CN106288873A - 一种适用于高固体含量污水的套管式换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于高固体含量污水的套管式换热器，其包括作为污水通道的内套管和提供换热介质通道的外套管，所述内套管位于外套管内，其中所述内套管是截面为三角形且管壁沿管中心轴向一个方向螺旋变形而成的三角形扭曲管。本套管式污水换热器，它适用于高固体含量污水，污水中污物杂质不易在污水通道四壁结垢或形成堵塞，保证了换热器的换热效率和连续稳定操作，而且换热器的管程和壳程对流传热效率很高，使其具有较高的强化换热性能，且过程泵功耗较小。
Description
技术领域
本发明属于换热设备领域，具体涉及一种适用于高固体颗粒含量污水的热交换设备。
背景技术
对生物质、有机固体废弃物以及生活污水的有效处理，可以有效解决我国目前面临的能源和环境的双重危机。而目前污水污物的处理工程或处理过程工艺，例如大型养殖场沼气工程、市政污水发酵处理工程、木薯发酵制酒精工程废水降解工艺等，都能够实现重要的能源气体-甲烷的产出，同时达到降解有机物以减少对空气、土壤和水体的污染。这些工程或工程配套工艺，都需要对原料、排料和反应过程进行加热或温度控制，温度是保证处理过程的正常进行的关键因素，这就要求这些工程或工艺过程的进行高效的热交换。
强化污水污物的发酵处理工程的传热过程，可以有效提升发酵水平，目前国外先进的污水、污物处理工程代表瑞典，其工程发酵效率和产气效率都高于国内水平数倍，其原因在于瑞典的工程或相关工艺过程注重热的高效利用，保证对污水原料高效加热的同时还要回收降解污水里的废热，而换热器正是其污水污物处理系统中工热流网络的核心单元。
对于以餐厨垃圾、市政污泥为代表的城镇生活垃圾，以禽畜粪污、废弃内脏皮毛为代表的大型养殖场废弃物，以及以木薯等能源作物发酵废水为代表的食品发酵废水，它们作为发酵反应原料时，其机质含量很高，且氮元素磷元素含量很高，而在处理过程中会形成较多的细菌群落，而这些有机质和微生物往往以固体小颗粒的形式或以附着在无机颗粒的形式存在，使得上述的各种污水含有较高的固体颗粒含量，使得在换热通道中易结垢与堵塞，使得过程传热效率大幅下降，系统连续稳定操作受到影响，进而带来操作和维护费用的提升。
污水体系稳定连续的换热是一世界性难题。美国专利US005758967A发明了带有特殊翅片结构的换热圆管来强化换热和预防污水体系堵塞，此后美国专利US201002128721以此为基础发明了一种污水换热器，由于翅片结构的扰流作用使得污水换热过程强化且换热管不易结垢，但这一类以圆管内插特殊翅片结构为换热管的换热器只适合固含量(wt％)在2％到4％的低固体含量体系，这是由于管内件的存在使得高固体含量体系换热时具有很大的流动阻力，过程的功耗增大。中国专利CN201110147510.8发明了窄流通道式污水换热器，其采用平板式结构可大幅降低颗粒沉积结垢作用影响到的换热面面积。但由于平板或螺旋板内扰流作用几乎没有，所以换热过程的强化无法实现，同具有强化换热结构的圆管相比，对流传热效率低，往往需要较大的换热面积。
另一方面，目前主要的扭曲结构换热管为椭圆扭曲管，虽然在强化换热性能上具有一定优势，但是其应用对象仅局限于不含固体颗粒的单相流体，例如硫酸降温、氨预热、润滑油降温等，尚无适应用于污水的研究和相关专利。而目前三角形截面直管多用于气体换热，美国专利US061827479发明了一种用于空气换热的板式换热器，其换热通道为三角形直管。
发明内容
本发明的目的是在现有技术的基础上，提供一种适用于高固体含量污水的套管式换热器；该换热器适用于TS为4-10％(wt％)的高固体颗粒含量的污水的热交换，并具有防结垢防堵塞的作用和较高的换热性能。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种适用于高固体含量污水的套管式换热器，其包括作为污水通道的内套管和提供换热介质通道的外套管，所述内套管位于外套管内，其中所述内套管是截面为三角形且管壁沿管中心轴向一个方向螺旋变形而成的三角形扭曲管。
较佳的，本发明中的三角形扭曲管的截面为等边三角形。本三角形扭曲管的中心轴为直线或曲线，在优选条件下采用直线中心轴。
本三角形扭曲管沿管中心轴向一个方向均匀螺旋变形。较佳的，该三角形扭曲管的扭矩，即管壁绕管中心轴线螺旋变形360°所对应的管长，为400-700mm。实验发现，过大的扭矩会造成在处理高固体颗粒含量的污水时会造成结垢严重，而过小的扭矩会降低换热效果并造成污水管堵塞。
在一种优选方案中，本三角形扭曲管的三角形截面的内切圆直径为50-100mm，优选54-96mm。实验发现，过大或过小的内切圆直径会影响换热效率并产生严重的内套管壁面污垢或堵塞。
本发明对外套管的结构和形状并无具体要求，理论上在外套管内可设有一根或多根内套管。兼顾各种影响因素，较佳的方案是外套管内只设一根内套管，外套管为圆形套管，外套管的管径大于内套管(以略大于为更佳)，圆形套管的半径在60-110mm范围内。
本热换器专门针对现有技术对高固体颗粒含量的污水处理不佳的问题，使得TS为4-10％(wt％)的高固体含量污水与换热介质通过三角形扭曲管的管壁直接换热，使污水在沿管流动的同时，绕管中心轴发生旋转流动，不仅提高换热效率，减小换热和流动阻力，更可保证污水的顺畅流动而不会使固体颗料附着在管壁上。
本换热器可以只由一根三角形扭曲管作为内套管，也可以采用多根三角形扭曲管作为内套管。而采用多根三角形扭曲管时，本设备可进一步包括三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头。其中三角形-圆形变截面管是管壁及截面从与三角形扭曲管对应的三角形逐渐转变成圆形的管道，而圆形截面弯头是具有一定弯曲角度的接头弯管，其角度可以根据需要在1-180度之间调整，一般采用圆形截面180°弯头。当采用三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头连接多个三角形扭曲管时，两个三角形扭曲管在需要连接的管口部位先各自与一个三角形-圆形变截面管相连接，这两个三角形-圆形变截面管之间再通过一个圆形截面弯头相连接；按这种连接方法，多个中心轴为直线的三角形扭曲管通过多个三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头相连接构成具有多个弯曲结构的污水通道。
本换热器还可以包括多个单元，其中每个单元主要由一个外套管和一个内套管组成。该单元中的外套管和内套管的结构如上所述。各单元之间通过三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头连接成完整的污水通道。而每个单元在外套管和内套管之间间隙形成的换热介质通道的两端封闭，可构成一个独立的换热介质通道并具有换热介质进出口，也可以将多个单元的换热介质通道连通构成一个整的换热介质通道。
在一种技术方案中，本换热器包括污水通道和换热介质通道，所述污水通道可以由一个三角形扭曲管构成，也可以由多个三角形扭曲管以及用以连接三角形扭曲管的三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头构成，污水通道的两端分别设有污水进口和污水出口；所述换热介质通道由外套管与内套管之间的环隙构成，当换热介质通道有多个时，各换热介质通道单独设置或是多个换热介质通道通过连接管或接口相连通构成换热介质总通道，在所述换热介质通道或换热介质总通道上设有换热介质入口和换热介质出口。
较佳的，三角形扭曲管主要采用镀锌碳钢制成，在所述三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头的外壁上设有保温材料；所述外套管主要由不锈钢管制成，在外套管的外壁上设有保温材料。
本套管式污水换热器，它适用于高固体含量污水，污水中污物杂质不易在污水通道四壁结垢或形成堵塞，保证了换热器的换热效率和连续稳定操作，而且换热器的管程和壳程对流传热效率很高，使其具有较高的强化换热性能，且过程泵功耗较小。具体地，它具有如下优点：
1.它适用于高固体含量TS为4-10％(wt％)的污水换热，无死角，不易积垢，不易堵塞。
2.道内部通畅，无阻挡物，流动阻力损失小，泵传输功耗小。
3.污水通道管壁扭曲对传热壁面两侧流体扰动，传热效率为普通换热器的2倍以上。
4.污水通道管壁扭曲使得污水中颗粒不易沉积或滞留在污水通道四壁。
附图说明
图1为套管式污水换热器整体图；
图2为套管式污水换热器换热通道单元图；
图3为污水通道三角形扭曲管；
图4为换热通道横截面简图；
图5为污水在套管式污水换热器的流向示意图；
图6为换热介质在套管式污水换热器的流向示意图；
图中，1-套管式污水换热器，2-套管换热单元，3-污水进口，4-换热介质总进口，5-换热介质总出口，6-污水出口，7-换热介质分流管，8-污水通道壁，9-污水通道，10-三角形-圆形变截面管，11-圆形截面180°弯头，12-污水通道外圆管，13-换热介质通道，14-换热介质进口，15-换热介质出口。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步描述。但以下描述并不理解为对本发明涉及范围的限制。
本发明的适用于高固体含量污水的套管式换热器，它主要用于适用于处理TS为4-10％(wt％)的高固体颗粒含量的污水，具有防结垢防堵塞的作用和很高的换热性能。它包括内套管和外套管，内套管位于外套管之内，其中内套管主要作为污水通道，而内外套管之间的间隙构成换热介质通道。
如图3所示，本发明的内套管是截面为三角形且管壁沿管中心轴向一个方向螺旋变形而成的三角形扭曲管。该三角形扭曲管的截面为等边三角形，其中心轴为直线或曲线，在优选条件下采用如图3所示的直线中心轴。
本三角形扭曲管沿管中心轴向一个方向均匀螺旋变形，它的重要参数之一为扭矩，即管壁绕管中心轴线螺旋变形360°所对应的管长，本三角形扭曲管的扭矩为400-700mm。本三角形扭曲管的三角形截面的内切圆直径为50-100mm。污水与换热介质通过三角形扭曲管的管壁直接换热。
本例中的外套管采用常见的圆形套管，其半径在60-110mm范围内，外套管的管径略大于内套管，形成近似于内套管内切外套管的结构。本例中内外套管的截面结构如图4所示。在其他方案中，在外套管内也可设有多根内套管。
本换热器可以包括一个或多个单元，其中第一个单元都可以由一个如上的内外套管组成。如图2中为两个单元，而图1中为常见多单元。由于三角形扭曲管的中心轴以直线为佳，故当采用多单元或多个三角形扭曲管组成换热器时，该换热器还需包括三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头。三角形-圆形变截面管是管壁及截面从与三角形扭曲管对应的三角形逐渐转变成圆形的管道，而圆形截面弯头是具有一定弯曲角度的接头弯管，如图1和图2中的圆形截面180°弯头。当采用三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头连接多个三角形扭曲管时，两个三角形扭曲管在需要连接的管口部位先各自与一个三角形-圆形变截面管相连接，这两个三角形-圆形变截面管之间再通过一个圆形截面弯头相连接；按这种连接方法，多个中心轴为直线的三角形扭曲管通过多个三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头相连接构成具有多个弯曲结构的污水通道。
本换热器包括污水通道和换热介质通道，其中污水通道可以由一个三角形扭曲管构成，也可以由多个三角形扭曲管以及用以连接三角形扭曲管的三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头构成，污水通道的两端分别设有污水进口和污水出口，其流动方向如图5所示；而换热介质通道由外套管与内套管之间的环隙构成，当换热介质通道有多个时，各换热介质通道单独设置或是多个换热介质通道通过连接管或接口相连通构成换热介质总通道，在所述换热介质通道或换热介质总通道上设有换热介质入口和换热介质出口。
图1显示了一种比较完善的套管式污水换热器1的整体结构，它包括套管换热单元2、污水进口3、换热介质总进口4、换热介质总出口5、污水出口6和换热介质分流管7。
其中套管换热单元结构如图2，它的结构包括：污水通道9，换热介质通道13；污水和换热介质分别在污水通道9和换热介质通道13中流动，污水和换热介质通过污水通道8壁面换热，污水通道的截面为正三角形，其绕管轴线的扭矩为400-700mm(扭矩为截面旋转360°所需的管长度)；换热介质通道13截面为圆形；换热介质通道13为污水通道8壁面与套在污水通道12外圆管间的间隙，换热介质通道对应流动换热介质包括清水等换热介质，污水通道9和换热介质通道13两通道的中心轴线在同一直线上。
本例中的三角形扭曲管的外观结构如图3所示，其为截面为正三角形且管壁沿管中心直线轴向一个方向螺旋变形而成。图1中的污水通道8包括三角形截面扭曲管、三角形-圆形变截面管10和圆形截面180°弯头11。三角形截面扭曲管之间通过三角形-圆形变截面管和圆形截面180°弯头连接，污水进口和污水出口通过三角形-圆形变截面管与三角形截面扭曲管连接；污水从污水进口流经多个串联的三角形截面扭曲管后到达污水出口；污水通道采用镀锌碳钢制成，所述圆形截面180°弯头和三角形-圆形变截面管外侧均设保温材料。
本例中的换热介质通道，如图2，它包括：圆形截面套管12、换热介质进口14和换热介质出口15。换热介质从换热介质总进口流入进入多个并联的圆形截面套管与三角形截面扭曲管的环隙达到换热介质总出口流出，换热介质通道由不锈钢管制成，所述换热介质通道外侧均设保温材料。
性能测试
以下采用图1所示的结构，其中的污水通道分别采用相同当量直径的不同扭矩的三角形扭曲管(图3)以及其他类型的内管，测试其对换热器的堵塞周期影响。
表1相同当量直径换热管实施例与对比例防堵与换热效果比较
由上表可以看出，对比例1同实施例1相比，由于污水通道的三角形扭曲管扭矩过大，使得换热介质通道空间过小，换热器的无法正常工作，所以对比例1的污水出口温度远低于实施例。而对比例2与实施例1相比，由于扭矩过大，扭曲程度过低，使得污水通道不具备防堵塞的作用。对于相同的扭矩的椭圆管和三角形扭曲管，如实施例1和对比例3，可以看出椭圆形扭曲管不具备防堵塞能力；此外，从对比例4与实施例1可以看出，三角形直管最易堵塞。以上测均采用TS(总固体含量)为4％-10％的污水，换热器运行周期为30天。α
如图2所示，污水与换热介质在2中进行热交换，换热的污水侧通道是截面为三角形的流道9，换热的换热介质侧通道时截面为圆形的圆套管与内置的三角形扭曲管的环隙13，且两通道均以三角形扭曲管中心轴线为流动的中轴线，如图4为换热通道的截面图，三角形扭曲管8内切圆圆Oi的直径为De，圆形截面套管12截面圆Oo半径为Rs，套管式污水换热器根据不同TS(固体含量)的污水，选用不同的管径，具体选用方式如下表2：
表2不同TS(固体含量)的污水，选用不同的管径
实验证实，在上述TS-管径的条件下可以实现高防结垢防堵塞的作用和较高的换热性能，而有较大偏差时则会严重影响前述效果。
如图3污水换热通道8的突出特点是，污水在沿管流动的同时，绕管中心轴发生旋转流动，这种流动的好处是：污水换热管道内的颗粒杂质不易沉积到管壁面上，而是集中在流动核心区域，因此壁面不易产生壁面污垢，使得换热性能得到保持，此外由于流道内没有阻碍，换热过程阻力损失小，过程泵的功耗较小。
由于高TS污水的污水粘性较大，换热器的热阻主要还是集中在污水侧。污水换热管内流动保持在1m/s以上，保证污水与间壁之间的对流换热系数。如图2，污水通道9和换热介质通道13由于三角形扭曲管8的结构对流体扰动，使对流换热过程热阻大幅减小，对流传热效率大幅提高。
如图5，污水在8三角形扭曲管中流动换热，经过弯头和三角形-圆形变截面管流入下一三角形扭曲管内换热；如图6，换热介质通过7换热介质分流管进入换热介质换热通道，与污水逆流换热，再进入7污水换热介质分流管流出换热器。
采用本申请套管式污水换热器对污水进行换热，采用的换热介质为水，在相同套管结构、污水进口流速下和水进口流速下，实施例与现有的采用圆管作为污水通道的对比例换热效果见下表：
表2实施与对比例换热效果比较
注：椭圆扭曲管会造成严重堵塞而不能测试。
从表中可以看出本发明的换热效果最佳，同对比例5相比，当本发明污水通道内切圆直径即其当量直径De与圆管直径相同时，本发明的换热面积要高50％，对本发明流传热系数为普通圆管作为污水通道的套管式换热器的3倍以上；同对比例6相比，如果不改变换热器体积，作为污水通道的圆管需要增大管径提升换热面积，但换热效果更差；同对比例7相比，相同的换热面积条件下，相同当量直径的圆管换热效果比本发明低10℃，所以可以推算出本发明的对流换热系数要比对比例高两倍以上。
Claims (10)
1.一种适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于其包括作为污水通道的内套管和提供换热介质通道的外套管，所述内套管位于外套管内，其中所述内套管是截面为三角形且管壁沿管中心轴向一个方向螺旋变形而成的三角形扭曲管。
2.根据权利要求1所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于所述三角形扭曲管的截面为等边三角形。
3.根据权利要求1或2所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于该三角形扭曲管的中心轴为直线或曲线，三角形扭曲管沿管中心轴向一个方向均匀螺旋变形。
4.根据权利要求1或2所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于该三角形扭曲管的扭矩，即管壁绕管中心轴线螺旋变形360°所对应的管长，为400-700mm。
5.根据权利要求1或2所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于所述三角形扭曲管的三角形截面的内切圆直径为50-100mm。
6.根据权利要求1所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于所述外套管为圆形套管，外套管的管径大于内套管，圆形套管的半径在60-110mm范围内。
7.根据权利要求1所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于所述高固体含量污水与换热介质通过三角形扭曲管的管壁直接换热。
8.根据权利要求1所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于其包括三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头；两个三角形扭曲管在需要连接的管口部位先各自与一个三角形-圆形变截面管相连接，这两个三角形-圆形变截面管之间再通过一个圆形截面弯头相连接；多个中心轴为直线的三角形扭曲管通过多个三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头相连接构成具有多个弯曲结构的污水通道。
9.根据权利要求8所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于该换热器包括污水通道和换热介质通道，所述污水通道由一个三角形扭曲管构成，或者由多个三角形扭曲管以及用以连接三角形扭曲管的三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头构成，污水通道的两端分别设有污水进口和污水出口；所述换热介质通道由外套管与内套管之间的环隙构成，当换热介质通道有多个时，各换热介质通道单独设置或是多个换热介质通道通过连接管或接口相连通构成换热介质总通道，在所述换热介质通道或换热介质总通道上设有换热介质入口和换热介质出口。
10.根据权利要求8所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于所述三角形扭曲管主要采用镀锌碳钢制成，在所述三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头的外壁上设有保温材料；所述外套管主要由不锈钢管制成，在外套管的外壁上设有保温材料。
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