氟里昂-污水换热器

摘要

本发明给出一种氟里昂-污水换热器，适用于污水源热泵，它的结构包括：箱体、污水流道、传热管、氟里昂调节管路和底座。污水在箱体内的污水流道中流动，氟里昂在传热管中流动，传热管沉浸在污水流道中，污水和氟里昂之间通过传热管壁换热。污水流动路径与传热管路平行，通过传热管端部的氟里昂调节管路，实现氟里昂流通面积的改变。本发明不要求对污水进行严格净化，污水直接进入氟里昂-污水换热器，换热器中的污水流通管路不会被堵塞，能够长时间稳定工作。污水直接与制冷剂氟里昂进行热量交换，制冷剂氟里昂可以从污水更多得到，或向污水放出更多的热量，提高了污水源热泵机组效率。

说明书

技术领域

本发明涉及热交换设备，特别是涉及氟里昂-污水换热器。

背景技术

利用城市污水作为冷热源，通过污水源热泵对建筑进行采暖空调，可以直接减少其他短 缺能源的消耗，同时还可以达到废物利用的目的，是资源再生利用、发展循环经济、建设节 约型社会、友好环境的重要措施。

污水源热泵实现了城市废热的回收利用，变废为宝，是新型的可再生清洁能源利用技术， 符合可持续发展、建设资源节约型社会的要求。将水源热泵系统技术与城市污水结合，在扩 大城市污水利用范围、拓展城市污水治理效益方面具有深远意义。

污水源热泵是依靠热泵机组内部制冷剂的物态循环变化，冬季从污水中吸收热量，经热 泵机组升温后对建筑供热，夏季通过热泵机组，把建筑物中的热量传递给污水，从而实现供 冷。污水替代了冷却塔，具有高效节能、绿色环保、安全可靠、一机多用等突出优点。

目前，污水源热泵系统在我国的大部分城市得到了推广与应用，例如：北京、天津、山 西、山东、石家庄、新疆、广西等地。

随着整个社会节约能源、环保意识的提高，污水源热泵的应用领域也在不断的扩展。除 了在城市供暖制冷、制取生活热水应用外，还在食品、生化、制药工业、种植养殖及农副产 品加工储藏领域均得到应用。应该进一步挖掘利用各类可再生的低温热源或废热热源，完善 和推广污水源热泵技术，向着建立节约型社会发展。

污水源热泵可分为直接式污水源热泵与间接式污水源热泵两类。直接式系统中，与污水 换热的介质为制冷剂，间接式系统中，与污水换热的介质为中介水或防冻液。前者污水与制 冷剂之间经换热器壁面直接换热；后者则存在中介媒质，从而传热热阻增加，导致热泵系统 效率随之下降。直接式系统是目前污水源热泵研究的前沿领域和发展方向。

直接式系统与间接式系统相比有很大的优点，主要是：

1，在同样的水源条件下供出同样多的热量，蒸发温度可提高5℃左右，热泵机组效率得 以很大提高，系统总的耗电量可降低15％以上。

2，省去了污水换热器及相应的中介水循环水泵，机房占地面积减少，不仅大大降低了 土建和设备初投资，而且也减少水泵能耗。

3，获取同样多的热量，所需的污水量可减小一半左右。间接式系统需要考虑中间换热 的温差损失，这就限制了污水的降温幅度。

当采用原生污水为热源时，一般都采用滤网、格栅、自动筛滤器等过滤装置，对污水进 行处理。尽管在热泵机组前，对污水进行充分的过滤，氟里昂-污水换热器一般都不能长时间 稳定运行，所以，当前我国以原生污水作冷热源的氟里昂-污水换热器还不多见，文献所报道 的污水源热泵，几乎均为间接式污水源热泵。间接式污水源热泵由于污水换热器等中间系统 的影响，污水资源利用成本大，初投资及运行费用也较大。

虽然利用氟里昂-污水换热器优越性明显，节省了污水换热器，制热系数与运行费用均优 于间接式污水源热泵，但是，当前氟里昂-污水换热器的发展并不充分，原因在于：

1，直接污水源热泵系统，要求热泵机组的蒸发器/冷凝器能够“一器两用”，对蒸发器/ 冷凝器提出了特殊要求。

2，使用氟里昂-污水换热器的热泵机组，需经过特殊处理，技术难度较大。虽然人们有 很多设想和试验，但都存在不足。

3，直接式系统要求对热泵机组的蒸发器/冷凝器做较大的改造，而相应的厂家较少。间 接式污水源热泵，污水不直接进机组，所需机组前的污水-水换热器已研制成功。

到目前为止，还没有广泛地普及氟里昂-污水换热器系统；污水源热泵技术诞生以来，基 本采用间接式系统，这是从可靠性角度考虑而采取的保守措施。

实现无堵塞连续换热，是利用污水作为热泵冷热源的技术关键，尤其是对于氟里昂-污水 换热器。解决恶劣水质对换热设备及管路的堵塞与污染，实现防腐与无污染换热，是一个世 界性技术难题。城市污水水质对换热器的影响主要有腐蚀、结垢及堵塞。通常的做法是在城 市污水和热泵之间，设置污水过滤装置和污水-水换热器，热泵的中介水从污水中吸收热量， 或向污水中释放热量。交换能量后的污水，从回水管，返回到城市污水的排放系统中。

由于污水粘度大、换热系数低，污水换热器必须做得很庞大；当用污水作为热泵的冷热 源，污水必须净化，并经过一个在机组前的额外增设的污水-水换热器，将污水的热量或冷量 传递到热泵中介水，这一过程将导致能量损失，降低热泵的能效比。如果污水不经过严格净 化，不经过污水-水换热器，直接进入热泵，污水与制冷剂直接进行热交换，热泵中的污水流 通管路，通常很快就被堵塞，以至于热泵完全不能工作。

在污水换热器前设置的污水过滤装置，其过滤孔不可能很小，否则污水过滤装置很快就 被堵塞。这样的污水过滤装置可以解决污水换热器的堵塞问题，但污水中的细小粘性杂质， 可以通过污水过滤装置，进入污水换热器，不断地在污水换热器内部沉降，在换热板表面沉 积，结垢，使换热板表面热阻增大，换热器总体性能很快就变坏。

在工农业和人民生活中，排放各种各样的污水。污水换热器与普通换热器工作条件有很 大的区别，普通换热器的设计方法，使用经验，不能简单用于污水换热器。尽管普通换热器 的设计方法与制造工艺，都很成熟，但是，污水换热器科学设计方法，至今，还没有很好解 决。

上述有关污水换热器的背景技术，在以下专著中有详细描述：

1、赵军，戴传山主编，地源热泵技术与建筑节能应用，北京：中国建筑工业出版社，2009。

2、(美)沙拉，塞库利克著，程林译，换热器设计技术，北京：机械工业出版社，2010。

发明内容

本发明的目的是给出一种氟里昂-污水换热器，它的结构包括：箱体、污水流道、传热管、 氟里昂调节管路和底座；污水在箱体内的污水流道中流动，氟里昂在传热管中流动，传热管 沉浸在污水流道中，污水和氟里昂之间通过传热管壁换热，其特征在于：

(1)污水流动路径与传热管路平行；

(2)通过传热管端部的氟里昂调节管路，实现氟里昂流通面积的改变。

所述箱体，它包括箱形的氟里昂-污水换热器的外壳和外壳上的多个清洗口；箱体内部是 污水流道和氟里昂传热管，箱体外表面上，有污水进出口和氟里昂调节管路；箱体用碳钢板 做成，箱体厚度不能小于4厘米，箱体内外表面进行防腐蚀处理。

所述污水流道，它包括：污水进口、污水管道、折流板、折流口、回流板、回流口和污 水出口；污水从污水进口，进入换热器的污水管道，最后，从污水出口流出换热器；在换热 器箱体内，设有许多水平的一端开口的隔板，使污水流动路径呈现弓字形，这些隔板，分为 两种：一种叫做折流板，它被横U形的传热管所包围，它的开口端搭在一个角钢上，其端部 与箱体间的流道叫做折流口，另一种隔板叫做回流板，它不被传热管所包围，它的一端与箱 体固定，另一端与箱体间有一个流道，叫做回流口；折流口和回流口的净宽度均不能小于6 厘米，折流口的宽度要考虑留出传热管所占用空间，折流板、回流板均用碳钢板做成，厚度 不能小于3厘米；折流板、回流板的上下两面，都要进行防腐蚀处理。

所述传热管是碳钢管，沉浸在水平的污水流道中，水平设置的传热管的两端结构不同， 一端为开口端，开口端的管口接到氟里昂调节管路，另一端为闭口端，上下两个传热管的闭 口端的管口相连接，每两个传热管，形成一个的横U形回路；传热管的开口端通常置于换热 器箱体外，通过氟里昂调节管路，经开口端，从传热管接受或向传热管注入氟里昂；传热管 设置方向与污水流向平行，污水不能横向冲刷传热管。

所述氟里昂调节管路，它由氟里昂进口、进口管、几个母管、几个变流管、出口管和氟 里昂出口构成；氟里昂通过氟里昂进口和进口管，到达第一个母管，从母管出来进入第一排 传热管，再经过第二个母管，再通过变流管，到达另外的一个或几个母管，进入另外的一排 或几排传热管；可以经过几个变流管，几次改变传热管排数；最后，经过出口管和氟里昂出 口流出换热器；氟里昂调节管路与每个传热管的开口端相通，吸纳或供给每个传热管的氟里 昂，当氟里昂在传热管内受热蒸发，体积增大，或凝结放热，体积变小，氟里昂调节管路通 过改变传热管根数，改变流通面积，达到调节流速的目的，防止流速过高，增大流动阻力， 也防止流速过低，影响传热。

所述清洗口，它位于箱形的换热器壳体，与折流口相邻的立面侧板上，对应每一个流道， 有一个清洗口，清洗口上有一个可以拆卸的清洗盖，通过清洗口，可以探入摄像头观察换热 器内部情况，又可以利用高压喷水管，对换热器内部流道进行清洗。

本发明的优点是：

1，本发明的氟里昂-污水换热器，不需要对污水进行严格净化。污水直接进入氟里昂-污 水换热器，换热器中的污水流通管路不会被堵塞，能够长时间稳定工作。

2，在氟里昂-污水换热器中，污水直接与制冷剂氟里昂进行热量交换，无论制冷剂是得 到热量，还是失去热量，相对于有中介水换热的情况，制冷剂氟里昂在其中都可以实现较大 的温差，从污水得到或向污水放出较多的热量，热泵机组效率得以很大提高。

3，省去通常污水源热泵所设置的污水-中介水换热器、中介水循环水泵及相应的管路， 机房占地面积减少，降低了土建和设备初投资，减少能耗。

4，尽管传热管置于污水流道中，但由于传热管是悬空设置，同时，传热管与污水不相交， 实践证明，传热管表面很少积垢。流道隔板上少量积垢，对换热器性能没有影响。当流道隔 板上积垢过多时，可以通过清洗孔喷水清洗。

附图说明

图1是本发明氟里昂-污水换热器实施例的基本原理图；

图2是本发明氟里昂-污水换热器实施例的污水流道图；

图3是本发明氟里昂-污水换热器实施例的氟里昂管路图；

图4是本发明氟里昂-污水换热器实施例的总体结构图。

图5是本发明氟里昂-污水换热器实施例的外形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。

图1给出了本发明氟里昂-污水换热器实施例的基本原理图。

本发明氟里昂-污水换热器实施例是一个管壳式换热器，箱体115是换热器的壳体，它包 括箱形的换热器上下左右前后的六个面板。作为蒸发器，污水从上方的污水进口110，进入 换热器的污水管道125，氟里昂在传热管275内，从下向上流动，污水在传热管275外，箱 体115内，从上向下流动。

传热管275设在污水流道中，传热管轴线与污水流向平行。传热管275在换热器的污水 流道内，水平放置，呈横放的U形，其两端部伸出换热器箱体115，是氟里昂的进口210和 出口290。

在折返的U形传热管275中间，夹着折流板140，它是污水流道的一个隔板，它的一端 与箱体115的侧面固定，另一端搭在角钢145上，角钢145的另一个功能是固定传热管275 的一端。折流板140搭角钢的一端，与箱体275侧面间，有一段距离，形成一个开口，称作 折流口150，污水流到这里，由前一个流程转到下一流程。最后，污水从污水出口190流出 换热器。

在水平的污水管道125中设置传热管排，被传热管排分成上下两层流道：在传热管275 和折流板140之间叫做内层流道130，它的高度等于传热管275与折流板140的距离，这个 距离不能小于1厘米；在传热管外的流动空间，叫做外层流道120，这是污水的主流道，其 高度不能小于3厘米。内层流道130和外层流道120是相通的，通过传热管排的间隙，两层 流道的污水可以交换，传热管排的间隙不能小于1厘米。内层流道位于折流板140的上下表 面，其余是外层流道。

在折流口150，传热管275与折流板140的端部距离不能小于1厘米，传热管与箱体间 距离不能小于5厘米，即折流口150的净宽度不能小于6厘米。。

图2给出了本发明氟里昂-污水换热器实施例的污水流道图。

本发明氟里昂-污水换热器实施例的污水流道，污水在换热器内部的流动，是从上到下， 多个水平流程，曲折往返，呈现弓字形。

污水从污水进口110，进入换热器的污水管道125，最后，从污水出口190流出换热器。 在换热器箱体内，设有许多水平的一端开口的流道的隔板，使污水在换热器箱体内的流动过 程是拐来拐去的。这些一端开口的隔板，按着是否被传热管包围，可分为两种：一种叫做折 流板140，它被U形的传热管所包围，它的开口端搭在一个角钢上，其端部与箱体间的流道 叫做折流口150。另一种流道板叫做回流板160，它不被传热管所包围，它的一端与箱体固定， 另一端与箱体间有一个流道，叫做回流口170。在回流口170，回流板160的端部与箱体的距 离不能小于6厘米。

折流板140和回流板160的工作原理是一样的，都是为了形成曲折的流道，增加污水流 速，提高污水与传热管的换热系数。折流口150与回流口170的功能相似，但有一点不同， 在折流口内，有传热管折返，由上一个流道到下一个流道，而在回流口170内没有传热管。

在箱形的换热器壳体，与折流口相邻的立面侧板上，对应每一个流道，有一个清洗口152。 清洗口上有一个可以拆卸的清洗盖，通过清洗口，既可以通过探入的摄像头观察换热器内部 情况，又可以利用高压喷水管，对换热器内部流道进行清洗。

整个换热器坐落在底座180上，污水出口190在换热器底板下引出，位于换热器底座180 内。

作为污水换热器，既要考虑强度，还要考虑抗腐蚀。箱体和折流板、回流板的内外两面， 都要进行防腐处理，比如电镀，或烤漆。箱体115厚度不能小于4厘米，折流板140、回流 板160的厚度不能小于3厘米。

图3给出了本发明氟里昂-污水换热器实施例的氟里昂管路图。

本发明氟里昂-污水换热器实施例的氟里昂管路，它包括两部分：传热管和氟里昂调节管 路，传热管包括：传热管220、传热管225、传热管245、传热管250、传热管270和传热管 275；氟里昂调节管路包括：氟里昂进口210、进口管212、母管215、母管230、母管240、 母管255、母管265、母管280、变流管235、出口管260和氟里昂出口290。

传热管上下两根成一对，成对的上下两根传热管的一端上下连接，这个端口称之闭口端， 而另一端，与母管相接的传热管端口称之开口端。

氟里昂管路内，氟里昂流通过程如下：

1，作为氟里昂蒸发器，氟里昂进口210在下方，氟里昂出口290在上方；

2，氟里昂从进口210和进口管212进入换热器，流入母管215。母管215的出口连接传 热管220，但这不是一根管，而是一个传热管排，通常由几根或几十根传热管构成。

3，由传热管220流入下一个流程的传热管225，然后进入母管230。

4，从母管230出来，进入变流管235。变流管235的作用是，从传热管225流出的氟里 昂，经过变流管235进入两个母管，即母管240和母管265。然后，再分别流入两个传热管 排，即传热管245和传热管270。

这是因为，在第一流程的传热管220和第二流程的传热管225中，氟里昂受热，部分气 化，流动的体积增大，流动的流道面积必须扩大，否则流动阻力过大。

5，氟里昂一路从传热管245进入传热管250，另一路从传热管270进入传热管275。然 后分别进入母管255和母管280。

6，氟里昂从母管255和母管280流出，进入出口管260，最后，从氟里昂出口290流出 换热器。

7，如果用作氟里昂冷凝器，换热器的结构不变，只是氟里昂的流动方向相反，从上方进 入换热器，氟里昂蒸汽凝结后，从下方流出。

8，进口管212、变流管235和出口管260可以设在换热器箱体外，也可以放在箱体内， 也放在污水流道中，与污水进行热交换。

9，变流管可以不止一个，比如一排管到两排管，或两排管到四排管，或四排管到六流排 管等，各设一个变流管；但出口管只有一个，它是在出口前，汇合最后流程各管排中的氟里 昂，集中到出口管中，统一流出氟里昂出口290。

传热管是碳钢管，沉浸在水平的污水流道中，水平设置的传热管的两端结构不同，一端 为开口端，开口端的管口接到氟里昂调节管路，另一端为闭口端，上下两个传热管的闭口端 的管口相连接，每两个传热管，形成一个的横U形回路；传热管的开口端通常置于换热器箱 体外，通过氟里昂调节管路，经开口端，从传热管接受或向传热管注入氟里昂；传热管设置 方向与污水流向平行，污水不能横向冲刷传热管。

氟里昂调节管路由氟里昂进口、进口管、几个母管、几个变流管、出口管和氟里昂出口 构成，它与每个传热管的开口端相通，吸纳或供给每个传热管的氟里昂。当氟里昂在传热管 内受热蒸发，体积增大，或凝结放热，体积变小，氟里昂调节管路通过改变传热管根数，改 变流通面积，达到调节流速的目的，防止流速过高，增大流动阻力，也防止流速过低，影响 传热。

图4给出了本发明氟里昂-污水换热器实施例的总体结构图。

本发明氟里昂-污水换热器实施例是一种特殊的管壳式换热器，它的外形是一个箱式结 构。

它的箱体115内的空间是污水的流道，有很多折流板140和回流板160，折流板140和 回流板160的一端有上下开口，污水通过这些开口，由上一个水平流程进入下一个水平流程， 使污水的流动拐来拐去；污水流道内并排放置的传热管，与水流流向平行，沿着折流板和回 流板，也拐来拐去，污水流与传热管排不相交。传热管是无缝钢管，管内是制冷剂氟利昂。

箱形箱体115的左上端，有污水进口110。污水进入换热器后，沿着水平的污水流道， 纵向冲刷污水流道内的传热管275，实现污水与传热管内的氟里昂换热的目的。

在污水流道中，在传热管275和折流板140之间的内层流道130，它的高度不小于1厘 米，内层流道130流速较慢，传热稍差。在传热管外的外层流道120，这是污水的主流道， 流速较快，换热较好，其高度不小于3厘米。内层流道130和外层流道120是相通的，通过 传热管排的间隙，两层流道的污水可以交换，传热管排的间隙不能小于1厘米。内层流道位 于折流板140的上下表面，其余是外层流道，包括回流板160的上下流道，都是外层流道。

污水在流经折流板140的端部的折流口150时，从上向下流动，从一个流程到另一个流 程。在换热器内，污水完成热交换后，从污水出口190排掉。

氟利昂从换热器左下方的氟里昂进口210进入换热器，首先到达母管215，经母管215 到换热器内的传热管排。经过一个水平的往返流动，即经历两个流程后，氟里昂进入变流管 235。从变流管235的两个出口，氟里昂同时进入两个传热管排，流道截面积增大，这是因为 氟里昂受热气化，流动的体积扩大，必须同时扩大流通面积，以限制流速和流动阻力。最后， 通过两个传热管排，其中包括传热管275，经过出口管，到达氟里昂出口290，流出换热器。

折流板140和回流板160，都是换热器内的隔板。折流板140和回流板160是相间设置， 即一个折流板，接着一个回流板，再接着一个折流板，再一个回流板。折流板和回流板的端 部开口方向相反，上一个在左边开口，下一个就在右边开口，依次类推，从上到下，形成连续 的弓形隔板，和弓形流道。

污水沿着弓形的流道，从上到下，曲折流动；氟利昂在弓形流道内的弓形的传热管中， 从下向上流动。这是针对作为蒸发器的换热器，如果是冷凝器，流动方向都相反。水与氟利 昂换热总是逆流换热，能获得最好的传热效果。

在箱形的换热器壳体，与折流口相邻的立面侧板上，对应每一个流道，有一个清洗口152。 利用清洗口，可以伸进摄像头观察换热器内部积垢情况，必要时，利用高压喷水管，通过清 洗口对换热器内部流道进行清洗。

为了防止污水对换热器的腐蚀，对箱体115的内表面，折流板140的两侧表面，回流板 160的两侧表面和传热管275的外表面，都要表面处理。其中，传热管的外表面，可以电镀 耐蚀金属，比如：铬、镍，其余板体表面，可以采用烤漆防腐。

图5是本发明氟里昂-污水换热器实施例的外形图。

本发明氟里昂-污水换热器实施例的氟里昂-污水换热器，是卧式壳管式换热器，它的箱 体是六面体的箱形。

在箱形的箱体内，传热管水平设置，氟利昂在传热管内流动，污水在管外。为了提高管 外污水的流速，在换热器内装有多块水平的折流板和回流板，形成污水的多层水平的流道。

制冷剂氟里昂在管内流动，充液量少，而且流速较高，容易解决润滑油返回压缩机的问 题。此外，由于污水在传热管外，传热管不会冻裂。

本发明氟里昂-污水换热器实施例，既可以作为蒸发器，也可以作为冷凝器。

当它作为蒸发器时，氟里昂从氟里昂进口210进入换热器，经过几个流程，经过变流管 235，再经过出口管260，从污水吸热，污水被降温，氟里昂蒸发，氟里昂蒸汽从氟里昂出口 290输出。污水从换热器上方的污水进口110进入，从换热器下方的污水出口190排出。

当它作为冷凝器时，进出口相反，氟里昂蒸汽从上方进入换热器，氟里昂蒸汽向污水传 热，污水被加温，氟里昂凝结，液态的氟里昂从换热器下方输出。污水则从下方进入，从上 方流出。

污水与氟里昂总是采取对流换热，可以获得最好的换热效果。

采用氟里昂在管内的卧式壳管式换热器，作为本发明氟里昂-污水换热器实施例，主要是 考虑当它被用作蒸发器时，制冷剂中的润滑油，可以随着管内制冷剂的高速流动，一起返回 压缩机。特别是当采用氟里昂作为制冷剂时，这几乎是唯一可以选择的形式，因为，润滑油 比氟里昂轻，若在传热管外，很难分离出去。