CN108981232A - 一种适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及余热回收技术领域，具体地涉及一种适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵，双源热泵包括空气源热泵机组和污水源热泵机组，浴池余热回收利用的客体是污水的余热，污水池的换热管包括上下两部分，上部污水温度高的换热管与污水源热泵机组连接，下部污水温度低的换热管与空气源热泵机组连接，空气源热泵机组为双折式废气蒸发器。在洗浴高峰时段将空气源热泵机组和污水源热泵机组同时开启制备浴区热水。空气源热泵机组将多余的热量通过制冷剂补充给污水池下部。在洗浴低峰时段开启污水源热泵机组，利用废水热量制备洗浴热水。系统将空气源热泵机组中未能利用的热量补充在污水池下部温度较低区域，实现了能源梯级利用。

Description

一种适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵

技术领域

本发明涉及余热回收技术领域，具体地说是一种适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵。

背景技术

随着人们生活水平的提高，洗浴时间以及洗浴用水量大幅增加，洗浴作为人们日常生活中不可缺少的部分，浴室空间存在着大量的废水、废气。公共浴池能源消耗大，产生的余热占比多。公共浴池作为典型公共场所，洗浴产生大量的废水、废气直接排放，造成大量余热的损失。近年能源消耗速度过快，不利于能源的开源节流，洗浴废水/废气余热回收成为解决能源短缺的重要手段之一。通过对公共浴池环境的大量调研，分析出浴池余热回收主要利用客体为污水废热，污水池下部温度过低，不仅造成换热效率变低，而且污水池下部的体积未起到作用，增加了设备的占地面积。而至今并未见报道有相关专用设备应用在浴池废水/废气余热回收领域。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的不足，提供了一种适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵，采供热泵机组进行低品位余热回收，解决了余热能源浪费的技术问题。

解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明设计了一种适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵，包括空气源热泵机组和污水源热泵机组，浴池余热回收利用的客体是污水的余热，污水池的换热管包括上下两部分，上部污水温度高的换热管与污水源热泵机组连接，下部污水温度低的换热管与空气源热泵机组连接，所述的空气源热泵机组为“Z”字形双折式废气蒸发器。

系统运行方式有两种，具体如下：

(1)在洗浴高峰时段将空气源热泵机组和污水源热泵机组同时开启制备浴区热水。空气源热泵机组将多余的热量通过制冷剂补充给污水池下部。(2)在洗浴低峰时段开启污水源热泵机组，利用废水热量制备洗浴热水。系统将空气源热泵机组中未能利用的热量补充在污水池下部温度较低区域，实现了能源梯级利用。

进一步地说，空气源热泵机组是运用fluent数值软件进行模拟分析确定的结构，蒸发器的翅片采用“Z”字形双折形式，发挥余热回收和排风口二合一的作用。

通过对换热器强化换热分析，提高蒸发器换热的有效途径主要是：一、加大蒸发器对空气能的吸收；二、尽可能减少蒸发器损失。蒸发器的翅片采用双折式结构，与废气产生接触面积大，增加了气体的扰动，有效的利用了废气流进蒸发器的热羽流作用，提高了蒸发器的对流换热作用。蒸发器采用单排式单盘管结构，不但合理地适应了浴室使用状况而且减少了加工的难度，节省了材料。蒸发器的基管为D＝φ9.52mm×0.35mm的制冷铜管，翅片材质为铜铝合金，翅片厚度为0.35mm，翅片冲孔为10mm。翅片高度并不是越高越好，翅片高度增加，翅片面积随之增加，翅片传热效果却降低。因此翅片高度应该有一个比较合理的范围，当翅片高度h在12.7-19.05mm时，各项综合指标最优。优选地，翅片高度为h＝15mm。

进一步地说，通过运用数值分析对比确定翅片的弯折角度为α＝45°，翅片间距L为6.5mm。

洗浴过程中大量水蒸气通过蒸发器排放到室外过程中会造成水珠析出，蒸发器的外表面涂覆有水性防冰涂料。

污水源热泵机组为内部具有圆管的污水换热器，圆管内部设置有扰流转子，所述的扰流转子为波浪形螺杆状，扰流转子的中心线与圆管最短距离为1cm，加入到换热器换热管中的扰流子添加物可以使换热管内流动的液体产生明显的螺旋运动。换句话说，在换热器换热管中加入扰流子添加物，就相当于在换热器换热管中加入空隙率ε≥95％的多孔体，当换热器换热管中流动的液体流经这些扰流子添加物以后，流道内将产生明显的弥散流动效应，在低雷诺数下(Re≥300)，由于弥散流动的促进，使换热器换热管中的液体转变为湍流。所述的圆管内还设置有扭带，所述的扭带为螺纹状，所述的扰流转子和扭带分别分布在圆管内的x、y、z轴方向，所述的扭带加入到圆管内相当于在圆管内加入了空隙率为ε≥95％的多孔体。

扭带的长度为圆管长度的20-40％。换热管内测的传热系数可高3.5倍以上。

所述的污水换热器由加有稀土导热材料的非金属换热板(诸如加入稀土导热材料的石墨换热板、加入稀土导热材料的陶瓷换热板或加入稀土导热材料的玻璃换热板)、高强度非金属材料(诸如导热硅胶、PPR管材、UPVC管材)制成的分水接头、分水管及汇水管组装而成；所述的换热板为带有3-20个圆管状流道和2-19个分隔筋的条形板块，多个换热板通过两端分水接头串联构成换热板总成，根据实际需要，多个换热板总成通过汇水管和分水管依次并联，构成污水换热器整体。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵，在洗浴高峰时段将空气源热泵机组和污水源热泵机组同时开启制备浴区热水。空气源热泵机组将多余的热量通过制冷剂补充给污水池下部。在洗浴低峰时段开启污水源热泵机组，利用废水热量制备洗浴热水。系统将空气源热泵机组中未能利用的热量补充在污水池下部温度较低区域，实现了能源梯级利用。

双源热泵采用双折式蒸发器结构模型以及污水换热器模型。废气蒸发器设计采用单排式结构，有效的结合了浴池排风口，大量的废气通过蒸发器，达到换热与排风窗二合一的作用。结构参数的设计运用了数值模拟的方法，使换热效果达到最优。污水池采用沉浸式换热装置，对污水源热泵内部换热圆管进行优化，添加扰流转子。在换热器换热管中添加扭带相当于加入了空隙率为ε≥95％的多孔体，流体在管内产生明显的弥散流效应。

污水换热器具有以下优点：

1)采用非金属主材及添加非金属导热材料，在保证导热的基础上，具有不腐蚀，抗微生物等特性；

2)介质流道为圆形，强度高，承压好；

3)外部换热面为圆形，则与平板换热器相比增加了换热面积，并增加了扰动性，从而增加了换热能力；

4)管状流道之间带有带状分隔筋，带状分隔筋将每根管连接起来，不留空隙，可防止毛发等污染物的缠绕，同时方便组装和固定；

5)组装外部通道较宽，不堵塞，容易清理；

6)管内添加了金属扰流转子，提高了管内的湍流作用，增加了换热管的对流换热效果，提高换热能力。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的双源热泵流程原理图；

图2为空气源热泵机组整体模型和翅片排布结构示意图；

图3为翅片结构示意图；

图4为蒸发器结构示意图；

图5为污水换热器结构及工作原理示意图；

图6为扰流转子和扭带在圆管内分布结构示意图；

图7为污水换热器的布置图；

图8为本发明的双源热泵建模示意图；

具体实施方式

实施例1：

如图1-8所示，一种适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵，包括空气源热泵机组和污水源热泵机组，浴池余热回收利用的客体是污水的余热，污水池的换热管包括上下两部分，上部污水温度高的换热管与污水源热泵机组连接，下部污水温度低的换热管与空气源热泵机组连接，空气源热泵机组为“Z”字形双折式废气蒸发器。

系统运行方式有两种，具体如下：

(1)在洗浴高峰时段将空气源热泵机组和污水源热泵机组同时开启制备浴区热水。空气源热泵机组将多余的热量通过制冷剂补充给污水池下部。(2)在洗浴低峰时段开启污水源热泵机组，利用废水热量制备洗浴热水。系统将空气源热泵机组中未能利用的热量补充在污水池下部温度较低区域，实现了能源梯级利用。

进一步地说，空气源热泵机组是运用fluent数值软件进行模拟分析确定的结构，蒸发器的翅片采用“Z”字形双折形式，发挥余热回收和排风口二合一的作用。

通过对换热器强化换热分析，提高蒸发器换热的有效途径主要是：一、加大蒸发器对空气能的吸收；二、尽可能减少蒸发器损失。蒸发器的翅片采用双折式结构，与废气产生接触面积大，增加了气体的扰动，有效的利用了废气流进蒸发器的热羽流作用，提高了蒸发器的对流换热作用。蒸发器采用单排式单盘管结构，不但合理地适应了浴室使用状况而且减少了加工的难度，节省了材料。蒸发器的基管为D＝φ9.52mm×0.35mm的制冷铜管，翅片材质为铜铝合金，翅片厚度为0.35mm，翅片冲孔为10mm。翅片高度并不是越高越好，翅片高度增加，翅片面积随之增加，翅片传热效果却降低。因此翅片高度应该有一个比较合理的范围，当翅片高度h为15mm时，各项综合指标最优。通过运用数值分析对比确定翅片的弯折角度为α＝45°，翅片间距L为6.5mm。

洗浴过程中大量水蒸气通过蒸发器排放到室外过程中会造成水珠析出，蒸发器的外表面涂覆有水性防冰涂料。

污水源热泵机组为内部具有圆管的污水换热器，圆管内部设置有扰流转子，所述的扰流转子为波浪形螺杆状，扰流转子的中心线与圆管最短距离为1cm，加入到换热器换热管中的扰流子添加物可以使换热管内流动的液体产生明显的螺旋运动。换句话说，在换热器换热管中加入扰流子添加物，就相当于在换热器换热管中加入空隙率ε≥95％的多孔体，当换热器换热管中流动的液体流经这些扰流子添加物以后，流道内将产生明显的弥散流动效应，在低雷诺数下(Re≥300)，由于弥散流动的促进，使换热器换热管中的液体转变为湍流。所述的圆管内还设置有扭带，所述的扭带为螺纹状，所述的扰流转子和扭带分别分布在圆管内的x、y、z轴方向，所述的扭带加入到圆管内相当于在圆管内加入了空隙率为ε≥95％的多孔体。

扭带的长度为圆管长度的20％。换热管内测的传热系数可高3.5倍以上。

所述的污水换热器由加入稀土导热材料的石墨换热板，导热硅胶制成的分水接头、分水管及汇水管组装而成；换热板为带有5个圆管状流道和4个分隔筋的条形板块，多个换热板通过两端分水接头串联构成换热板总成，根据实际需要，多个换热板总成通过汇水管和分水管依次并联，构成污水换热器整体。

实施例2：

与实施例1不同之处在于，翅片高度h为12.7mm，扭带的长度为圆管长度的40％，污水换热器由加入稀土导热材料的陶瓷换热板，PPR管材制成的分水接头、分水管及汇水管组装而成；换热板为带有3个圆管状流道和2个分隔筋的条形板块，多个换热板通过两端分水接头串联构成换热板总成，根据实际需要，多个换热板总成通过汇水管和分水管依次并联，构成污水换热器整体。

实施例3：

与实施例1不同之处在于，翅片高度h为19.05mm，扭带的长度为圆管长度的30％，污水换热器由加入稀土导热材料的玻璃换热板，UPVC管材制成的分水接头、分水管及汇水管组装而成；换热板为带有20个圆管状流道和19个分隔筋的条形板块，多个换热板通过两端分水接头串联构成换热板总成，根据实际需要，多个换热板总成通过汇水管和分水管依次并联，构成污水换热器整体。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵，其特征在于，所述的双源热泵包括空气源热泵机组和污水源热泵机组，浴池余热回收利用的客体是污水的余热，污水池的换热管包括上下两部分，上部污水温度高的换热管与污水源热泵机组连接，下部污水温度低的换热管与空气源热泵机组连接，所述的空气源热泵机组为双折式废气蒸发器。

2.根据权利要求1所述的适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵，其特征在于，所述的空气源热泵机组是运用fluent数值软件进行模拟分析确定的结构，蒸发器的翅片采用“Z”字形双折形式，发挥余热回收和排风口二合一的作用。

3.根据权利要求1或2所述的适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵，其特征在于，所述的蒸发器采用单排式盘管结构。

4.根据权利要求1或2所述的适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵，其特征在于，所述的蒸发器的基管为D＝φ9.52mm×0.35mm的制冷铜管，翅片材质为铜铝合金，翅片厚度为0.35mm，翅片冲孔为10mm，翅片高度为12.7-19.05mm。

5.根据权利要求4所述的适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵，其特征在于，所述的翅片高度为15mm。

6.根据权利要求2所述的适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵，其特征在于，通过运用数值分析对比确定翅片的弯折角度为45°，翅片间距为6.5mm。

7.根据权利要求1所述的适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵，其特征在于，蒸发器的外表面涂覆有水性防冰涂料。

8.根据权利要求1所述的适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵，其特征在于，所述的污水源热泵机组为内部具有圆管的污水换热器，所述的圆管内部设置有扰流转子，所述的扰流转子为波浪形螺杆状，扰流转子的中心线与圆管最短距离为1cm，所述的圆管内还设置有扭带，所述的扭带为螺纹状，所述的扰流转子和扭带分别分布在圆管内的x、y、z轴方向，所述的扭带加入到圆管内相当于在圆管内加入了空隙率为ε≥95％的多孔体。

9.根据权利要求8所述的适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵，其特征在于，所述的扭带的长度为圆管长度的20-40％。

10.根据权利要求8所述的适用于浴池余热梯级回收利用的双源热泵，其特征在于，所述的污水换热器由加有稀土导热材料的非金属换热板、高强度非金属材料制成的分水接头、分水管及汇水管组装而成；所述的换热板为带有3-20个圆管状流道和2-19个分隔筋的条形板块，多个换热板通过两端分水接头串联构成换热板总成，根据实际需要，多个换热板总成通过汇水管和分水管依次并联，构成污水换热器整体。