60毫米。

本发明卧式椭圆管污水换热器的优点是：

1，卧式椭圆管污水换热器适用于污水换热，流道内部通畅，不易诸塞；

2，污水流道采用卧式椭圆管道，流道的截面为椭圆形，这样的流道形状具有很高的强度，流到的壁面不必采用很厚的钢板，降低了成本；

3，污水中的杂质沉淀时，由于卧式椭圆管内壁面坡度作用，杂质集中在污水流道的中心线附近，在较窄的区域内，对传热的影响较小；

4，因为杂质集中在卧式椭圆管的污水换热器污水流道的中心线附近，又是直通的流道，所以很方便清洗。用高压水冲洗，或用毛刷刷洗，都很容易。

可以看出，卧式椭圆管污水换热器，它适用于污水换热，它不易诸塞，杂质沉淀积垢也不太影响换热，制造成本较低，设备也较轻。卧式椭圆管污水换热器可以长期稳定工作，可以保持较高的传热系数。

附图说明

图1是本发明卧式椭圆管污水换热器实施例的卧式椭圆管污水通过能力分析图。

图2是本发明卧式椭圆管污水换热器实施例的卧式椭圆管紧凑性分析图。

图3是本发明卧式椭圆管污水换热器实施例的清水流道结构图；

图4是本发明卧式椭圆管污水换热器实施例的卧式椭圆管的污水流道结构图；

图5是本发明卧式椭圆管污水换热器实施例的总体图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。

图1给出了本发明卧式椭圆管污水换热器实施例的卧式椭圆管污水通过能力分析图。

在污水换热器前，污水首先要通过污水泵，污水泵是离心式的叶片泵。污水泵内对污水做功的主要部件是叶轮。叶轮又称为工作轮或转轮，由轮毂和1或2个叶片构成单或双通道，形成了大空间的污水流道。这个污水流道的横截面是矩形，流道截面大小是变化的，进口截面的矩形形状和大小，就决定了污水中哪些杂物能通过污水泵并进入污水换热器。叶轮上，污水流道进口矩形截面的高度，它等于叶轮上叶片的高度；进口截面的宽度，它等于相邻两个叶片间的距离。

污水泵叶轮的污水流道都是大通道，叶片高，叶片的距离大。通常，叶片距离尺寸大于叶片高度尺寸，即流道截面是扁宽的。因此，通过流道的大型杂物的截面一定是扁宽的，比如一只拖鞋，可以纵向流过污水泵叶轮的流道。另一些柔软的杂物，可被挤压变形后，通过矩形的污水进口，比如一条编织袋或一个矿泉水瓶。

一种常用的污水泵的叶轮的污水流道进口截面尺寸为：高度为4厘米，宽度为6厘米。

一个直径大于4厘米的硬球，不可能通过污水泵的高度4厘米的通道叶轮。因此，通过污水泵，进入换热器的截面直径大于4厘米的大块杂物，应该是柔软的，可以挤压变形的。

污水泵的叶轮通道的截面，通常也不是正方形，高度4厘米，宽度大一些。能通过这样的流道的大杂物的截面，也应具有这样的特点，或者说，通过流道的大杂物的截面轮廓，大致应该为矩形或椭圆型。

目前，广为应用的流道式污水换热器中，污水流道高为4厘米，宽度约为高度的20倍，应用情况良好，没有发现被杂物堵塞现象。这也说明，污水流道高度按4厘米设计是安全的。

经过污水泵叶轮通道，随污水一道进入换热器的污物，如果能通过10厘米直径的圆管，也肯定能通过长轴为10厘米，短轴为6厘米的椭圆管。也就是说，直径是10厘米的圆形流道是不必要的，因为在污水中，很少见到直径是10厘米的圆形杂物；如果真有直径是10厘米的圆形杂物，它也不可能通过污水泵。

图1-1，1-2，1-3是一只拖鞋的三面图，拖鞋10在自然状态下，高6厘米，宽8厘米，长25厘米。

图1-4，当它随着污水流，通过4厘米高的污水通道50时，高度方向被压缩为4厘米，可以顺利通过。

图1-5，当它随着污水流，通过直径10厘米的圆管污水通道100时，不受压缩，可以顺利通过。

图1-6，当它随着污水流，通过一个长轴为10厘米，短轴为6厘米的卧式椭圆管污水通道200时，不受压缩，可以顺利通过。

可以这样概括：通过污水泵的污水中的杂物，如果能够通过4厘米高的污水通道和10厘米直径的圆管污水管道，那么就一定可以通过长轴为10厘米，短轴为6厘米的椭圆管污水通道。

此外，椭圆抗压能力也是很强的，鸡蛋上能站人，就是一例。

图2给出了本发明卧式椭圆管污水换热器实施例的卧式椭圆管的紧凑性分析图。

紧凑性是换热器的一个重要指标，它用单位体积内传热面积来表示，单位是m²/m³。它综合反映了换热器空间的利用率和换热器金属材料的利用率，它是换热器的科技含量的一个重要方面。

一般认为紧凑性达到700m²/m³的换热器，称之为紧凑型换热器。而上述直径100毫米的粗圆管的管道式污水换热器，紧凑性大约仅为20m²/m³。当然，由于污水的特殊性质，污水换热器的紧凑性不可能很高，但其它污水换热器的紧凑性，有的还是达到较高的水平，比如流道式污水换热器的紧凑性，紧凑性目前已经达到32m²/m³。

图2-1，圆管100的直径为100毫米，圆管单元换热器110紧凑性为20m²/m³。

图2-2，椭圆200的长轴为100毫米，短轴为60毫米，椭圆管的周长c按下式计算：

c＝2*3.14*b+4(a-b)

式中a为椭圆长半轴，b为椭圆短半轴。椭圆管单元换热器210的紧凑性为25.8m²/m³。

椭圆200长轴为100毫米，短轴为60毫米的椭圆管单元换热器210，比圆管100直径为100毫米的圆管单元换热器110紧凑性提高了29％。

图3给出了本发明卧式椭圆管污水换热器实施例的清水流道结构。

本发明卧式椭圆管污水换热器实施例的清水流道，它包括：清水进口310、清水管道330、清水弯道350、隔板340、清水出口320。

清水从箱体下方的清水进口310进入，沿着由隔板340和箱体300形成的水平的清水管道330流动。每层清水管道末端顶面开口，通过清水弯道350，进入下一个水平的反方向的清水管道，在换热器内多次往返流动，到达最上方的清水管道，最后到达箱体上方的清水出口320，清水流道用碳钢板做成。

清水流道的清水，是在一个垂直立面内，在不同的高度上，水平往返流动。就是说，上一个清水流程如果是从左到右，下一个清水流程就是从右到左。

清水流道内，很少有污垢杂质，少许杂质大部分沉积在清水流道的隔板340上，对清水流道与污水流道的换热无影响。

清水流道与污水流道的换热，基本是取决污水侧的热阻。

为了保证充分换热，清水在清水流道内，应该是充满流道的流动，或说是，清水流道的四个表面，包括上表面，即顶面，必须是湿润的。换热器清水流道中，利用隔板，设有多个折返流道，不仅是为了增加传热面积，也是为了提高清水流速，以提高清水与污水间壁之间的对流换热系数。

为了防止水对换热器清水流道的腐蚀，清水流道的四个内表面，要做表面处理，可以采用烤漆防腐。

图4给出了本发明卧式椭圆管污水换热器实施例的卧式椭圆管的污水流道结构图。

本发明卧式椭圆管污水换热器实施例的污水流道，它包括：污水进口410、变形管415、污水管道430、污水弯道450和污水出口420。

污水从箱体上方的污水进口410进入，首先通过变形管415，变形管415进口为方形，出口为椭圆形，其作用是导引污水及其携带的杂物，顺利进入椭圆管的污水管道。污水沿着水平的污水管道430流动，通过流道末端开口，进入污水弯道450。

当讨论污水通过污水弯道450进入下一个污水管道入口时，这里着重指出：在通过污水弯道450时，上下对应的卧式椭圆管的出口和进口，有强大的杂物通过能力，防堵性能良好。这是首先是因为，上下对应的卧式椭圆管的出口和进口，两者上下对应的宽度大，污水中的杂物一般不能跑偏；其次，卧式椭圆管的两侧小，中间大的截面形状，可以约束污水流中较大的杂物，在污水流的中心线附近，被快速的污水流所夹带前进。当它从上一个卧式椭圆污水管出口中心流出时，直接向下，正对着下一个卧式椭圆污水管的中心，随着污水流，杂物很容易进入下一个卧式椭圆污水管的进口，而不会卡在卧式椭圆管的进口处。

污水在换热器内多次水平往返流动，到达最下部的污水流道，最后到达箱体下方的污水出口420。污水流道用碳钢板做成。

污水流道内的污水，是在一个垂直立面内，在不同的高度上，水平往返流动。就是说，上一个污水流程如果是从左到右，下一个污水流程就是从右到左。

污水流道内污垢杂质，由于重力影响和椭圆管内壁坡度作用，沉积在污水流道底面的中心线附近，污水流道的其它部分污垢很少。

污水在污水流道内，应该是充满流道的流动，或说是，污水流道的环形内表面，必须全部是湿润的。污水的粘性较大，换热器的热阻主要是在污水侧的污垢。换热器污水流道中设有多个折返流道，既是为了增加传热面积，也是为了提高污水流速，以提高污水与间壁之间的对流换热系数。

为了防止污水对换热器污水流道的腐蚀，对污水流道的内表面，要做表面处理，可以电镀耐蚀金属，比如：铬、镍。

图5给出了本发明卧式椭圆管污水换热器实施例的总体图。

本发明卧式椭圆管污水换热器实施例的外形是一个矩形的箱体，用碳钢板做成，箱体的外表面上有：污水进口410、污水出口420、清水进口310、清水出口320。

清水由箱体下方的清水进口310进入，沿着水平的清水管道流动，每流完一个行程，通过清水弯道350，进入下一个流程。往返流过几个行程后，到达最上部的清水管道330，再到达箱体上方的清水出口320。

污水从箱体左上方的污水进口410进入换热器后，沿着水平的椭圆管的污水管道430流动。椭圆管的污水管道430设置在清水管道330的中心线上，浸泡在流动的清水中，实现清水与污水的对流换热。污水在换热器内水平地往返流动，每流完一个行程，通过污水弯道450，向下降一个流道。往返流过几个行程后，到达箱体最下部的污水流程，再到达污水出口420。

污水与清水是逆向对流换热。

Claims

1.一种卧式椭圆管污水换热器，它的结构包括：箱体、清水流道和污水流道；污水和清水分别在箱体内的流道中流动，污水和清水通过间壁换热，其特征在于：

(1)所述污水流道包括水平设置的污水管道；

(2)所述污水管道为椭圆管，椭圆管的长轴处于水平方向。

2.按照权利要求1所述的卧式椭圆管污水换热器，其特征在于：

所述箱体，它是卧式椭圆管污水换热器的外壳，呈矩形，用碳钢板做成；箱体内部是污水流道和清水流道，箱体外表面上，有污水进口、污水出口、清水进口和清水出口。

3.按照权利要求1或2所述的卧式椭圆管污水换热器，其特征在于：

所述清水流道，它包括：清水进口、清水管道、清水弯道、隔板和清水出口；清水从箱体下方的清水进口进入，沿着由隔板和箱体形成的截面为矩形的水平的清水管道流动，每层清水管道末端顶面开口，通过清水弯道，进入下一个水平的反方向的清水管道，多次往返流动，最后到达箱体上方的清水出口。

4.按照权利要求1或2所述的卧式椭圆管污水换热器，其特征在于：

所述污水流道，它还包括：污水进口、变形管、污水弯道和污水出口；污水从箱体上方的污水进口进入，首先通过变形管，变形管进口为方形，出口为椭圆形，污水沿着水平的污水管道流动，通过流道末端开口，经过污水弯道，进入下一个污水管道，污水在换热器内多次水平往返流动，最后到达箱体下方的污水出口。

5.按照权利要求1或4所述的卧式椭圆管污水换热器，其特征在于：

所述污水管道的椭圆长轴为100毫米，短轴为60毫米。