CN103185425B - 壳管式污水-制冷剂相变换热器 - Google Patents

Abstract

本发明给出壳管式污水-制冷剂相变换热器，适用于直接式污水源热泵，作为蒸发器或冷凝器。它由制冷剂流道、污水流道、壳体和底座组成，筒形的壳体水平设置，污水在壳体内的多层水平的污水流道中流动，制冷剂在壳体内的水平的传热管中流动，传热管外表面沉浸泡在污水流道中，污水和制冷剂之间通过传热管壁换热，其特征在于：污水在水平污水流道中的流动方向与壳体轴线垂直。所述制冷剂流道，它包括：若干个传热管、两个管板、几个折流板、两个封头、液相口和汽相口。所述污水通道，它包括：污水进口、流道板、反流口、隔板、换流室和污水出口。所述壳体，卧式圆筒状，它分为上下两半，即上壳体和下壳体，可拆卸，其间通过法兰连接。

Description

壳管式污水-制冷剂相变换热器

技术领域

本发明涉及热交换设备，特别是涉及壳管式污水－制冷剂相变换热器。

背景技术

利用城市污水作为冷热源，通过污水源热泵对建筑进行采暖空调，可以直接减少其他短缺能源的消耗，同时还可以达到废物利用的目的，是资源再生利用、发展循环经济、建设节约型社会、友好环境的重要措施。

污水源热泵实现了城市废热的回收利用，变废为宝，是新型的可再生清洁能源利用技术，符合可持续发展、建设资源节约型社会的要求。将水源热泵系统技术与城市污水结合，在扩大城市污水利用范围、拓展城市污水治理效益方面具有深远意义。

污水源热泵是依靠热泵机组内部制冷剂的物态循环变化，冬季从污水中吸收热量，经热泵机组升温后对建筑供热，夏季通过热泵机组，把建筑物中的热量传递给污水，从而实现供冷。污水替代了冷却塔，具有高效节能、绿色环保、安全可靠、一机多用等突出优点。

目前，污水源热泵系统在我国的大部分城市得到了推广与应用，例如：北京、天津、山西、山东、石家庄、新疆、广西等地。

随着整个社会节约能源、环保意识的提高，污水源热泵的应用领域也在不断的扩展。除了在城市供暖制冷、制取生活热水应用外，还在食品、生化、制药工业、种植养殖及农副产品加工储藏领域均得到应用。应该进一步挖掘利用各类可再生的低温热源或废热热源，完善和推广污水源热泵技术，向着建立节约型社会发展。

污水源热泵可分为直接式污水源热泵与间接式污水源热泵两类。直接式系统中，与污水换热的介质为制冷剂，间接式系统中，与污水换热的介质为中介水或防冻液。

前者污水与制冷剂之间经换热器壁面直接换热；后者则存在中介媒质，从而传热热阻增加，导致热泵系统效率随之下降。

实现无堵塞连续换热，是利用污水作为热泵冷热源的技术关键，尤其是对于利用壳管式污水－制冷剂相变换热器的直接式污水源热泵系统。

解决恶劣水质对换热设备及管路的堵塞与污染，实现防腐与无污染换热，是一个世界性技术难题。城市污水水质对换热器的影响主要有腐蚀、结垢及堵塞，热泵中的污水流通管路，经常被堵塞，以至于热泵完全不能工作。

直接式系统是目前污水源热泵研究的前沿领域和发展方向，直接式系统与间接式系统相比有很大的优点，主要是：

1，在同样的水源条件下供出同样多的热量，蒸发温度可提高5℃左右，热泵机组效率得以很大提高，系统总的耗电量可降低15％以上。

2，省去了污水换热器及相应的中介水循环水泵，机房占地面积减少，降低了土建和设备初投资，也减少水泵能耗。

3，获取同样多的热量，所需的污水量可减小一半左右。间接式系统需要考虑中间换热的温差损失，这就限制了污水的降温幅度。

采用直接式污水源热泵遇到的主要问题是，

1，直接污水源热泵系统，要求热泵机组的蒸发器/冷凝器能够“一器两用”，对蒸发器/冷凝器提出了特殊要求。

2，使用污水－制冷剂相变换热器的直接式污水源热泵机组，采用原生污水为热源，比一般污水换热器更容易污染和堵塞，使污水源热泵效率下降，甚至不能工作。对污水和换热器，需经过特殊处理，技术难度较大。虽然人们有很多设想和试验，但都存在不足。

到目前为止，还没有广泛地普及污水－制冷剂相变换热器和直接式污水源热泵系统；污水源热泵技术诞生以来，基本采用间接式系统，这是从可靠性角度考虑而采取的保守措施。

在工农业和人民生活中，排放各种各样的污水。污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，不能简单用于污水换热器，尤其是污水－制冷剂换热器。

尽管普通换热器的设计方法与制造工艺，都很成熟，但是，污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、陈东，谢继红编，热泵技术手册，北京：化学工业出版社，2012。

发明内容

本发明的目的是给出壳管式污水－制冷剂相变换热器，它由制冷剂流道、污水流道、壳体和底座组成，筒形的壳体水平设置，污水在壳体内的多层水平的污水流道中流动，制冷剂在壳体内的水平的传热管中流动，传热管外表面沉浸泡在污水流道中，污水和制冷剂之间通过传热管壁换热，其特征在于：污水在水平污水流道中的流动方向与壳体轴线垂直。

所述制冷剂流道，它包括：若干个传热管、两个管板、几个折流板、两个封头、液相口和汽相口；当壳管式污水－制冷剂相变换热器作为蒸发器时，液态制冷剂由液相口进入换热器的一侧封头，经过管板进入传热管，走过第一个流程，从传热管的另一端，经过管板，到达另一个封头内，受到折流板引导，制冷剂反向进入第二流程的传热管，液态制冷剂受热不断蒸发，往返经过多个流程，流经若干个传热管和多个折流板后，制冷剂完全蒸发成汽态，汽态制冷剂从汽相口流出；当壳管式污水－制冷剂相变换热器作为冷凝器时，汽态制冷剂由从汽相口进入换热器，往返经过多个流程，汽态制冷剂放热不断凝结，当制冷剂完全凝结成液态，从液相口流出。

所述污水流道，它包括：污水进口、污水通道、流道板、反流口、隔板、换流室和污水出口，在换热器壳体内，设有多层水平的流道板，它分别被放在一排排传热管的上面，当污水从污水进口流入换热器，就在流道板上流淌，形成污水的水平流道，流道板一端紧贴换热器壳体内壁，另一端与换热器壳体内壁有一距离，其间就是污水流道的反流口，污水向下流经反流口后，进入下一层反方向污水流道，每层污水流道的底面是流道板，顶面是传热管及传热管上一层流道板的下表面，左右是隔板或管板，污水流道高度为3-4厘米，宽度为几十厘米，截面呈扁平形状，当污水向下流到底部的换流室，绕过隔板，进入另一个从下向上的污水流道空间，当污水全部流过各个污水空间，从换热器的污水出口流出。

所述壳体，卧式圆筒状，它分为上下两半，即上壳体和下壳体，可拆卸，其间通过法兰连接后，两头各为圆形开口，两头开口分别与两端管板封头紧密配合，壳体内有污水流道和制冷剂流道，壳体上有污水的进出口。

所述底座，设在换热器的底部，它由底板和两端的立板组成，底座的两块立板，分别支撑换热器两端的管板和封头，其间焊接连接，底座不与换热器的下壳体连接，底座不妨碍换热器下壳体的拆卸。

本发明的优点是：

1，本发明的壳管式污水－制冷剂相变换热器，不需要对污水进行严格净化。污水直接进入壳管式污水－制冷剂相变换热器，换热器中的污水流通管路不会被堵塞，能够长时间稳定工作。

2，在壳管式污水－制冷剂相变换热器中，污水直接与制冷剂进行热量交换，无论制冷剂是得到热量，还是失去热量，相对于有中介水换热的情况，制冷剂在其中都可以实现较大的温差，从污水得到或向污水放出较多的热量，热泵机组效率得以很大提高。

3，省去通常污水源热泵所设置的污水－中介水换热器、中介水循环水泵及相应的管路，机房占地面积减少，降低了土建和设备初投资，减少能耗。.

4，尽管传热管置于污水流道中，但由于传热管上设置流道板，传热管表面很少积垢。流道板上少量积垢，对换热器性能没有影响。当流道板上积垢过多时，可以通过喷水清洗。

附图说明

图1是本发明壳管式污水－制冷剂相变换热器实施例的制冷剂流道结构图；

图2是本发明壳管式污水－制冷剂相变换热器实施例的污水流道结构图；

图3是本发明壳管式污水－制冷剂相变换热器实施例的壳体结构图；

图4是本发明壳管式污水－制冷剂相变换热器实施例的底座结构图；

图5是本发明壳管式污水－制冷剂相变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给出了本发明壳管式污水－制冷剂相变换热器实施例的制冷剂流道结构图。

本发明壳管式污水－制冷剂相变换热器的实施例，它由制冷剂流道、污水流道、壳体和底座构成。

制冷剂流道包括水平的若干个传热管130、管板108、折流板106、液相口100、汽相口110和封头105。

当壳管式污水－制冷剂相变换热器的实施例作为蒸发器时，液态制冷剂由液相口100从下部水平进入换热器的一侧封头105，经过管板108进入传热管130，进入第一个流程，从传热管130的另一端，经过管板，到达另一个封头内，受到折流板106引导，制冷剂向上反向进入第二流程的传热管。在这个过程中，液态制冷剂受热不断蒸发，往返经过多个流程，流经若干个传热管，和多个折流板后，制冷剂完全蒸发成汽态，汽态制冷剂从汽相口110流出。

当壳管式污水－制冷剂相变换热器的实施例作为冷凝器时，汽态制冷剂由从上部的汽相口110，水平进入换热器的一侧封头105，经过管板108进入传热管，进入第一个流程，从传热管的另一端，经过管板，到达另一个封头内，受到折流板106引导，制冷剂向下反向进入第二流程的传热管。在这个过程中，汽态制冷剂放热不断凝结，往返经过多个流程，流经若干个传热管，和多个折流板后，制冷剂完全凝结成液态，液态制冷剂从液相口100流出。

图2给出了本发明壳管式污水－制冷剂相变换热器实施例的污水流道结构图。

本发明壳管式污水－制冷剂相变换热器实施例的污水流道结构，它包括污水进口200，污水通道250，流道板260，反流口265，隔板270，换流室280。

在换热器壳体内，设有多层水平的流道板260，它分别被放在一排排传热管130的上面，当污水从污水进口200流入换热器，就在流道板260上的污水通道250中流淌。流道板一端紧贴换热器壳体内壁，另一端与换热器壳体内壁有一距离，其间就是污水流道的反流口265。污水流经反流口后，进入下一层流道。每层污水流道的底面是流道板，顶面是传热管及传热管上的上一层流道板的下表面。污水流道高度为3-4厘米，宽度为几十厘米，截面是扁平形状，左右是管板和隔板270。当污水向下流到最下部的换流室280，绕过隔板270，进入另一个从下向上的污水流道空间，再经过几个水平流程后，到达最上部的换流室，再绕过隔板270，再进入另一个从上向下的污水流道空间。由换热器两端的管板和几个隔板270，将换热器内部分成几个内部连通的污水空间。当污水全部流过各个污水空间，与传热管内的制冷剂进行换热后，从换热器的污水出口流出。

一端开口的流道的隔板270，它与制冷剂流道，端板及壳体空间，构成污水的多个流道空间，使污水在换热器壳体内的流动过程是拐来拐去的。这些隔板270的一端开口，它的开口端与壳体间的流道叫做换流室280，换流室280的高度距离不能小于10厘米。隔板270的其它周边与壳体搭接固定。

换流室280和反流口265，都是为了形成曲折的流道，增加污水流速，提高污水与制冷剂传热管130的换热系数。

从污水流道的流动截面可以看出，污水在进行水平的流动，流道截面的高度小，通常仅为3-4厘米，而宽度大，可以为几十到几百厘米，是一个扁形的传热流道，它的好处在于：对于污水而言，既能保证污物通过，传热面还有较高的紧凑性。

作为污水换热器，对于污水流道，既要考虑强度，还要考虑抗腐蚀。壳体、隔板、流道板、污水进口和污水出口，都要进行防腐处理。

图3给出了本发明壳管式污水－制冷剂相变换热器实施例的壳体结构图。

本发明壳管式污水－制冷剂相变换热器实施例的壳体，卧式圆筒状，它分为上下两半，即上壳体310和下壳体320，可拆卸，其间通过法兰330连接后，两头各为圆形开口340、350，两头开口分别与两端管板封头紧密配合，壳体内有污水流道和制冷剂流道，壳体上有污水的进出口。

好处在于，当需要对污水流道清理时，只要打开壳体法兰，全部污水流道通透暴露出来，便于查看和清理污水流道。

图4给出了本发明壳管式污水－制冷剂相变换热器实施例的底座结构图。

在换热器的底部设有整体的底座400，它由底板和两端的立板410组成。底座的两块立板410，分别支撑换热器两端的管板108和封头105，其间焊接连接。换热器的下壳体320单独压紧法兰330，不与底座固定，换热器的下壳体320和上壳体，都可以拆卸下来。

图5给出了本发明壳管式污水－制冷剂相变换热器实施例的总体图。

本发明壳管式污水－制冷剂相变换热器实施例的总体结构，它包括污水流道、制冷剂流道、壳体300和底座400。

污水流道包括：污水进口200、流道板260、反流口，隔板270，换流室和污水出口210。

制冷剂流道包括：液相口100、传热管、管板、折流板106、封头105和汽相口110。

污水在污水流道中流动，水平地流过污水流道。污水流道的下方是流道板260，上方是传热管和流道板，左右是隔板和管板。经过反流口，反向流入下一层的污水流道。经过换流室，流入下一个污水空间。每个污水道截面高度3-4厘米，宽度根据流量选取，通常为500-600厘米。通过污水泵进入污水换热器的污水，在这样的污水流道内流动，不会发生堵塞。

在制冷剂流道内，制冷剂流通过程如下：

1，当本发明壳管式污水－制冷剂相变换热器实施例作为制冷剂蒸发器，液态的制冷剂从制冷剂液相口100进入蒸发器；

2，液态的制冷剂从制冷剂液相口100进入换热器，经过封头、折流板106和管板，在各层传热管内流动，若干传热管形成平面状的传热管排。若干个传热管排水平的浸泡在污水流道之间。通过间壁，制冷剂流道的传热管内的液态制冷剂与污水流道内的污水进行热交换，液态制冷剂受热升温，达到饱和温度后开始蒸发产生蒸汽，蒸汽继续加热，变成过热蒸汽。

制冷剂沿着制冷剂流道传热管的曲折流程流动过程中，不断地汽化，最后，制冷剂全部变成蒸汽，并通过制冷剂汽相口110流出蒸发器。

3，制冷剂在制冷剂流道内流动换热，流道截面积应该逐渐增大，这是因为制冷剂受热气化，流动的体积扩大，必须同时扩大流通面积，以限制流速和流动阻力。增大流道截面是通过增加制冷剂流道传热管数来实现的。例如，通过进口制冷剂首先进入一排的几根制冷剂传热管，经过封头和折流板，再进入更多传热管，最后一个流程的传热管数最多，以便完全汽化的制冷剂流速不会太高。

作为本发明壳管式污水－制冷剂相变换热器实施例，它用作干式蒸发器，制冷剂中的润滑油，可以随着管内制冷剂的高速流动，一起返回压缩机。因为，润滑油比氟利昂轻，当采用氟利昂作为制冷剂时，这几乎是唯一可以选择的形式，否则，润滑油很难分离出去。

需要说明的是，本图给出的结构，当它的进出口对调时，即它的汽相口110作为入口，液相口作为出口，它也可以用作制冷剂冷凝器。

它作为冷凝器时，制冷剂蒸汽从上方制冷剂汽相口110进入冷凝器，制冷剂蒸汽向污水传热，污水被加温，制冷剂凝结，液态的制冷剂从冷凝器下方的液相口100输出。

Claims (5)

1.一种壳管式污水－制冷剂相变换热器，所述壳管式污水－制冷剂相变换热器包括制冷剂流道、污水流道、壳体和底座，筒形的壳体水平设置，污水在壳体内的多层水平的污水流道中流动，制冷剂在壳体内的水平的传热管中流动，传热管外表面沉浸泡在污水流道中，污水和制冷剂之间通过传热管壁换热，其特征在于：在未经过换流室前，污水在水平污水流道中的流动方向与壳体轴线垂直。

2.按照权利要求1所述的壳管式污水－制冷剂相变换热器，其特征在于：

所述制冷剂流道，它包括：若干个传热管、两个管板、几个折流板、两个封头、液相口和汽相口；当壳管式污水－制冷剂相变换热器作为蒸发器时，液态制冷剂由液相口进入换热器的一侧封头，经过管板进入传热管，走过第一个流程，从传热管的另一端，经过管板，到达另一个封头内，受到折流板引导，制冷剂反向进入第二流程的传热管，液态制冷剂受热不断蒸发，往返经过多个流程，流经若干个传热管和多个折流板后，制冷剂完全蒸发成汽态，汽态制冷剂从汽相口流出；当壳管式污水－制冷剂相变换热器作为冷凝器时，汽态制冷剂由从汽相口进入换热器，往返经过多个流程，汽态制冷剂放热不断凝结，当制冷剂完全凝结成液态，从液相口流出。

3.按照权利要求1所述的壳管式污水－制冷剂相变换热器，其特征在于：

所述污水流道它包括：污水进口、污水通道、流道板、反流口、隔板、换流室和污水出口，在换热器壳体内，设有多层水平的流道板，它分别被放在一排排传热管的上面，当污水从污水进口流入换热器，就在流道板上的污水通道中流淌，形成污水的水平流道，流道板一端紧贴换热器壳体内壁，另一端与换热器壳体内壁有一距离，其间就是污水流道的反流口，污水向下流经反流口后，进入下一层反方向污水流道，每层污水流道的底面是流道板，顶面是传热管及传热管上一层流道板的下表面，左右是隔板或管板，污水流道高度为3-4厘米，宽度为几十厘米，截面呈扁平形状，当污水向下流到底部的换流室，绕过隔板，进入另一个从下向上的污水流道空间，当污水全部流过各个污水空间，从换热器的污水出口流出。

4.按照权利要求1或3所述的壳管式污水－制冷剂相变换热器，其特征在于：

所述壳体呈卧式圆筒状，它分为上下两半，即上壳体和下壳体，可拆卸，其间通过法兰连接后，两头各为圆形开口，两头开口分别与两端管板封头紧密配合，壳体内有污水流道和制冷剂流道，壳体上有污水的进出口。

5.按照权利要求1所述的壳管式污水－制冷剂相变换热器，其特征在于：

所述底座，设在换热器的底部，它由底板和两端的立板组成，底座的两块立板，分别支撑换热器两端的管板和封头，其间焊接连接，底座不与换热器的下壳体连接，底座不妨碍换热器下壳体的拆卸。