CN104344747B - 一种智能控制除垢的污水换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种污水换热器，所述换热器包括自动防垢装置，所述自动防垢装置包括控制系统和污垢厚度检测部分，厚度检测部分检测换热器壳体内部的结垢的厚度，并将检测的数值送到控制系统，控制系统根据检测的数据自动控制主机产生不同的超音频脉冲信号。本发明能够及时进行换热器的除垢，保证了换热器的高效的散热效率。

Description

一种智能控制除垢的污水换热器

技术领域

本发明属于换热器领域，尤其涉及一种智能除垢的污水换热器。

背景技术

城市污水(生活污水、生产废水、雨水等)，夏季温度为18-26℃，冬季温度为8-18℃，PH值一般为6-8，城市污水的数量非常巨大，在我们生产、生活、居住环境周围分布很广，其中含有非常多的低温热能，完全可以提取回收和再利用，不应白白丢弃掉。但是由于污水中存在的多种酸、碱、盐离子和其他有机杂质，在高热状态下很容易在其内壁形成结垢，垢层越积越厚，使热交换效率大大降低，对热能造成很大浪费。另外，结垢对热交换器的安全生产造成严重威胁。所以必须定期对热交换器和管道进行除垢。目前普遍采用的方法是人工或化学清洗。化学清洗是在循环和冷却水中加入化学试剂，通过化学反应将污垢剥离。这种方法的缺点是：①造成循环、冷却水的二次污染，②清洗成本高。人工清洗更是费工费时，且效率低下。

发明内容

本发明在于克服上述技术中存在的不足之处，提供一种智能除垢换热效率高的污水高效换热器。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种污水换热器，所述换热器包括壳体和和设置在壳体内的换热管；所述换热管包括弯管部分和直管部分，所述直管部分互相平行，所述弯管将相邻的直管部分连通起来以形成连通的一排蛇形管，所述直管部分为翅片管；所述换热器还包括自动防垢装置，所述自动防垢装置包括主机、换能器，主机通过电线与换能器相连，换能器是磁致伸缩换能器，换能器内部的传导杆上方安装有磁致伸缩组件，传导杆的外部包覆有屏蔽装置，换能器置于屏蔽外壳的外部并与磁化器相连，永磁铁通过固定装置设于屏蔽外壳的内部，磁化器固定在换热器壳体的外壁上。

优选的，自动防垢装置包括控制系统和污垢厚度检测部分，厚度检测部分检测换热器壳体内部的结垢的厚度，并将检测的数值送到控制系统，控制系统根据检测的数据自动控制主机产生不同的超音频脉冲信号。

优选的，例如当检测到低于第一厚度的时候，不启动主机，当检测高于第一厚度但是低于第二厚度的时候，启动主机，进行防垢工作，当检测到超过第二厚度时候，进行除垢工作。

优选的，所述翅片管包括圆形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片设置在基管的外部并且第一翅片和第二翅片的延长线相交于基管的圆心所在的基管的中心轴线，第一翅片和第二翅片沿着通过基管的中心轴线的第一平面镜像对称；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿着第二平面分别与第一翅片和第二翅片镜像对称，所述第二平面与第一平面垂直而且经过基管的中心轴线；所述第一翅片和第二翅片之间设置第一连接片，所述第三翅片和第四翅片之间设置第二连接片，第一连接片和第二连接片为直线型金属板；第一翅片、第三翅片与相邻翅片管的第三翅片和第四翅片形成空间；所述基管为直管，所述相邻的基管的中心轴线互相平行；

所述第一翅片和第二翅片之间的夹角为A，第一翅片和第二翅片的长度为L，基管的外半径为R，沿着基管轴向上的翅片长度与基管的长度相同，均为H，上述四者的关系满足如下公式：

Sin(A/2)＝a×ln(L/R)+b

H/L＝c×ln(Sin(A/2))-d

其中，A单位为角度，60°<A<130°,

Ln为对数函数；

L的尺寸为mm，27mm<L<50mm,

R的单位为mm，25mm<R<40mm,

H的单位为mm，400mm<H<1800mm,

10<H/L<55,0.7<L/R<2.5,

a、b、c、d为系数，a的范围为0.18-0.20，b的范围为0.60-0.70,c的范围为-150<c<-140，d的范围为10-12。

作为优选，其中a为0.188,b为0.65，c为-147，d为11。

与现有技术相比较，本发明的换热器具有如下的优点：

1)本发明提供了一种新的污水换热器，而且因为换热器可以布置更多的吸热翅片，因此具有很好的吸热效果，使得换热器的结构紧凑。

2)创造性的将封闭式翅片管应用于污水换热器，属于专用发明，即将空气对流的翅片管应用于污水管壳式换热器，并取得了很好的吸热效果。

3)本发明通过多次试验，得到一个污水换热器的最优的换热器翅片管优化结果，并且通过试验进行了验证，从而证明了结果的准确性。

4)通过多排换热管排列，可以使得换热管的翅片管的翅片互相紧密接触，从而使相邻翅片管之间形成空间，该空间可以满足足够多的冷源的充分流动。

5)本发明通过翅片管本身以及翅片管之间形成的空间，可以使得流体流速加快，从而减少沉积，减少结垢。

6)本发明设置自动防垢装置，能够自动进行防垢除垢。

附图说明

图1是管壳式污水换热器的截面示意图；

图2是图1污水换热器翅片管横截面的示意图；

图3是一个污水换热器翅片管沿管轴向切面局部示意图；

图4是管壳式污水换热器另一个实施例的示意图；

图5是两排换热管的示意图；

图6是本发明防垢装置例示意图；

图7是本发明防垢装置的局部示意图。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如图1所示，一种管壳式污水换热器，所述换热器包括壳体和换热管、污水入口6、污水出口5、冷水入口1和热水出口2，所述壳体内设置换热管，所述换热管为多排，所述每排换热管的两端分别从壳体的左端和右端伸出并分别与冷水入口1和热水出口2连通，所述换热管包括弯管部分4和直管部分3，所述直管部分3互相平行，所述弯管部分4将相邻的直管部分3连通起来以形成连通的一排蛇形管；所述污水入口6和污水出口5分别设置在壳体的上下两端，污水从污水入口6进入，在壳体内加热换热管中的水，然后从污水出口5流出。

如图2和3所示，直管部分为翅片管，所述翅片管包括圆形基管16和第一翅片14、第二翅片19，第一翅片14和第二翅片19设置在基管16的外部并且第一翅片14和第二翅片19的延长线相交于基管16的圆心，第一翅片14和第二翅片19沿着通过基管圆心的第一轴线B镜像对称；所述翅片管包括第三翅片15和第四翅片16，所述第三翅片15、第四翅片16沿着第二轴线B分别与第一翅片14和第二翅片19镜像对称，所述第二轴线B与第一轴线A垂直而且经过基管16的圆心；所述第一翅片14和第二翅片19之间设置第一连接片13，所述第三翅片15和第四翅片17之间设置第二连接片18，第一连接片13和第二连接片18为直线型金属板。

如图2所示，一排翅片管中，相邻的翅片管的第一连接片13互相连接，相邻的翅片管的第二连接片18也互相连接，通过这样设置，可以在相邻翅片管之间形成一个流体流动的空间，该空间可以使得污水在其中流动。

优选的，如图3所示，翅片的长度和直管的长度相同，即所有的直管部分都设置有封闭式翅片。

如图1所示，污水换热器中设置上集箱9和下集箱8，分别与污水入口和污水出口连接。在上集箱9中设置上管板10，在下集箱8中设置下管板7，上管板10和下管板7用于固定换热管。

优选的，上管板10和下管板7设置在换热管的直管部分3和弯管部分4的连接位置，这样可以保证直管部分设置在壳体内，保证设置更多的翅片。

优选的，管板上设置多个污水孔，用于保证污水进入壳体内进行换热。

作为优选，污水孔的形状以及位置与翅片管的形状和位置相对应。例如，如图所示，管板的形状和位置与翅片和基管形成的封闭空间以及两个翅片管之间形成的空间一一对应。这样能够保证污水能够顺利进行封闭空间进行换热，减少流动的阻力。

所述第一翅片和第二翅片之间的夹角为A，第一翅片和第二翅片的长度为L，基管的外半径为R，当然，因为镜像对称，第三翅片和第四翅片的长度也自然是L。但是在实践中发现，热交换过程中，如果翅片夹角过小，则会阻碍换热，因为翅片夹角过小的话，导致第一翅片和第二翅片的距离太近，靠的太近流动阻力增大，最终反而恶化换热,外翅片的优势发挥不出来，同样的原因，随着夹角的不断地增大，使得连接片距离基管的距离原来越近，也会导致换热的恶化，因此夹角具有一个最佳值。

对于翅片长度，如果太长，则因为基管的热量无法及时到达翅片的端部或者即使达到效果也不明显，如果太短，则扩展换热面积太小，无法达到一个好的换热效果，因此翅片的高度也有一个最佳值。

如图3所示，对于翅片沿着基管轴向上的高度H，也需要具有一个合适的数值，无论太高还是太低，都会导致换热的恶化，从而影响换热效果。

因此，本发明是通过多个不同尺寸的换热器的试验数据总结出的最佳的换热器的翅片管的尺寸关系。因为翅片管还有夹角A、翅片长度L、翅片高度H这三个变量，因此，引入两个无量纲量sin(A/2)、L/R、H/L，这里R是基管的半径，从换热效果中的散热量最大出发，计算了近200种形式。所述的尺寸关系如下：

所述第一翅片和第二翅片之间的夹角为A，第一翅片和第二翅片的长度为L，基管的外半径为R，沿着基管轴向上的翅片长度与基管的长度相同，均为H，上述四者的关系满足如下公式：

Sin(A/2)＝a×ln(L/R)+b

H/L＝c×ln(Sin(A/2))-d

其中，A单位为角度，60°<A<130°,

Ln为对数函数；

L的尺寸为mm，27mm<L<50mm,

R的单位为mm，25mm<R<40mm,

H的单位为mm，400mm<H<1800mm,

10<H/L<55,0.7<L/R<2.5,

a、b、c、d为系数，a的范围为0.18-0.20，b的范围为0.60-0.70,c的范围为-150<c<-140，d的范围为10-12。

作为优选，

其中a为0.188,b为0.65，c为-147，d为11。

与自然对流相比，因为管壳式换热器具有更高的流速，因此换热系数大，因此需要的翅片管的翅片长度比自然对流情况下要少。这样也可以满足污水换热，而且还可以节约材料和空间，达到更高的单位质量的换热量，达到更好的换热效果。这样也导致无法直接采用空气自然对流的最佳公式，必须进行重新计算和实验，因此上述公式也是本发明的一个主要发明点。

作为优选，所述基管的管外部设置防腐层，基管以及防腐层的热膨胀系数依次减小。之所以如此设置是因为在换热的过程中，基管的外部的防腐层先受热，先膨胀，然后依次向内是基管受热膨胀，因此从外向内两层膨胀次数依次减小可以保证膨胀率基本保持一致，保证各层连接的紧密性和稳定性。

如图4所示，作为优选，上集管的上部壁面呈倾斜设置，使得上集管内流体的流通面积沿着流体流动方向逐渐减小。这样可以保证污水在壳体内的分配比较均匀。

如图5所示，作为优选，相邻的两排换热管通过连接片连接在一起。当然图5只是示意性的显示了四个翅片管，实际上不限于四个翅片管。

作为优选，互相连接的两个连接片可以设置为一体结构，即两排间相连的翅片管可以公用一个连接片。

作为优选，上管板10和下管板7上设置供污水通过的多个孔，所述孔的形状为圆形、三角形或者四边形。其中上管板10的孔沿着距离污水入口6的距离越远，孔的分布密度越大和/或孔的流通面积越大，通过这样设置，可以使得保证更多的流体流向上集箱9的两侧，从而通过孔的面积或者密度分布来使的污水在整个壳体分布均匀。

作为优选，下管板7的孔分布与上管板10的分布相反，其中下管板7的孔沿着距离污水出口5的距离越远，孔的分布密度越小和/或孔的流通面积越小，通过这样设置，可以使得保证整个壳体内的压力平衡，使得污水能够分布整个壳体，避免出现短路现象。

作为优选，上管板10的孔的分布密度和/或流通面积与污水入口6的距离呈线型变化，其中最大密度是最小密度的1.4-1.5倍。最大的流通面积是最小的流通面积的的1.4-1.5倍。

作为优选，上管板10的孔的分布密度和/或流通面积与污水出口5的距离呈线型变化，其中最大密度是最小密度的1.2-1.3倍。最大的流通面积是最小的流通面积的的1.2-1.3倍。

上述的数据是通过多次试验得出的最佳的佳果。

根据一个优选的实施例，所述换热器还包括自动防垢装置，设有自动防垢装置在换热器的壳体上，图6、7展示了具有自动防垢除垢装置的第二个实施例。主机22通过电线20与换能器21相连，换能器21选用磁致伸缩换能器，换能器21内部的传导杆27上方安装有磁致伸缩组件28，传导杆27的外部包覆有屏蔽装置29，换能器21置于屏蔽外壳33的外部并与磁化器30相连，永磁铁31通过固定装置32设于屏蔽外壳33的内部，磁化器30通过外夹式安装固定在换热器壳体23的外壁上，即利用永磁铁31强磁的吸引力将磁化器30和换能器21牢牢吸附在换热器的壳体23上。

当换热器壳体内的水以一定速度流过时，切割磁化器30中的永磁铁31所产生的磁力线，即被磁化形成磁化水，磁化水通过结垢的管路时，对垢蚀进行分解，剥离及冲刷，从而达到除垢效果；同时，主机22产生高频声波，通过电线20传到换能器21上，再由吸附在壳体23外壁的换能器30将声波通过管壁传递给流动的循环水，超声波的振动作用于循环水中，产生空化效应，使金属管壁与循环水之间产生高速紊流，破坏垢类的生成和在管壁沉积的条件，起到防垢的作用，并且空化效应会产生能量巨大的冲击波，破坏碳化沉积物之间及碳化沉积物与金属管壁的牢固性，这种能量，使水垢、水、金属管壁随之振动，由于三者之间的频率响应不同，因此产生不同步的振动，形成垢层与管壁界面上的相对剪切力，对垢蚀产生软化、分解，即可达到除垢的效果。

优选的还可以包括控制系统和污垢厚度检测部分，厚度检测部分检测换热器壳体内部的结垢的厚度，并将检测的数值送到控制系统，控制系统根据检测的数据自动控制主机产生不同的超音频脉冲信号。

例如当检测到低于第一厚度的时候，不启动主机，当检测高于第一厚度但是低于第二厚度的时候，启动主机，进行防垢工作，当检测到超过第二厚度时候，进行除垢工作。一般来说，根据高频声波频率与换热器的频率的大小之间的关系来进行防垢和除垢，其中除垢工作的高频声波频率接近换热器的固有频率，从而容易形成共振。

实验证明，采用本发明的换热器实现了在无垢状态下工作，避免了因为结垢而导致的散热效率的下降，保证了换热器的高效的散热效率，无须对换热器进行停产清洗，节省了大量的水资源，避免了大量能源浪费，提高了热效率。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (2)

1.一种污水换热器，所述换热器包括壳体和和设置在壳体内的换热管；所述换热管包括弯管部分和直管部分，所述直管部分互相平行，所述弯管将相邻的直管部分连通起来以形成连通的一排蛇形管，所述直管部分为翅片管；

所述换热器还包括自动防垢装置，所述自动防垢装置包括主机、换能器，主机通过电线与换能器相连，换能器是磁致伸缩换能器，换能器内部的传导杆上方安装有磁致伸缩组件，传导杆的外部包覆有屏蔽装置，换能器置于磁化器屏蔽外壳的外部并与磁化器相连，永磁铁通过固定装置设于磁化器屏蔽外壳的内部，磁化器固定在换热器壳体的外壁上；

所述翅片管包括圆形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片设置在基管的外部并且第一翅片和第二翅片的延长线相交于基管的圆心所在的基管的中心轴线，第一翅片和第二翅片沿着通过基管的中心轴线的第一平面镜像对称；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿着第二平面分别与第一翅片和第二翅片镜像对称，所述第二平面与第一平面垂直而且经过基管的中心轴线；所述第一翅片和第二翅片之间设置第一连接片，所述第三翅片和第四翅片之间设置第二连接片，第一连接片和第二连接片为直线型金属板；第一翅片、第三翅片与相邻翅片管的第二翅片和第四翅片形成空间；所述基管为直管，所述相邻的基管的中心轴线互相平行；

所述第一翅片和第二翅片之间的夹角为A，第一翅片和第二翅片的长度为L，基管的外半径为R，沿着基管轴向上的翅片长度与基管的长度相同，均为H，上述四者的关系满足如下公式：

Sin(A/2)＝a×ln(L/R)+b

H/L＝c×ln(Sin(A/2))-d

其中，A单位为角度，60°<A<130°,

Ln为对数函数；

L的尺寸为mm，27mm<L<50mm,

R的单位为mm，25mm<R<40mm,

H的单位为mm，400mm<H<1800mm,

10<H/L<55,0.7<L/R<2.5,

a、b、c、d为系数，a的范围为0.18-0.20，b的范围为0.60-0.70,c的范围为-150<c<-140，d的范围为10-12。

2.如权利要求1所述的污水换热器，自动防垢装置包括控制系统和污垢厚度检测部分，厚度检测部分检测换热器壳体内部的结垢的厚度，并将检测的数值送到控制系统，控制系统根据检测的数据自动控制主机产生不同的超音频脉冲信号。