CN103836844B - 一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器，它涉及污水一种污水换热器。本发明的目的是要解决现有污水换热器存在结构复杂，换热管易阻塞，拆装清洗污垢耗时耗工，能量损失大和成本高的问题。一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器包括换热管壳、污水入口、排污管、回流管、溢流管、换热管和开口；污水入口与换热管壳的圆柱桶侧壁上部连通，排污管上端与换热管壳的圆锥头连通，排污管的下端与回流管连通，溢流管从换热管壳的圆柱桶顶端中间穿出，溢流管的上出口与导管的一端连通，溢流管的下入口低于污水入口，下入口与换热管壳连通，导管的另一端与回流管入口连通。本发明可获得一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器。

Description

一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器

技术领域

本发明涉及一种污水换热器。

背景技术

污水源热泵利用污水作为热源，具有较好的经济性、环保性，但污水容易造成污水源热泵换热器的腐蚀和结垢，大大降低了污水换热器的换热效果，目前河水源热泵、海水源热泵、湖水源热等水源热泵都存在同样的问题。现有的污水如海水、湖水、河水等污水的换热器存在以下问题：①结构复杂、换热管易阻塞；②通过拆装来清洗污垢不方便、耗时耗工多、增加了高额的人工费用；③循环水或制冷剂走壳程、污水走管程，造成管壳式换热器与环境温差大，能量损失大；④换热器材质采用不锈钢，不锈钢比铜容易结垢，且热传导率比铜低；⑤换热管采用直管，直管换热器的传热特性不太好，且空间利用率低、自由膨胀性也较差；⑥某些换热器中通过设置诸如毛刷等清洁污垢的工具，减少了拆装管壳式换热器的次数，但是由于毛刷使用一段时间后需要更换，所以还是无法回避拆装管壳式换热器；⑦一般的换热器中制冷剂和水的流速都较低，容易形成层流底流，而研究表明：在湍流流动中，影响对流传热过程的主要热阻不是来自流体内部的热交换，而是来自流体与固体壁之间附面层的传热热阻，尤其是其层流底流，约占传热热阻的60％～80％。

因此，现有污水换热器存在结构复杂，换热管易阻塞、拆装清洗污垢耗时耗工，能量损失大和成本高的问题。

发明内容

本发明的目的是要解决现有污水换热器存在结构复杂，换热管易阻塞，拆装清洗污垢耗时耗工，能量损失大和成本高的问题，而提供一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器。

一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器包括污水入口、圆柱桶、圆锥头、排污管、导管、回流管、回流管入口、回流管出口、溢流管、溢流管上出口、溢流管下入口、圆锥头底部的开口、第一直流换热管、螺旋换热管、第二直流换热管和圆柱桶侧壁上的开口；

所述的换热管壳由圆柱桶和圆锥头焊接成相通的空腔密闭管壳，污水入口与换热管壳的圆柱桶侧壁上部连通，排污管上端与换热管壳的圆锥头连通，排污管的下端与回流管连通，溢流管从换热管壳的圆柱桶顶端中间穿出，溢流管上出口与导管的一端连通，溢流管下入口低于污水入口，溢流管下入口与换热管壳连通，导管的另一端与回流管入口连通，第一直流换热管从位于圆锥头底部的开口进入换热管壳中，沿换热管壳的轴心线向上至污水入口的水平轴心线处，然后以换热管壳的轴心线为轴心线向下盘旋至圆锥头的底部，形成螺旋换热管，然后再沿换热管壳的轴心线向上形成第二直流换热管，第二直流换热管从位于圆柱桶侧壁上的开口穿出。

本发明一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器的工作原理：

污水从污水入口切向进入换热管壳，在换热管壳内高速旋转而下，污杂物被惯性离心力摔至换热管壳内壁，污水至圆锥头底部后分两支，一支含有较多污杂物的部分污水直接进入排污管；另一支初步去污后的污水反转向上，从溢流管上出口流出，通过导管再进入回流管入口，由于回流管中水头较小，在压差作用下回流污水引射第一支进入排污管的污水，一起从回流管出口排出；

制冷剂通过圆锥头底部的开口处的第一直流换热管的一端进入第一直流换热管，直流向上，然后由螺旋换热管旋流向下，再经过第二直流换热管，最后通过圆柱桶侧壁上的开口处的第二直流换热管流出，在此过程中，第一直流换热管、螺旋换热管和第二直流换热管中的制冷剂与换热管壳中的污水以及污水中所含杂质进行换热。

综上，由于污水与换热管壳的对流、辐射和污杂物颗粒与壁面的碰撞传热，使与污水的余热或余冷传递给在第一直流换热管、螺旋换热管和第二直流换热管中流动的制冷剂。

本发明可获得一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器。

采用本发明一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器包含以下有益效果：

一、本发明将除污功能与污水能量利用功能有机结合在了一体，实现了除污、换热一体化，从而节省了设备投资；

二、本发明利用旋流技术增加了污水的流速，大幅度的增加了湍流，减少甚至一定程度上消除了层流，从而大幅度的减小了传热热阻，促进了污水和制冷剂之间的热量传递，能量损失小；

三、本发明污水中混有的固体杂物在离心力的作用下会不断撞击旋流换热管束外壁，旋流换热管束外壁上由于长时间使用结的污垢受到周期性的碰撞应力作用，在疲劳机制下，垢层上逐渐产生裂纹，直至脱落进入主流中；

四、本发明污水中混有的固体杂物对垢层的随机碰撞，阻止污垢物质沉积到螺旋换热管外壁以及污垢物质在螺旋换热管外壁上的生长，从而有效除去螺旋换热管外壁上沉积的污垢或控制其污垢厚度，使原生污水液固暂离旋流管壳式换热器的换热系数维持在一个可接受的范围内而不需清垢，同时固体粒子在随污水的运动中不断穿过流动边界层，强化换热；

五、本发明采用薄壁材料铜或者无缝钢管来加工螺旋换热管，铜管可以有效提高原生污水液固暂离旋流管壳式换热器的换热性能且不易结垢而无缝钢管不易生锈，利用换热；

六、本发明循环水或制冷剂走管程、污水走壳程，造成管壳式换热器与环境温差小，能量损失小；

七、本发明在污水侧巧妙地利用了液固两相流与固体壁面之间的换热系数比纯液体与固体壁面之间的换热系数大得多的原理，提高了污水侧的换热系数；

八、本发明对大水量及大制冷剂量可以采用两个或两个以上的原生污水液固暂离旋流管壳式换热器并联使用，对水中杂物粒度分布宽的污水可采用两级或两级以上的此类换热器串联使用；

九、本发明余热或余冷的利用率为30％～50％。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的原生污水液固暂离旋流管壳式换热器的结构示意图；1为污水入口，2为圆柱桶，3为圆锥头，4为排污管，5为导管，6为回流管，6-1为回流管入口，6-2为回流管出口，8为溢流管，8-1为溢流管上出口，8-2为溢流管下入口，9为圆锥头底部的开口，10为第一直流换热管，11为螺旋换热管，12为第二直流换热管，13为圆柱桶侧壁上的开口。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1对具体实施方式作进一步说明：

本实施方式一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器包括污水入口1、圆柱桶2、圆锥头3、排污管4、导管5、回流管6、回流管入口6-1、回流管出口6-2、溢流管8、溢流管上出口8-1、溢流管下入口8-2、圆锥头底部的开口9、第一直流换热管10、螺旋换热管11、第二直流换热管12和圆柱桶侧壁上的开口13；

所述的换热管壳由圆柱桶2和圆锥头3焊接成相通的空腔密闭管壳，污水入口1与换热管壳的圆柱桶2侧壁上部连通，排污管4上端与换热管壳的圆锥头3连通，排污管4的下端与回流管6连通，溢流管8从换热管壳的圆柱桶2顶端中间穿出，溢流管上出口8-1与导管5的一端连通，溢流管下入口8-2低于污水入口1，溢流管下入口8-2与换热管壳连通，导管5的另一端与回流管入口6-1连通，第一直流换热管10从位于圆锥头底部的开口9进入换热管壳中，沿换热管壳的轴心线向上至污水入口1的水平轴心线处，然后以换热管壳的轴心线为轴心线向下盘旋至圆锥头3的底部，形成螺旋换热管11，然后再沿换热管壳的轴心线向上形成第二直流换热管12，第二直流换热管12从位于圆柱桶侧壁上的开口13穿出。

图1是具体实施方式一所述的原生污水液固暂离旋流管壳式换热器的主视图，1为污水入口，2为圆柱桶，3为圆锥头，4为排污管，5为导管，6为回流管，6-1为回流管入口，6-2为回流管出口，8为溢流管，8-1为溢流管上出口，8-2为溢流管下入口，9为圆锥头底部的开，10为第一直流换热管，11为螺旋换热管，12为第二直流换热管，13为圆柱桶侧壁上的开口。

本实施方式一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器的工作原理：

污水从污水入口1切向进入换热管壳，在换热管壳内高速旋转而下，污杂物被惯性离心力摔至换热管壳内壁，污水至圆锥头3底部后分两支，一支含有较多污杂物的部分污水直接进入排污管4；另一支初步去污后的污水反转向上，从溢流管上出口8-1流出，通过导管5再进入回流管入口6-1，由于回流管6中水头较小，在压差作用下回流污水引射第一支进入排污管4的污水，一起从回流管出口6-2排出；

制冷剂通过圆锥头底部的开口9处的第一直流换热管10的一端进入第一直流换热管10，直流向上，然后由螺旋换热管11旋流向下，再经过第二直流换热管12，最后通过圆柱桶侧壁上的开口13处的第二直流换热管12流出，在此过程中，第一直流换热管10、螺旋换热管11和第二直流换热管12中的制冷剂与换热管壳中的污水以及污水中所含杂质进行换热。

综上，由于污水与换热管壳的对流、辐射和污杂物颗粒与壁面的碰撞传热，使与污水的余热或余冷传递给在第一直流换热管10、螺旋换热管11和第二直流换热管12中流动的制冷剂。

本实施方式可获得一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器。

采用本实施方式一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器包含以下有益效果：

一、本实施方式将除污功能与污水能量利用功能有机结合在了一体，实现了除污、换热一体化，从而节省了设备投资；

二、本实施方式利用旋流技术增加了污水的流速，大幅度的增加了湍流，减少甚至一定程度上消除了层流，从而大幅度的减小了传热热阻，促进了污水和制冷剂之间的热量传递，能量损失小；

三、本实施方式污水中混有的固体杂物在离心力的作用下会不断撞击旋流换热管束外壁，旋流换热管束外壁上由于长时间使用结的污垢受到周期性的碰撞应力作用，在疲劳机制下，垢层上逐渐产生裂纹，直至脱落进入主流中；

四、本实施方式污水中混有的固体杂物对垢层的随机碰撞，阻止污垢物质沉积到螺旋换热管外壁以及污垢物质在螺旋换热管外壁上的生长，从而有效除去螺旋换热管外壁上沉积的污垢或控制其污垢厚度，使原生污水液固暂离旋流管壳式换热器的换热系数维持在一个可接受的范围内而不需清垢，同时固体粒子在随污水的运动中不断穿过流动边界层，强化换热；

五、本实施方式采用薄壁材料铜或者无缝钢管来加工螺旋换热管，铜管可以有效提高原生污水液固暂离旋流管壳式换热器的换热性能且不易结垢而无缝钢管不易生锈，利用换热；

六、本实施方式循环水或制冷剂走管程、污水走壳程，造成管壳式换热器与环境温差小，能量损失小；

七、本实施方式在污水侧巧妙地利用了液固两相流与固体壁面之间的换热系数比纯液体与固体壁面之间的换热系数大得多的原理，提高了污水侧的换热系数；

八、本实施方式对大水量及大制冷剂量可以采用两个或两个以上的原生污水液固暂离旋流管壳式换热器并联使用，对水中杂物粒度分布宽的污水可采用两级或两级以上的此类换热器串联使用；

九、本实施方式余热或余冷的利用率为30％～50％。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述的换热管壳的材质为铜。其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述的排污管4的材质为铜。其他步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述的第一直流换热管10的材质为铜。其他步骤与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：所述的导管5的材质为铜。其他步骤与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：所述的排污管4与回流管6的夹角为30°～50°。其他步骤与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二不同点是：所述的铜的厚度为1mm～2mm。其他步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三不同点是：所述的铜的厚度为1mm～2mm。其他步骤与具体实施方式三相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四不同点是：所述的铜的厚度为1mm～2mm。其他步骤与具体实施方式四相同。

采用以下试验验证本发明的有益效果：

试验一：污水从污水入口1切向进入换热管壳，在换热管壳内高速旋转而下，污杂物被惯性离心力摔至换热管壳内壁，污水至圆锥头3底部后分两支，一支含有较多污杂物的部分污水直接进入排污管4；另一支初步去污后的污水反转向上，从溢流管上出口8-1流出，通过导管5再进入回流管入口6-1，由于回流管6中水头较小，在压差作用下回流污水引射第一支进入排污管4的污水，一起从回流管出口6-2排出；

制冷剂通过圆锥头底部的开口9处的第一直流换热管10的一端进入第一直流换热管10，直流向上，然后由螺旋换热管11旋流向下，再经过第二直流换热管12，最后通过圆柱桶侧壁上的开口13处的第二直流换热管12流出，在此过程中，第一直流换热管10、螺旋换热管11和第二直流换热管12中的制冷剂与换热管壳中的污水以及污水中所含杂质进行换热；

试验一中污水为生活污水；

试验一中第一直流换热管10、螺旋换热管11和第二直流换热管12中的制冷剂为R134a。

试验一由于污水与换热管壳的对流、辐射和污杂物颗粒与壁面的碰撞传热，污水的余热传递给在第一直流换热管10、螺旋换热管11和第二直流换热管12中流动的制冷剂。

试验一污水余热的利用率为45％。

试验二：污水从污水入口1切向进入换热管壳，在换热管壳内高速旋转而下，污杂物被惯性离心力摔至换热管壳内壁，污水至圆锥头3底部后分两支，一支含有较多污杂物的部分污水直接进入排污管4；另一支初步去污后的污水反转向上，从溢流管上出口8-1流出，通过导管5再进入回流管入口6-1，由于回流管6中水头较小，在压差作用下回流污水引射第一支进入排污管4的污水，一起从回流管出口6-2排出；

制冷剂通过圆锥头底部的开口9处的第一直流换热管10的一端进入第一直流换热管10，直流向上，然后由螺旋换热管11旋流向下，再经过第二直流换热管12，最后通过圆柱桶侧壁上的开口13处的第二直流换热管12流出，在此过程中，第一直流换热管10、螺旋换热管11和第二直流换热管12中的制冷剂与换热管壳中的污水以及污水中所含杂质进行换热；

试验二中污水为生活污水；

试验二中第一直流换热管10、螺旋换热管11和第二直流换热管12中的制冷剂为R134a。

试验二由于污水与换热管壳的对流、辐射和污杂物颗粒与壁面的碰撞传热，污水的余冷传递给在第一直流换热管10、螺旋换热管11和第二直流换热管12中流动的制冷剂。

试验二污水余冷的利用率为42％。

Claims (9)

1.一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器，其特征在于一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器包括污水入口(1)、圆柱桶(2)、圆锥头(3)、排污管(4)、导管(5)、回流管(6)、回流管入口(6-1)、回流管出口(6-2)、溢流管(8)、溢流管上出口(8-1)、溢流管下入口(8-2)、圆锥头底部的开口(9)、第一直流换热管(10)、螺旋换热管(11)、第二直流换热管(12)和圆柱桶侧壁上的开口(13)；

所述的换热管壳由圆柱桶(2)和圆锥头(3)焊接成相通的空腔密闭管壳，污水入口(1)与换热管壳的圆柱桶(2)侧壁上部连通，排污管(4)上端与换热管壳的圆锥头(3)连通，排污管(4)的下端与回流管(6)连通，溢流管(8)从换热管壳的圆柱桶(2)顶端中间穿出，溢流管上出口(8-1)与导管(5)的一端连通，溢流管下入口(8-2)低于污水入口(1)，溢流管下入口(8-2)与换热管壳连通，导管(5)的另一端与回流管入口(6-1)连通，第一直流换热管(10)从位于圆锥头底部的开口(9)进入换热管壳中，沿换热管壳的轴心线向上至污水入口(1)的水平轴心线处，然后以换热管壳的轴心线为轴心线向下盘旋至圆锥头(3)的底部，形成螺旋换热管(11)，然后再沿换热管壳的轴心线向上形成第二直流换热管(12)，第二直流换热管(12)从位于圆柱桶侧壁上的开口(13)穿出。

2.根据权利要求1所述的一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器，其特征在于所述的换热管壳的材质为铜。

3.根据权利要求1所述的一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器，其特征在于所述的排污管(4)的材质为铜。

4.根据权利要求1所述的一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器，其特征在于所述的第一直流换热管(10)的材质为铜。

5.根据权利要求1所述的一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器，其特征在于所述的导管(5)的材质为铜。

6.根据权利要求1所述的一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器，其特征在于所述的排污管(4)与回流管(6)的夹角为30°～50°。

7.根据权利要求2所述的一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器，其特征在于所述的铜的厚度为1mm～2mm。

8.根据权利要求3所述的一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器，其特征在于所述的铜的厚度为1mm～2mm。

9.根据权利要求4所述的一种原生污水液固暂离旋流管壳式换热器，其特征在于所述的铜的厚度为1mm～2mm。