CN103185408A - 废水热能回收方法与多级直热机 - Google Patents

Abstract

本发明给出一种废水热能回收方法，它的步骤如下：(1)利用真空泵，将废水热能回收装置内的空气抽出；(2)废水沿着蒸发器的明渠流道流动，同时闪蒸产生蒸汽；(3)在蒸发器流道围绕空间，蒸汽在冷凝器管外凝结放热，管内流动的供暖循环水被加热，该方法的特征在于：废水热能采用阶梯形的多级回收方法，即废水和供暖循环水彼此逆向依次流过多个上述废水热能回收装置。本发明给出一种多级直热机，它的结构包括：第一、第二和第三级直热机、抽空气装置和防汽化排水装置；其特征在于：(1)所说第一、第二和第三级直热机，从上到下，依次叠落布置，级间由隔板分开；(2)多级直热机结构还包括：几个废水疏水器和凝结水疏水器。

Description

废水热能回收方法与多级直热机

技术领域

本发明涉及热交换技术，特别是涉及废水热能回收方法与多级直热机。

背景技术

在我国工农业生产中，排放着大量的50-100℃的废水，由于废水含有杂质，其热能难以回收利用，都废弃排放了。其中，钢铁企业的冲渣水，就是一个典型例子。

我国已经是钢铁生产的大国，钢铁的年产量占世界总产量的40％。无论是炼钢还是炼铁，都要产生大量的炉渣。炉渣是和钢铁相伴随生成，它是钢铁冶炼的副产品，又是一系列重要冶金反应的基本条件，它直接参与钢铁冶炼过程的物理化学反应和传质传热过程，它不仅影响到钢铁产量、质量，而且与原材料、能量的消耗都有密切的关系。

钢铁冶金炉内，产生1400-1500℃的高温炉渣，经渣口流出后，再经渣沟进入冲渣流槽时，以一定的水量、水压及流槽坡度，使水与熔渣流成一定的交角，熔渣受冷冲击，炸裂成一定粒度的合格的水渣。渣水分离后，炉渣用作建筑材料；与高温炉渣进行热交换的冲渣水，进入冲渣水池。

冲渣水池通常占地几千平方米，冲渣水池上方热汽腾空，冲渣水温度常年保持在60-80℃，是一个巨大的潜在的热能能源，如果能有效地加以利用，比如说利用冲渣水的热能，冬天为居民区供暖，不仅可以为国家节约大量燃料，而且减少了碳排放，保护了环境。

冲渣水的热能回收利用问题，至今还没有得到很好的解决。

由于冲渣水反复使用，冲渣水中溶进了炉渣中含有的多种无机盐和氧化物，形成了几乎是饱和的盐碱水溶液。当炉渣受冷冲击炸裂成水渣过程中，还有一部分细小的炉渣进入水中悬浮。经实际检测，冲渣水浊度为60-80mg/l。

某供暖企业，通过间壁式换热器，将冲渣水的热量传递给循环水，利用循环水向居民区供暖。仅仅一个冬天，不到4个月的供暖时间，间壁式换热器的冲渣水侧，结垢达3-5厘米，垢层坚硬，风化后变松散。

经分析后认为，冲渣水在换热器内结垢的成份为多种含结晶水的无机盐，例如含结晶水的硅酸盐。冲渣水坚硬的结晶水垢，使间壁式换热器几乎完全报废。

有人试图有过滤器过滤冲渣水，以解决冲渣水在换热器上结水垢问题。冲渣水是多种成分的盐碱水，对于盐碱水，过滤器完全没有用。盐碱水可以顺利通过任何过滤器，而到了换热器内部，遇到冷的换热器壁面，盐碱水降温，过饱和，立刻在冷壁面上结晶。

盐碱水溶液中，晶体形成的过程称为结晶。结晶的方法一般有两种：一种是蒸发溶剂法，它适用于温度对溶解度影响不大的物质。沿海地区生产晒盐就是利用的这种方法。另一种是冷却热饱和溶液法，此法适用于温度升高，溶解度也增加的物质。如北方地区的盐湖，夏天温度高，湖面上无晶体出现；每到冬季，气温降低，石碱(Na2CO3·10H2O)、芒硝(Na2SO4·10H2O)等物质就从盐湖里析出来。冲渣水结垢，正是由于在换热器壁面上，冷却了盐碱水热饱和溶液，产生的结晶。

在工农业和人民生活中，排放各种各样的污水，其中一部分是温度为50-100℃废水，例如冲渣水。由于废水中含有的杂质成分复杂，若利用通常的间壁式换热器回收热能，换热器可能很快就被污染而不能正常工作。到目前为止，废水热能的回收问题，还没有得到很好的解决。

废水换热器与普通换热器工作条件有很大的区别，普通换热器的设计方法，使用经验，不能用于废水换热器。尽管普通换热器的设计方法与制造工艺，都很成熟，但是，废水换热器科学设计方法，至今，还没有很好解决。

上述有关污水换热器与盐碱水结晶的背景技术，在以下专著中有详细描述：

1、赵军，戴传山主编，地源热泵技术与建筑节能应用，北京：中国建筑工业出版社，2009。

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。

3、辛剑，王慧龙主编，高等无机化学，北京：高等教育出版时，2010。

4、何凤娇主编，无机化学，北京：科学出版社，2007。

发明内容

为了解决废水热能的回收问题，本发明给出一种废水热能回收方法与多级直热机。

本发明给出一种废水热能回收方法，它的步骤如下：(1)利用真空泵，通过抽气管，将废水热能回收装置内的空气等不凝气体抽出；(2)废水进入废水热能回收装置，沿着蒸发器的紧贴器壁盘旋向下的明渠流道流动，同时闪蒸蒸发产生蒸汽，闪蒸剩余废水从下方流出；(3)在蒸发器流道围绕空间，由传热管组成的竖直管束构成冷凝器，蒸汽在冷凝器管外凝结放热，管内流动的供暖循环水被加热。废水热能采用阶梯形的多级回收方法，即废水和供暖循环水彼此逆向依次流过多个上述废水热能回收装置。

本发明给出一种多级直热机，利用废水多级向供暖循环水传热，多级直热机结构包括：第一、第二和第三级直热机、抽空气装置和防汽化排水装置；在每一级直热机里，设有蒸发器和冷凝器；废水进入多级直热机后，依次流过第一、第二和第三级直热机的蒸发器，闪蒸蒸发产生蒸汽；供暖循环水进入多级直热机后，依次流过第三、第二和第一级直热机的冷凝器；蒸汽在冷凝器外表面凝结放热，产生的凝结水依次流过第一、第二和第三级直热机。

其中：

(1)第一、第二和第三级直热机，从上到下，依次叠落布置，级间由隔板分开；

(2)多级直热机结构还包括：几个废水疏水器和凝结水疏水器。

所述蒸发器，它的构造为紧贴直热机四周内侧壁盘旋向下的明渠流道，蒸发器空间与上下级间由隔板分开，废水在蒸发器的明渠流道流动，同时闪蒸蒸发，蒸发剩余废水通过底部的废水积水室排出。

所述冷凝器，它的构造为蒸发器流道所围起来空间中的竖直传热管构成的管束，冷凝器空间与上下级间由隔板分开，蒸发器产生的蒸汽在冷凝器的管束表面凝结，产生的凝结水沿管束表面向下流动，通过底部的凝结水积水室排出。

所述抽空气装置，它的结构包括：抽气管和真空泵；抽气管的一端，端部封堵，靠近端部的管壁上，开有几个抽气孔，竖直深入到直热机的中部，即冷凝器管束中心；抽气管的另一端，水平穿过直热机壁面到直热机外，与真空泵相连，利用真空泵连续不断地抽取冷凝器管束中心积聚的空气和少量蒸汽，然后排到大气中。

所述废水疏水器和凝结水疏水器，它们的结构是相同的，具体包括：阀体、阀瓣、阀孔、进水管、出水管、进水室和出水室；当废水或凝结水依靠重力和压力，从上一级直热机流出，通过阀体上的进水管进入进水室，进水室内比水轻的阀瓣向上浮起，水向下流过阀孔到达出水室，再通过出水管流出疏水器，进入下一级直热机；当没有废水或凝结水进入，进水室内无水，阀瓣向下降落，盖住阀孔，使进水室内的蒸汽不能到达出水室。

所述防汽化排水装置，它的结构包括：废水积水室、出水管、抽水泵和支架；直热机第三级蒸发剩余废水，流入废水积水室，通过出水管，利用抽水泵抽出；为防止抽水泵抽水汽化，应该采用低转速抽水泵，同时采用高位废水积水室，对于摄氏70度废水，废水积水室的支架高度应该不低于3米。

附图说明

图1是本发明废水热能回收方法的步骤图；

图2是本发明多级直热机实施例的总体图；

图3是本发明多级直热机实施例的蒸发器结构图；

图4是本发明多级直热机实施例的冷凝器结构图；

图5是本发明多级直热机实施例的抽空气装置图；

图6是本发明多级直热机实施例的疏水器结构图；

图7是本发明多级直热机实施例的防汽化排水装置图。

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给出了本发明废水热能回收方法的步骤图。

本发明废水热能回收方法的步骤如下：

1，一个从上到下的分为三级的直热机，外轮廓为箱形容器，级间有水平隔板31，在每级内，有紧贴器壁盘旋向下的明渠流道51，分别构成第一、第二、第三级蒸发器；

2，供暖循环水通过进水管60，进入下封头的联箱61，从下向上进入各个传热管62，依次从直热机中部，即盘旋向下的明渠流道中间，穿过第三、第二、第一直热机，构成直热机的第三、第二、第一级冷凝器；

3，利用真空泵，通过抽气管41，将第一级直热机内部的空气等不凝气抽出；

4，废水通过进水管50，进入第一级直热机，沿着第一级直热机蒸发器的盘旋向下的明渠流道，依靠重力沿流道斜面流淌；

5，直热机第一级冷凝器的温度低于进入第一级蒸发器的废水温度，由此形成的第一级内空间压力低于废水温度对应的饱和压力，废水进入第一级蒸发器后，立刻闪蒸蒸发；

6，直热机第一级蒸发器产生的蒸汽，进入第一级冷凝器，并在冷凝器传热管外冷凝放热；

7，直热机第一级冷凝器内产生的凝结水，经凝结水疏水器27，向下流入直热机第二级；

8，直热机第一级蒸发器内蒸发剩余废水，经废水疏水器25，向下流入直热机第二级；

9，在直热机第二级和第三级里，依次进行着与上述3至8相同的过程；

10，最后，直热机第三级蒸发剩余废水，流入废水积水室52，通过出水管53，被抽水泵抽出；直热机第三级积聚的凝结水积水室70，通过出水管71，被抽水泵抽出；传热管内被加热了的循环水，到达上封头的联箱63，通过出水管64输出。

图2给出了本发明多级直热机实施例的总体图。

本发明多级直热机实施例的总体结构，它是立式的箱形容器，内部上下分为三级布置，级间有水平隔板，其中一、二级间为隔板31。

在第一级内，有紧贴器壁盘旋向下的明渠流道51，构成第一级蒸发器，同样的，在二、三级直热机，同样的紧贴器壁盘旋向下的明渠流道，构成第二、第三级蒸发器。

供暖循环水通过底部的进水管60，进入下封头的联箱61，从下向上进入各个传热管62，传热管62从直热机中部，即盘旋向下的明渠流道围绕的空间，向上依次穿过第三、第二、第一级直热机，构成直热机的第三、第二、第一级冷凝器。

利用真空泵，通过抽气管41、42、43，分别将三级直热机内部的空气等不凝气抽出，产生真空。

在多级直热机上部，废水通过进水管道50，首先进入第一级直热机，沿着第一级直热机蒸发器的盘旋向下的明渠流道51，沿斜面依靠重力流淌。多级直热机第一级冷凝器的温度低于进入第一级蒸发器的废水温度，多级直热机第一级内部空间压力，低于对应废水温度的饱和压力，废水进入第一级蒸发器后，立刻闪蒸蒸发，产生的蒸汽进入第一级冷凝器，并在冷凝器传热管外冷凝放热，产生的凝结水，经凝结水疏水器27，向下流入多级直热机第二级。

多级直热机第一级蒸发器内蒸发剩余废水，经废水疏水器25，向下流入多级直热机第二级。

在多级直热机第二级和第三级里，依次进行着与上述相同的过程，蒸发器里蒸汽凝结放热，冷凝器里循环水吸热升温。最后，多级直热机第三级蒸发剩余废水，流入废水积水室52，通过出水管53被抽水泵抽出；多级直热机第三级积聚的凝结水70，通过出水管71被抽水泵抽出；被加热了的循环水，到达上封头的联箱63，通过出水管64输出。

图3给出了本发明多级直热机实施例的蒸发器结构图。

本发明多级直热机实施例，它的每一级都有相同的蒸发器，蒸发器的构造为紧贴直热机四周内侧壁盘旋向下的明渠流道。可以是圆形的盘旋，也可以是矩形的盘旋，本发明多级直热机实施例截面为矩形，故采用矩形的盘旋流道。

本图给出了三级直热机中间一级，它和上一级间由隔板31分开，它和下一级间由隔板32分开，四周为侧壁20。真空泵将本级空间的空气等不凝气体抽出。

上一级闪蒸蒸发剩余废水，通过废水疏水器25进入本级蒸发器的明渠流道52。从俯视图可以看清楚，废水沿着矩形的回转盘旋流道52，依靠重力在流道的斜面上流淌，由上向下流动。因为本级的冷凝器温度比上一级低，导致本级空间蒸汽压力比上一级低，因此，进入本级的废水在蒸发器流道上闪蒸蒸发。

本级闪蒸蒸发剩余废水，最后到达积水室34，再通过废水疏水器26，进入在下一级直热机蒸发器的明渠流道。

图4给出了本发明多级直热机实施例的冷凝器结构图。

本发明多级直热机实施例，它的每一级都有相同的冷凝器，冷凝器是紧贴器壁盘旋的蒸发器流道所围起来空间中的由许多竖直传热管62构成的管束。本图给出了三级直热机中间一级，它和上一级冷凝器间由隔板31分开，它和下一级冷凝器间由隔板32分开，四周为侧壁20。真空泵将本级空间的空气等不凝气体抽出。

当废水在蒸发器的回转盘旋流道，依靠重力在流道的斜面上流淌，并闪蒸蒸发，产生的蒸汽就向中心低温的冷凝器流动，并随即在冷凝器的管束表面凝结，形成的凝结水沿管束表面向下流动，最终流到并积聚在冷凝器底部的积水室35里。

上一级冷凝器产生的凝结水，通过凝结水疏水器27，也进入本级冷凝器的积水室35。本级积水室35中的凝结水，再通过凝结水疏水器28，进入下一级直热机的冷凝器中。

图5给出了本发明多级直热机实施例的抽空气装置图。

本发明多级直热机实施例的每一级内的空间，只能有蒸汽，不允许有空气存在，因为空气影响传热。本图给出中间一级的内部空间，即由隔板31、隔板32和四周侧壁20包围的空间。

当废水在蒸发器的回转盘旋流道，依靠重力在流道的斜面上流淌，并闪蒸蒸发时，产生的蒸汽，由四周向中心低温的冷凝器管束流动，并随即在冷凝器的管束表面凝结，而蒸汽中携带的少量空气和其它不凝气体，最后就集中到了冷凝器管束中心的空间。

抽气管42的含有几个抽气孔的一端深入到直热机的中部，也是本级冷凝器管束中心；抽气管42的另一端，穿过器壁到直热机外，与真空泵相连，利用真空泵连续不断地抽取冷凝器管束中心积聚的空气和少量蒸汽，然后排到大气中。

图6给出了本发明多级直热机实施例的疏水器结构图；

本发明多级直热机实施例的疏水器的用途有两种：废水疏水和凝结水疏水。但两种用途的疏水器的结构是一样的，只是根据疏水量多少，选择大小不同的疏水器。

本发明多级直热机实施例的疏水器的结构包括：阀体255、阀瓣252、阀孔253、进水管257、出水管258、进水室254、出水室256。

当废水或凝结水依靠重力和压力，从上一级直热机流出，通过阀体255上的进水管257，进入进水室254，进水室内的比水轻的阀瓣252向上浮起，水向下流过阀孔253，到达出水室256，再通过出水管258流出疏水器，进入下一级直热机。

当没有废水或凝结水从阀体255上的进水管257，进入进水室254，进水室254内无水，阀瓣252向下降落，盖住阀孔253，进水室254内的蒸汽不能到达出水室256。

本发明多级直热机实施例的疏水器，从进水室254到出水室256，可以实现疏水阻汽功能。

图7给出了本发明多级直热机实施例的防汽化排水装置图。

本发明多级直热机实施例的防汽化排水装置，它的结构包括：废水积水室52、出水管53、抽水泵80和支架82。

直热机第三级蒸发剩余废水，流入废水积水室52，当通过出水管53，利用抽水泵向外抽出时，因为蒸发剩余废水为饱和水，很容易汽化，使抽水泵不能正常工作。为解决汽化问题，采取提高废水积水室52高度，加长出水管53长度，建立高位支架82，采用低转速抽水泵80，并置于地面，利用出水的高度产生的水静压，来克服汽化。对于摄氏70度的饱和废水，废水积水室支架高度应该不低于3米。

Claims (7)

1.一种废水热能回收方法，它的步骤如下：(1)利用真空泵，通过抽气管，将废水热能回收装置内的空气等不凝气体抽出；(2)废水进入废水热能回收装置，沿着蒸发器的紧贴器壁盘旋向下的明渠流道流动，同时闪蒸蒸发产生蒸汽，闪蒸剩余废水从下方流出；(3)在蒸发器流道围绕空间，由传热管组成的竖直管束构成冷凝器，蒸汽在冷凝器管外凝结放热，管内流动的供暖循环水被加热，该方法的特征在于：废水热能采用阶梯形的多级回收方法，即废水和供暖循环水彼此逆向依次流过多个上述废水热能回收装置。

2.一种多级直热机，利用废水多级向供暖循环水传热，多级直热机结构包括：第一、第二和第三级直热机、抽空气装置和防汽化排水装置；在每一级直热机里，设有蒸发器和冷凝器；废水进入多级直热机后，依次流过第一、第二和第三级直热机的蒸发器，闪蒸蒸发产生蒸汽；供暖循环水进入多级直热机后，依次流过第三、第二和第一级直热机的冷凝器；蒸汽在冷凝器外表面凝结放热，产生的凝结水依次流过第一、第二和第三级直热机，其特征在于：

(1)所说第一、第二和第三级直热机，从上到下，依次叠落布置，级间由隔板分开；

(2)多级直热机结构还包括：几个废水疏水器和凝结水疏水器。

3.按照权利要求2所述的多级直热机，其特征在于：所述蒸发器，它的构造为紧贴直热机四周内侧壁盘旋向下的明渠流道，蒸发器空间与上下级间由隔板分开，废水在蒸发器的明渠流道流动，同时闪蒸蒸发，蒸发剩余废水通过底部的废水积水室排出。

4.按照权利要求2所述的多级直热机，其特征在于：所述冷凝器，它的构造为蒸发器流道所围起来空间中的竖直传热管构成的管束，冷凝器空间与上下级间由隔板分开，蒸发器产生的蒸汽在冷凝器的管束表面凝结，产生的凝结水沿管束表面向下流动，通过底部的凝结水积水室排出。

5.按照权利要求2所述的多级直热机，其特征在于：所述抽空气装置，它的结构包括：抽气管和真空泵；抽气管的一端，端部封堵，靠近端部的管壁上，开有几个抽气孔，竖直深入到直热机的中部，即冷凝器管束中心；抽气管的另一端，水平穿过直热机壁面到直热机外，与真空泵相连，利用真空泵连续不断地抽取冷凝器管束中心积聚的空气和少量蒸汽，然后排到大气中。

6.按照权利要求2所述的多级直热机，其特征在于：所述废水疏水器和凝结水疏水器，它们的结构是相同的，具体包括：阀体、阀瓣、阀孔、进水管、出水管、进水室和出水室；当废水或凝结水依靠重力和压力，从上一级直热机流出，通过阀体上的进水管进入进水室，进水室内比水轻的阀瓣向上浮起，水向下流过阀孔到达出水室，再通过出水管流出疏水器，进入下一级直热机；当没有废水或凝结水进入，进水室内无水，阀瓣向下降落，盖住阀孔，进水室内的蒸汽不能到达出水室。

7.按照权利要求2所述的多级直热机，其特征在于：所述防汽化排水装置，它的结构包括：废水积水室、出水管、抽水泵和支架；直热机第三级蒸发剩余废水，流入废水积水室，通过出水管，利用抽水泵抽出；为防止抽水泵抽水汽化，采用低转速抽水泵，采用高位废水积水室，对于摄氏70度废水，支架高度应该不低于3米。

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