CN103185473A - 污水-制冷剂相变换热器 - Google Patents

Abstract

本发明给出一种污水-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。它由污水通道、制冷剂通道、箱体和底座组成。制冷剂通道包括：制冷剂进口、进口联箱、传热管、出口联箱和制冷剂出口。污水通道包括：污水进口、折流板、污水流道、折流口和污水出口，其中污水流道是由隔板、连板和传热管外表面围成。污水在箱体内的多层水平污水流道中流动，制冷剂在竖立的多排传热管排中流动，传热管排外表面沉浸在污水流道中，污水和制冷剂之间通过传热管壁换热，其特征在于：(1)污水流道的截面为长方形，其长边与地面垂直，短边与地面平行；(2)污水流道的长方形截面的短边长为3至4厘米。

Description

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一种污水-制冷剂相变换热器，它由污水通道、制冷剂通道、箱体和底座组成。 

制冷剂通道包括：制冷剂进口、进口联箱、传热管排、出口联箱和制冷剂出口。污水通道包括：污水进口、折流板、污水流道、折流口和污水出口。污水在箱体内的多层水平污水流道中流动，制冷剂在竖立的多排传热管排中流动，传热管排外表面在污水中，污水和制冷 剂之间通过传热管壁换热。 

污水流道的截面为长方形，其长边与地面垂直，短边与地面平行；污水流道的长方形截面的短边长为3至4厘米。 

所述制冷剂通道，它包括：制冷剂进口、进口联箱、传热管排、出口联箱和制冷剂出口，传热管排竖直沉浸在污水中，所有传热管排彼此平行，高度相等，长度相等，厚度相等，间距相等，制冷剂从制冷剂进口进入换热器，经过进口联箱，进入传热管排，在传热管排内流动过程中，通过管壁与污水换热，最后，通过传热管排的末端进入出口联箱，再通过制冷剂出口流出换热器。 

所述传热管排，它是由传热管和连接板构成，若干个传热管竖排并联，每两个相邻传热管之间，沿传热管轴线，有连接板将两个传热管固定，形成竖直平面的传热管排。 

所述污水通道，它包括：污水进口、折流板、污水流道、折流口和污水出口，污水从污水进口进入换热器，经过折流板，流入的水平的污水流道，在一个流道的末端，是折流口，污水从这里流入下一个反方向的污水流道，经过若干个流程之后，最后，污水从污水出口流出换热器。 

所述污水流道，它是由隔板和传热管排外表面围成水平的流道，传热管排竖直设置，它由传热管和连接板构成，隔板水平设置在传热管排之间，污水流道的左右为传热管排，污水流道的上下为隔板。 

所述箱体，它是污水-制冷剂相变换热器的六面体的外壳；箱体内部是污水流道和制冷剂传热管，箱体外表面上，有污水进出口和制冷剂进出口，箱体底部固定在底座上。 

本发明的优点是： 

1，本发明的污水-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，但由于传热管是竖立设置，同时，传热管与污水不相交，传热管表面很少积垢。流道隔板上少量积垢，对换热器性能没有影响。当流道隔板上积垢过多时，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是本发明污水-制冷剂相变换热器实施例之一的冷凝器结构图； 

图4是本发明污水-制冷剂相变换热器实施例之二的蒸发器结构图； 

图5是本发明污水-制冷剂相变换热器实施例的外形图。 

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。 

本发明污水-制冷剂相变换热器实施例是一个间壁式换热器，它主要由制冷剂流道和污水流道构成。

制冷剂流道是由竖放的成排的若干个传热管100及其间的连接板105构成。每相邻的两个传热管间有条形的连接板105，连接板105位于传热管100的轴线平面上，若干个传热管100及其间的连接板105构成传热管排。制冷剂在传热管内流动，它与管外的污水换热，可以是液态制冷剂被污水加热而蒸发，也可以是气态制冷剂向污水放热，而冷却凝结。在由传热管100和其间条形的连接板105构成的两个相邻传热管排之间，有水平的隔板220。在传热管排与水平的隔板220之间，就是水平的污水流道200。污水在污水流道200内水平的流动过程中，与竖放传热管100的制冷剂流道内的制冷剂进行热交换。 

由竖放的若干个传热管100连接而成的制冷剂流道，制冷剂在传热管100内上下流动过程中，与传热管外污水流道中的污水进行换热。当用作冷凝器时，制冷剂蒸汽在制冷剂流道中凝结成液态，此时，制冷剂是从上向下流动，同时凝结；当用作蒸发器时，液态制冷剂在制冷剂流道中蒸发成蒸汽，此时，制冷剂需要沿制冷剂流道上下折返流过多个流程。 

由若干个传热管100及其间的连接板105构成的传热管排，它的上下端部分别与制冷剂联箱相接，通过联箱，实现制冷剂在不同的传热管排中的交换、换向或变更流动截面等功能。 

图2给出了本发明污水-制冷剂相变换热器实施例的污水流道结构图。 

本发明污水-制冷剂相变换热器实施例的污水流道整体结构，污水在换热器污水流道200内流动。本图绘出了3层9孔的污水流道，水平每层3孔，上下共有3层。 

在换热器箱体内，设有许多水平的一端开口的流道的隔板220，它与制冷剂流道及箱体空间，构成污水的多个流道，使污水在换热器箱体内的流动过程是拐来拐去的。这些隔板220的一端开口，它的开口端与箱体间的流道叫做折流口250，折流口250的宽度距离不能小于6 厘米。隔板220的另一端与箱体搭接固定，与箱体之间搭接部分叫做折流板240。 

折流板240和折流口250，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100的换热系数。 

污水在换热器中的一种流动路径是：污水从污水进口210，进入换热器的污水管道200后，先后依次从左到右，流过最上层的3个污水流道，然后流过第二层3个污水流道，最后流过底层的3个污水流道，3层9孔的污水流道都流过，最后，从污水出口230流出换热器。 

污水在换热器中的另一种流动路径是：污水从污水进口210，进入换热器的污水管道200后，先后依次从上到下，流过第一竖排的3个污水流道，然后从下到上流过第二竖排3个污水流道，最后从上到下，流过第三竖排的3个污水流道，3层9孔的污水流道都流过，最后，从污水出口230流出换热器。 

从污水流道200的流动截面可以看出，污水在进行水平的流动，流道截面的宽度小，通常仅为3-4厘米，而高度大，可以为500-600厘米，是一个扁形的传热流道，它的好处在于：对于污水而言，污垢即使沉积，也只能积聚在较小的底面上，而很大的侧面不会被积垢影响换热。 

作为污水换热器，既要考虑强度，还要考虑抗腐蚀。箱体205、隔板220、折流板240、污水进口210和污水出口230，都要进行防腐处理，比如电镀。箱体205厚度不能小于4厘米，隔板220和折流板240的厚度不能小于3厘米。 

图3给出了本发明污水-制冷剂相变换热器实施例之一的冷凝器结构图。 

本发明污水-制冷剂相变换热器实施例之一的冷凝器结构，它包括两部分：污水通道和制冷剂通道。 

污水通道包括：污水进口、折流板240、污水流道200、折流口250和污水出口。 

制冷剂通道包括：制冷剂进口110、制冷剂进口联箱120、传热管排、制冷剂出口联箱130和制冷剂出口140。 

污水从污水进口进入换热器后，经过折流板240，水平地流过污水流道200。污水流道200的上下是隔板220，左右是传热管100和连接板105。污水在经过折流板240、污水流道200和折流口250后，反向流入下一层的污水流道。每个污水道截面宽度3-4厘米，高度根据流量选取，通常为500-600厘米。通过污水泵进入污水换热器或冷凝器的污水，在这样的污水流道内流动，不会发生堵塞。 

在制冷剂通道内，制冷剂流通过程如下： 

1，作为制冷剂冷凝器，汽态制冷剂进口110在冷凝器上方，冷凝后的液态制冷剂出口140在冷凝器下方； 

2，汽态制冷剂从进口110和制冷剂进口联箱120，进入制冷剂流道传热管排。传热管排是由传热管100和连接板105构成，若干个传热管100竖排并联，每两个相邻传热管之间，有连接板105沿传热管轴线固定，形成传热管排，它浸泡在污水流道之间。制冷剂流道传热管100内的制冷剂蒸汽与污水流道200内的污水进行热交换，制冷剂蒸汽降温凝结，液态制冷剂沿着制冷剂流道传热管100内表面向下流动。 

3，制冷剂流道传热管100内凝结得到的液态制冷剂，流入制冷剂出口联箱130，然后通过制冷剂出口140流出。 

需要说明的是，本图给出的结构，当它的进出口对调时，它也可以用作污水-制冷剂蒸发器。 

图4给出了本发明污水-制冷剂相变换热器实施例之二的蒸发器结构图。 

本发明污水-制冷剂相变换热器实施例之二的蒸发器结构，它包括两部分：污水通道和制冷剂通道。 

污水通道包括：污水进口、折流板、污水流道200、折流口和污水出口。 

制冷剂通道包括：制冷剂进口110、制冷剂进口联箱120、传热管排、制冷剂出口联箱130和制冷剂出口140。 

污水在污水通道中流动，水平地流过污水流道200。污水流道200的上下是隔板220，左右是制冷剂流道的传热管100和连接板。经过折流板、污水流道200和折流口，反向流入下一层的污水流道。每个污水道截面宽度3-4厘米，高度根据流量选取，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。 

制冷剂通道内，制冷剂流通过程如下： 

1，作为制冷剂蒸发器，液态的制冷剂从制冷剂进口110进入蒸发器，蒸发产生的汽态制冷剂，通过制冷剂出口140流出蒸发器； 

2，液态的制冷剂从制冷剂进口110和制冷剂进口联箱120，进入制冷剂流道传热管100。每两个相邻的传热管100之间，有连接板连接，形成平面状的传热管排。若干个传热管排平行竖立，它浸泡在污水流道之间。通过间壁，制冷剂流道传热管100内的液态制冷剂与污水流道200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100及多个中间联箱的上下曲折流程流动过程中，不断地汽化，最后到达制冷剂出口联箱130时，已经全部变成蒸汽，并通过制冷剂出口140流出。 

3，制冷剂在制冷剂流道传热管100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排的排数来实现的。例如，通过进口联箱120的制冷剂首先进入两排制冷剂传热管排，经过下联箱，到达上联箱后，再进入三排传热管排，最后是四排制冷剂传热管排的制冷剂流入制冷剂出口联箱130。 

作为本发明污水-制冷剂相变换热器实施例之二，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。 

为了防止污水对换热器的腐蚀，对箱体、折流板的两侧表面，制冷剂流道的内外表面，都要进行表面处理。可以电镀耐蚀金属，比如：铬、镍。 

需要说明的是，本图给出的结构，当它的进出口对调时，它也可以用作污水-制冷剂冷凝器。 

图5给出了本发明污水-制冷剂相变换热器实施例的外形图。 

本发明污水-制冷剂相变换热器实施例之一的冷凝器的外形结构，它是六面形的箱体。 

它作为冷凝器，制冷剂蒸汽从上方制冷剂进口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态制冷剂出口140输出。 

污水从污水进口210进入冷凝器，污水水平地流过多流程后，从下方的污水出口230流出。 

在冷凝器上设有前污水门310和后污水门320，它们分别挡在污水流道的前后端部。前后两个污水门打开后，全部污水流道通透暴露出来，便于查看和清理污水流道。 

在冷凝器的底部设有整体的底座330。 

Claims (6)

1.一种污水-制冷剂相变换热器，它由污水通道、制冷剂通道、箱体和底座组成，制冷剂通道包括：制冷剂进口、进口联箱、传热管、出口联箱和制冷剂出口，污水通道包括：污水进口、折流板、污水流道、折流口和污水出口；污水在箱体内的多层水平污水流道中流动，制冷剂在竖立的多排传热管排中流动，传热管排外表面沉浸在污水流道中，污水和制冷剂之间通过传热管壁换热，其特征在于：

(1)污水流道的截面为长方形，其长边与地面垂直，短边与地面平行；

(2)污水流道的长方形截面的短边长为3至4厘米。

2.按照权利要求1所述的污水-制冷剂相变换热器，其特征在于：

所述制冷剂通道，它包括：制冷剂进口、进口联箱、传热管排、出口联箱和制冷剂出口，传热管排竖直沉浸在污水流道中，所有传热管排彼此平行，高度相等，长度相等，厚度相等，制冷剂从制冷剂进口进入换热器，经进口联箱，进入传热管排，在传热管排内流动过程中，通过管壁与污水换热，最后，通过传热管排的末端进入出口联箱，再通过制冷剂出口流出换热器。

3.按照权利要求2所述的污水-制冷剂相变换热器，其特征在于：

所述传热管排，它是由传热管和连接板构成，若干个传热管竖排并联，每两个相邻传热管之间，沿传热管轴线，有连接板将两个传热管固定，形成竖直平面的多个传热管排，全部传热管排彼此平行，间距相同，它们浸泡在污水流道之间，传热管内的制冷剂与污水流道内的污水进行热交换。

4.按照权利要求1所述的污水-制冷剂相变换热器，其特征在于：

所述污水通道，它包括：污水进口、折流板、污水流道、折流口和污水出口，污水从污水进口进入，经过折流板，流入换热器的水平的污水流道，在一个流道的末端，是一个折流口，污水从这里流入下一个反方向的污水流道，经过若干个流程之后，最后，污水从污水出口流出换热器。

5.按照权利要求1所述的污水-制冷剂相变换热器，其特征在于：

所述污水流道，它是由隔板和传热管排外表面围成水平的流道，传热管排竖直设置，它由传热管和连接板构成，隔板水平设置在传热管排之间，污水流道的左右为传热管排，污水流道的上下为隔板。

6.按照权利要求1所述的污水-制冷剂相变换热器，其特征在于：

所述箱体，它是污水-制冷剂相变换热器的六面体的外壳；箱体内部是污水流道和制冷剂传热管，箱体外表面上，有污水进出口和制冷剂进出口；箱体用碳钢板做成，箱体厚度不能小于4厘米，箱体内外表面进行防腐蚀处理。

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