CN104729150A - 一种多管束旋流管喷射式污水壳管式换热器 - Google Patents

一种多管束旋流管喷射式污水壳管式换热器 Download PDF

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Abstract

一种多管束旋流管喷射式污水壳管式换热器，它涉及一种壳管式换热器，以解决现有污水换热器易结垢、除污困难、易堵塞和流体的流速较低，容易形成层流底流，流体与固体壁之间的传热热阻较大，换热效果差的问题，它包括污水入口管、喷射器、固液回流管、污水出口管、冷剂入口管、冷剂出口管、壳体、固液分离端头、端盖、填料口管、分布板、多根一级旋流管、多根连接管、多根二级旋流管、多个折流板和多个固体粒子；一级旋流管、二级旋流管和连接管数量相一致；一级旋流管和二级旋流管结构相同，一级旋流管和二级旋流管均由制成一体的进水管、圆柱管和圆锥管组成；多根一级旋流管和多根二级旋流管通过多个折流板支撑固定。本发明用于污水源热泵。

Description

一种多管束旋流管喷射式污水壳管式换热器
技术领域
本发明涉及一种壳管式换热器，属于污水源热泵换热技术领域。
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(河水源热泵、海水源热泵、湖水源热泵等几乎所有水源热泵也都存在同样的问题)。现有的污水(或海水、湖水、河水等各种水)换热器一般都存在以下问题：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(或海水、湖水、河水等各种水)走管程，造成管壳式换热器与环境温差大，热量(冬季为热量、夏季为冷量)损失大。4、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。5、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。
一般的换热器的制冷剂如各种水的流速都较低，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％。
发明内容
本发明是为解决现有污水换热器易结垢、除污困难、易堵塞和流体的流速较低，容易形成层流底流，流体与固体壁之间的传热热阻较大，换热效果差的问题，进而提供一种多管束旋流管喷射式污水壳管式换热器。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的一种多管束旋流管喷射式污水壳管式换热器包括污水入口管、喷射器、固液回流管、污水出口管、冷剂入口管、冷剂出口管、壳体、固液分离端头、端盖、填料口管、分布板、多根一级旋流管、多根连接管、多根二级旋流管、多个折流板和多个固体粒子；壳体的两端分别连接有固液分离端头和端盖，分布板设置在壳体内，位于分布板与端盖之间的壳体的上部设置有冷剂入口管和冷剂出口管，位于冷剂入口管下方的壳体上布置有喷射器，喷射器的入口设置有污水入口管，固液分离端头的上部设置有污水出口管，固液分离端头的下部设置有与喷射器连通的固液回流管，固液分离端头和分布板之间形成的空腔内装有固体粒子，喷射器内装有固体粒子；固液分离端头与分布板围成一个固液分离腔，壳体、端盖及分布板围成一个换热腔，换热腔内竖直设置有与壳体固接的多个折流板，相邻两个折流板呈上下交替设置；
一级旋流管、二级旋流管和连接管数量相一致；一级旋流管和二级旋流管结构相同；一级旋流管和二级旋流管均主要由制成一体的进水管、圆柱管和圆锥管组成；圆柱管的一端连接有切向设置的进水管，圆柱管的另一端连接圆锥管的大直径端，且圆柱管的内径与圆锥管的大直径端的内径相同；
多根一级旋流管布置在壳体的水平中截面的下方，多根二级旋流管布置在壳体的水平中截面的上方，多根一级旋流管和多根二级旋流管通过多个折流板支撑固定，每根一级旋流管的圆锥管的小直径端通过连接管与相对应的二级旋流管的进水管连通，多根一级旋流管的进水管与喷射器的出口连通，多根二级旋流管的圆锥管与固液分离腔连通。
本发明的有益效果是：1、本发明是一种以固体颗粒喷射回流和固液流态化为原理并利用串联的细长型旋流管(去掉溢流管的旋流分离器)来强化换热的多管束旋流管喷射式污水壳管式换热器。该多管束旋流管污水壳管式换热器能够加大固体颗粒回流量，自动连续清污并限制污垢的生长，利用旋流技术增加了污水(或海水、湖水、河水等各种水)的流速，改变了传统换热器中污水的流向，大幅度的增加了湍流，减少甚至一定程度上消除了层流，从而大幅度的减低了传热热阻，促进了污水(或海水、湖水、河水等各种水)和制冷剂之间的热量传递，同时旋流的使用促进了固体粒子的循环流动，减少甚至消除了固体粒子在换热管中的沉积；2、污水(或海水、湖水、河水等各种水)中混有的固体杂物在离心力的作用下会不断撞击一级旋流管和二级旋流管的内壁，旋流管内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；3、污水(或海水、湖水、河水等各种水)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壁面以及污垢物质在壁面上的生长，从而有效除去换热壁面上沉积的污垢或控制其污垢厚度，使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。4、在污水(或海水、湖水、河水等各种水)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，提高了污水污水(或海水、湖水、河水等各种水)侧的换热系数；5、设备操作简单，能够自动连续清污并限制污垢的生长，且能强化换热。本发明的多管束旋流管喷射式污水壳管式换热器是一种可以有效强化换热并大幅度延缓结垢周期自除垢的高效换热器。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，图2是一级旋流管或二级旋流管的结构示意图，图3是图2中的进水管和圆柱管的布置示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图3说明，本实施方式的一种多管束旋流管喷射式污水壳管式换热器包括污水入口管1、喷射器2、固液回流管7、污水出口管9、冷剂入口管10、冷剂出口管11、壳体13、固液分离端头14、端盖15、填料口管16、分布板17、多根一级旋流管3、多根连接管4、多根二级旋流管5、多个折流板12和多个固体粒子8；壳体13的两端分别连接有固液分离端头14和端盖15，分布板17设置在壳体13内，位于分布板17与端盖15之间的壳体13的上部设置有冷剂入口管10和冷剂出口管11，位于冷剂入口管10下方的壳体13上布置有喷射器2，喷射器2的入口设置有污水入口管1，固液分离端头14的上部设置有污水出口管9，固液分离端头14的下部设置有与喷射器17连通的固液回流管7，固液分离端头14和分布板17之间形成的空腔内装有固体粒子8，喷射器2内装有固体粒子8；固液分离端头14与分布板17围成一个固液分离腔，壳体13、端盖15及分布板17围成一个换热腔，换热腔内竖直设置有与壳体13固接的多个折流板12，相邻两个折流板12呈上下交替设置；
一级旋流管3、二级旋流管5和连接管4数量相一致；一级旋流管3和二级旋流管5结构相同；一级旋流管3和二级旋流管5均主要由制成一体的进水管A、圆柱管B和圆锥管C组成；圆柱管B的一端连接有切向设置的进水管A，圆柱管B的另一端连接圆锥管C的大直径端，且圆柱管B的内径与圆锥管C的大直径端的内径相同；
多根一级旋流管3布置在壳体13的水平中截面的下方，多根二级旋流管5布置在壳体13的水平中截面的上方，多根一级旋流管3和多根二级旋流管5通过多个折流板12支撑固定，每根一级旋流管3的圆锥管C的小直径端通过连接管4与相对应的二级旋流管5的进水管A连通，多根一级旋流管3的进水管A与喷射器2的出口连通，多根二级旋流管5的圆锥管C与固液分离腔连通。
本实施方式的换热器的固液分离端头14上设有填料口管16，固液分离端头14的固液分离腔内布置有固体粒子8；喷射器2的出口内布置有固体粒子8。
具体实施方式二：结合图2说明，本实施方式的进水管A的内径与圆锥管C的小直径端口的内径相同或者圆锥管C的小直径端口的内径小于进水管A的内径或者圆锥管C的小直径端口的内径大于进水管A的内径。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明，本实施方式的连接管3为等内径的连接管或者为变径管。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明，本实施方式所述壳管式换热器还包括多个排水管6，每个排水管6为渐扩管，每个第二旋流管5的锥管C的小直径端与排水管6的小直径端连通，每个排水管6的大直径端与固液分离端头14连通。如此设置，排水管设计为渐扩管能方便水中杂质的排出而尽可能的避免堵塞，提高流体的流动性，降低传热热阻。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1说明，本实施方式的每个排水管6为斜圆锥渐扩管或斜棱台渐扩管，排水管6的出口斜向下设置。如此设置，实现水中杂质的排出而尽可能的避免堵塞的同时，也保证了换热后的污水能尽快顺利流出。其它与具体实施方式四相同。
工作过程
污水(或海水、湖水、河水等各种水)流入污水入口管1后在喷射器2的作用下，抽吸少量含有大量固体粒子8的换热后的污水，固液混合均匀后成流态化经分布板17进入各个一级旋流管3的进水管，在各个一级旋流管3内高速旋转而下经过圆柱管流向圆锥管，然后通过连接管4切向进入串联的各个二级旋流管5中，再在各个二级旋流管5内高速旋转而下依次经过二级旋流管5的圆柱管和圆锥管，然后通过排水管6进入固液分离端头14，在惯性力和重力的综合作用下，固体粒子8沉降，污水从污水出口管9流出。在污水依次高速旋转流经一级旋流管3、连接管4、二级旋流管5和排水管6的过程中，密度大、粒径大的固体粒子8和污杂物被惯性离心力摔至管内壁，在固体粒子和污杂物的碰撞应力作用下，换热管内壁的污垢变的比较疏松，进而在剪应力的带动下脱离污垢层；紧贴壁面十分牢靠的污垢，在固体粒子和污杂物的随机碰撞下，污垢层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；此外，固体粒子和污杂物对垢层的随机碰撞，阻止污垢物质沉积到壁面以及污垢物质在壁面上的生长。从而有效除去换热壁面上沉积的污垢或控制其污垢厚度，使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。此外，串联二级旋流管(去掉溢流管的细长型旋流分离器)的应用使该换热器与传统换热器相比大幅度的增加了湍流的比重，有效的减小了换热热阻，起到了强化换热的作用。
制冷剂从冷剂入口管10进入换热器，在折流板12的引导下流动，与污水换热，换热后的制冷剂由冷剂出口管11流出。

Claims (5)

1.一种多管束旋流管喷射式污水壳管式换热器，它包括污水入口管(1)、喷射器(2)、固液回流管(7)、污水出口管(9)、冷剂入口管(10)、冷剂出口管(11)、壳体(13)、固液分离端头(14)、端盖(15)、填料口管(16)、分布板(17)、多根一级旋流管(3)、多根连接管(4)、多根二级旋流管(5)、多个折流板(12)和多个固体粒子(8)；壳体(13)的两端分别连接有固液分离端头(14)和端盖(15)，分布板(17)设置在壳体(13)内，位于分布板(17)与端盖(15)之间的壳体(13)的上部设置有冷剂入口管(10)和冷剂出口管(11)，位于冷剂入口管(10)下方的壳体(13)上布置有喷射器(2)，喷射器(2)的入口设置有污水入口管(1)，固液分离端头(14)的上部设置有污水出口管(9)，固液分离端头(14)的下部设置有与喷射器(17)连通的固液回流管(7)，固液分离端头(14)和分布板(17)之间形成的空腔内装有固体粒子(8)，喷射器(2)内装有固体粒子(8)；固液分离端头(14)与分布板(17)围成一个固液分离腔，壳体(13)、端盖(15)及分布板(17)围成一个换热腔，换热腔内竖直设置有与壳体(13)固接的多个折流板(12)，相邻两个折流板(12)呈上下交替设置；
其特征在于：一级旋流管(3)、二级旋流管(5)和连接管(4)数量相一致；一级旋流管(3)和二级旋流管(5)结构相同；一级旋流管(3)和二级旋流管(5)均主要由制成一体的进水管(A)、圆柱管(B)和圆锥管(C)组成；圆柱管(B)的一端连接有切向设置的进水管(A)，圆柱管(B)的另一端连接圆锥管(C)的大直径端，且圆柱管(B)的内径与圆锥管(C)的大直径端的内径相同；
多根一级旋流管(3)布置在壳体(13)的水平中截面的下方，多根二级旋流管(5)布置在壳体(13)的水平中截面的上方，多根一级旋流管(3)和多根二级旋流管(5)通过多个折流板(12)支撑固定，每根一级旋流管(3)的圆锥管(C)的小直径端通过连接管(4)与相对应的二级旋流管(5)的进水管(A)连通，多根一级旋流管(3)的进水管(A)与喷射器(2)的出口连通，多根二级旋流管(5)的圆锥管(C)与固液分离腔连通。
2.根据权利要求1所述的一种多管束旋流管喷射式污水壳管式换热器，其特征在于：进水管(A)的内径与圆锥管(C)的小直径端口的内径相同或者圆锥管(C)的小直径端口的内径小于进水管(A)的内径或者圆锥管(C)的小直径端口的内径大于进水管(A)的内径。
3.根据权利要求1或2所述的一种多管束旋流管喷射式污水壳管式换热器，其特征在于：连接管(3)为等内径的连接管或者为变径管。
4.根据权利要求3所述的一种多管束旋流管喷射式污水壳管式换热器，其特征在于：所述壳管式换热器还包括多个排水管(6)，每个排水管(6)为渐扩管，每个第二旋流管(5)的圆锥管(C)的小直径端与排水管(6)的小直径端连通，每个排水管(6)的大直径端与固液分离腔连通。
5.根据权利要求4所述的一种多管束旋流管喷射式污水壳管式换热器，其特征在于：每个排水管(6)为斜圆锥渐扩管或斜棱台渐扩管，排水管(6)的出口斜向下设置。
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