热交换器、包括热交换器的能源回收装置及能源回收系统

摘要

一种热交换器、包括热交换器的能源回收装置及能源回收系统。包括：具导入第一流体的开口、空腔及出口的第一流体收集器；具连通第一流体收集器的开口和出口的第一流体通道的第一流体导流件；具第二流体入口、分流腔、多条热交换管、集流腔及第二流体出口的第二流体导流件，多条热交换管的外壁与第一流体通道的内壁间构成多个第一流体环状空间。其中温度异于第一流体温度的第二流体从第二流体入口导入并流经多条热交换管，与流经第一流体环状空间的第一流体进行热交换，使第二流体改变温度并从第二流体出口导出。热交换后的第二流体通过在外部被加热或冷却或与经预加热或预冷却的第三流体混合调节流量并经使用后作为导入第一流体收集器的第一流体。

说明书

技术领域

本发明涉及热交换器、包括该热交换器的能源回收装置及能源回收系统，特别涉及一种用于从流体中回收能源的热交换器、包括该热交换器的能源回收装置及能源回收系统。 

背景技术

在日常生活中，人们会使用不同洗涤设施进行清洁、洗涤。这些设施包括，例如，浴室淋浴器、洗涤槽、洗头槽等。但是，如果这些洗涤设施采用热水作为洗涤介质，其所排放废水中通常仍含有大量热能，从而造成能源浪费。 

一直以来，人们尝试采用各种方法回收和利用这些白白流失的能源。例如，美国专利US4,304,292公开了一种放置于浴室的热回收装置，参照图1A和图1B所示，其热交换器包括由金属管屈曲成螺旋形的热交换管114、116，其同心置于开设在基座100的上表面102的螺旋形废水凹坑104、106内，淋浴产生的废水由地板124经通孔128向下流并沿该螺旋形废水凹坑104、106流向中央排放口108下面的排水接头110及排水管112，冷水经水龙头管56’从入水管120流经螺旋形热交换管114、116，与热交换管外的废水进行热交换而升温，再经出水管122导出。但是，该热回收装置存在着以下问题： 

(1)热回收效率低： 

(a)由于废水经单一条凹坑流向排水口，该凹坑必须有足够空间以供大量废水通过。但当用水量少时，废水量少，废水只可淹浸热交换管的底部，热交换管只可于底部发挥其热交换功能，故回收效率有限； 

(b)当用水量大时，废水充满着整个凹坑，但由于热交换管壁及凹坑周壁的阻力，大部分废水只于热交换管顶部的空隙以高速流走，而未能与热交换管内的冷水进行热交换。加上水流的层流现象，高速流走的热水并未有 充分与热交换管壁邻近已被冷却的废水混合。这都引致低回收效率； 

(c)由于冷水经单一管道流向出口，热交换管须有相当的内径以足够供冷水通过。但热交换只会于管壁进行，由于管壁的阻力，热交换管中心的冷水会以较高速通过而未被充分加热。加上管中水流的层流现象，中心的冷水并未与管壁处已被加热的水充分混合，也引致低回收效率。 

(2)须较长时间才可达致最高温度：冷水须要由热交换管的一端流向另一端才能完成整个热交换过程，但基于上述原因，为了增加热回收量，该热交换管必须具备相当长度，故冷水须较长时间才能达到最高的稳定温度。 

(3)该热交换管被屈曲盘绕成螺旋形，但大部分浴室为方形，故未能尽用浴室地面以作热交换。 

(4)该热交换装置只适合安放于浴室，并不适合安放于洗涤槽等设施。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于从流体中回收能源的热交换器、一种包括该热交换器的能源回收装置，以及一种能源回收系统，其能源回收效率高，安装简单，使用方便，并且易于清理。 

为达上述目的，根据本发明的第一方面，提供一种热交换器，其包括：第一流体收集器，其具有开口、空腔及第一流体出口，其中，开口用于导入第一流体，第一流体出口用于导出第一流体；第一流体导流件，其具有连通第一流体收集器的开口和第一流体出口的一条或多条第一流体通道；以及第二流体导流件，其具有第二流体入口、分流腔、多条热交换管、集流腔及第二流体出口，其中，第二流体入口用于导入其温度异于第一流体的温度的第二流体，使之进入分流腔后平行进入多条热交换管，再于集流腔中汇集，然后导出第二流体出口，第二流体导流件放置于第一流体收集器的空腔内，多条热交换管的外壁与第一流体通道的内壁之间构成多个第一流体环状空间，包围着多条热交换管；其中，流经多条热交换管的第二流体与流经第一流体环状空间的第一流体进行热交换，使第二流体改变温度，然后从第二流体出口导出。 

在上述的热交换器中，第二流体导流件和第一流体导流件配置成使流经多条热交换管的第二流体与流经第一流体环状空间的第一流体按相反的方向流动。 

在上述的热交换器中，第一流体导流件可拆卸地安装于空腔内；第二流体导流件可拆卸地安装于空腔内。 

在上述的热交换器中，每条热交换管的中心线是呈直线的，可以是相互平行的。 

在上述的热交换器中，热交换管的截面是圆形的，也可以是多边形的。 

在上述的热交换器中，第一流体环状空间是均匀的。 

在上述的热交换器中，多个第一流体环状空间内具有用以促进第一流体非轴向流动的第一流体非轴向导流结构。 

在上述的热交换器中，第一流体非轴向导流结构为螺旋状结构。 

在上述的热交换器中，第一流体非轴向导流结构形成于第一流体通道的内壁，也可以是与热交换管连成一体。 

在上述的热交换器中，热交换管的中央设置有条状阻流件，其与热交换管的内壁之间构成供第二流体通过的第二流体环状空间。 

在上述热交换器中，热交换管的一端封闭，条状阻流件为中空条状阻流件，其内部形成管道，并于邻近热交换管的封闭端与第二流体环状空间连通。 

在上述的热交换器中，第二流体环状空间是均匀的。 

在上述的热交换器中，第二流体环状空间内具有用以促进第二流体非轴向流动的第二流体非轴向导流结构。 

在上述的热交换器中，第二流体非轴向导流结构为螺旋状结构。 

在上述的热交换器中，第二流体非轴向导流结构与热交换管连成一体，也可以是与条状阻流件连成一体。 

在上述的热交换器中，中空条状阻流件由隔热材料或隔热结构制成。 

根据本发明的第二方面，提供一种能源回收装置，其包括，如上所述的热交换器；外部装置，用于使从热交换器的第二流体出口导出的热交换后的第二流体通过该外部装置被改变温度至合适的使用温度并经使用后作为导入热交换器的第一流体收集器的开口的第一流体。 

在上述的能源回收装置中，该外部装置包括加热器或冷却器，使从第二流体出口导出的热交换后的第二流体被加热或冷却，经使用后导入第一流体收集器的开口的第一流体的温度高于或低于导入第二流体入口的第二流体的温度。 

在上述的能源回收装置中，该外部装置包括使从第二流体出口导出的热 交换后的第二流体与外部的预加热或预冷却的第三流体混合而升温或降温的混合器，经使用后导入第一流体收集器的开口的第一流体的温度高于或低于导入第二流体入口的第二流体的温度。 

在上述的能源回收装置中，第一流体为废水，第二流体为清水。 

在上述的能源回收装置中，热交换器安装于浴室的淋浴器的基座上，或者安装于浴缸或洗涤设施的洗涤槽的底部，或者与淋浴器的基座或浴缸、洗涤设施的洗涤槽的底部形成一体。 

根据本发明的第三方面，提供一种能源回收系统，其包括：如上所述的能源回收装置；第二流体源，热交换器的第二流体入口直接或间接地连接于该第二流体源，用于对该第二流体入口提供第二流体；以及流体排放管道，热交换器的第一流体收集器的第一流体出口直接或间接地连接至该流体排放管道；其中，加热器或冷却器的入口直接或间接与热交换器的第二流体出口连接，用于对从第二流体出口导出的第二流体进行加热或冷却，加热或冷却器的出口用于将加热或冷却后的第二流体导出以供使用；其中，热交换器的第一流体收集器的开口将经使用后其温度高于或低于第二流体的温度的第一流体导入，使之与流过第二流体导流件的多条热交换管的第二流体进行热交换，使第二流体升温或降温并从第二流体出口导出，其中，经过热交换后的第一流体由第一流体出口排放至该流体排放管道。 

根据本发明的第三方面，还提供一种能源回收系统，其包括：如上所述的能源回收装置；第二流体源，热交换器的第二流体入口直接或间接地连接于该第二流体源，用于对该第二流体入口提供第二流体；第三流体源，用于提供预加热或预冷却的第三流体；以及流体排放管道，热交换器的第一流体收集器的第一流体出口直接或间接地连接至该流体排放管道；其中，混合器包括流体温度及流量调节器，其入口直接或间接与热交换器的第二流体出口及第三流体源连接，用于将从第二流体出口导出的热交换后的第二流体与来自第三流体源的预加热或预冷却的第三流体进行混合并调节其温度和流量以供使用，混合的流体经使用后成为导入第一流体收集器的开口的第一流体；其中，热交换器的第一流体收集器的开口将经使用后其温度高于或低于第二流体的温度的第一流体导入，使之与经过第二流体导流件的多条热交换管的第二流体进行热交换，使第二流体升温或降温并从第二流体出口导出，其中，经过热交换后的第一流体由第一流体出口排放至该流体排放管道。 

本发明的优点在于，根据本发明的热交换器、能源回收装置及能源回收系统，可以高效地回收流体中的能源，同时其安装简单，使用方便，并且易于清理，其适合于在淋浴器或洗涤槽等设施中使用。 

附图说明

下面参照附图来示例性地说明本发明的基本构造，其中： 

图1A是现有技术中一种热回收装置的平面图； 

图1B是沿图1A中线10-10的剖视图，示出了其热交换器的结构细节； 

图2是本发明热交换器第一实施例的结构示意图； 

图3是图2中所示热交换器的分解透视图； 

图4是图3中所示冷水导流件的局部剖视透视图； 

图5是沿图2中剖切面V-V的剖视图，示出了热交换器的装配结构； 

图6是本发明热交换器第二实施例的结构示意图； 

图7是图6中所示热交换器的分解透视图； 

图8是图7中所示废水导流件的分解透视图； 

图9是图7中所示冷水导流件的透视图； 

图10是图7中所示冷水导流件的分解透视图； 

图11是图7中所示冷水导流件的剖开透视图；以及 

图12是图6中热交换器的剖开透视图，示出了该热交换器的装配结构。 

具体实施方式

本发明涉及一种热交换器以及包括该热交换器的用于从流体中回收能源的能源回收装置。上述流体可以是例如水等的液体，也可以是例如蒸汽等。下面参照附图，通过仅仅是举例方式描述本发明热交换器与浴室的淋浴器以及洗涤设施的洗涤槽相结合的实施例。应当理解，本发明并不受其限制。 

图2-图5示出了本发明热交换器第一实施例的结构，说明其结合于浴室的淋浴器的情况。 

如图2-图4中所示，热交换器1安装于浴室基座9，其包括废水收集器11、废水导流件12及冷水导流件13。 

如图3和图4中所示，废水收集器11具有开口111、废水出口112、空腔113及多条半圆形的通道114。废水导流件12具有围边122、通孔121、 设于底部的多条半圆形通道123及平台124。冷水导流件13具有冷水入口131、分流腔132、多条热交换管133、集流腔134、温水出口135及位于热交换管133内的条状阻流件136。条状阻流件136的表面凸出形成有螺旋状的冷水导流墙137，热交换管133的外壁凸出形成有螺旋状的废水导流墙138。 

图5示出了热交换器1的装配结构。废水导流件12平放于废水收集器11的开口111内，使废水收集器11的多条半圆形通道114与废水导流件12底部的多条半圆形通道123共同形成多条通向废水出口112的圆形管道。冷水导流件13放置于空腔113内，使多条热交换管133与多条由上下半圆形通道114及123所形成的圆形管道基本同心，形成大致均匀的废水环状空间141，包围着多条热交换管133。在装配时，废水收集器11的各半圆形通道114之间的间隔壁与废水导流件12底部的各半圆形通道123之间的间隔壁相互之间可以留有间隙，使得形成的各圆形管道互相连通。 

使用时，冷水入口131直接或间接地连接至建筑物的冷水源(图中未示)，温水出口135连接至外部的加热器(图中未示)，用以将从温水出口135导出的温水加热成为适温水，或者将温水出口135连接至浴室的水温及流量调节器(图中未示)，用以使从温水出口135导出的温水与来自浴室的热水源(图中未示)的热水混合成为适温水以供淋浴。淋浴者站立于平台124上淋浴，淋浴后的废水由平台124收集后经通孔121流入腔室113，再流入多个废水环状空间141，然后流向废水出口112，并从废水收集器11与浴室基座9之间的间隙142流向浴室排水口91。与此同时，冷水从冷水入口131导入冷水导流件13后，经分流腔132平行进入多条热交换管133与条状阻流件136之间的冷水环状空间139，并流向集流腔134，期间，冷水与管外以相反方向流过的热废水通过热交换管壁进行热交换，并被升温成为温水。温水于集流腔134汇集后于温水出口135接驳至浴室的外部装置中的加热器或水温及流量调节器(图中未示)以供淋浴。 

废水流经废水环状空间141时受阻于热交换管133外壁凸出的螺旋状的废水导流墙138，一部分会沿螺旋状的废水导流墙138螺旋前进；一部分会于该螺旋状的废水导流墙138顶部与多条由上、下半圆形通道114及123所形成的圆形管道内壁之间的间隙140直线前进，两种水流互相干扰，有效破坏废水的层流(laminar flow)，使废水于前进时能充分混合并作有效热交换。 此外，该螺旋状的废水导流墙138亦增加了热交换管133的热交换面而增加热交换效率。 

冷水流经冷水环状空间139时，受阻于从条状阻流件136表面凸出的螺旋状的冷水导流墙137，一部分会沿螺旋状的冷水导流墙137螺旋前进，一部分会于该螺旋状的冷水导流墙137顶部与热交换管内壁之间的间隙142直线前进，两种水流互相干扰，有效地破坏冷水的层流，使冷水于前进时能充分混合并作有效热交换；此外由于条状阻流件136占据了热交换管中央大部分空间，管中只残留了少量冷水，淋浴时热交换器1能较快地达到稳定状态，减少调节水温时流失的清水。 

当使用一段时间后，装置内难免积聚污垢，影响能源回收效能，使用者只须移开废水导流件12就能清理内部污垢，以保持高能源回收效率。使用者甚至可取出冷水导流件13进行清洗。 

上面参照附图清楚说明了本发明热交换器的一种实施例，但是，本发明并不受其限制。例如，图4中所示的冷水导流件13只有八条热交换管133，但实际上一个一平方米的浴室，其地面便足以安放具有数以拾计甚至上百条热交换管的热交换器。此外，所示热交换器1为一安装于浴室地面的外置件，但其亦可安装于浴缸底部或淋浴器基座上或者与之构成一体。此外，所示热回收装置的热交换管为圆形，但为增加热交换面积，其亦可为长方形或多边形结构。 

图6-图12示出了本发明热交换器第二实施例，说明其结合于洗涤设施的洗涤槽的情况。 

如图6中所示，热交换器2安装于洗涤槽8及桌面7底下，并以防水垫31，32及紧固件33固定。 

如图7和图8中所示，热交换器2包括废水收集器21、废水导流件22、冷水导流件23(参见图9-图11)及废水连接器24。废水收集器21具有开口211、空腔212、废水出口213及位于底部的2个通孔214、215。废水导流件22包括底座223、多条圆筒222、顶盖221及手柄224。其中，圆筒222由吹塑(blow moulding)形成，其内部具有螺旋状的废水导流墙225。废水连接器24具有空腔241及废水出口242，废水连接器24用防水垫243、244及旋盖245、246固定于废水收集器21上。 

如图9至图11中所示，冷水导流件23包括冷水入口231、分流腔232、 多条一端封闭的热交换管233、中空条状阻流件236、集流腔234及温水出口235。该多条热交换管233的内壁凸出形成有螺旋状的冷水导流墙237。 

废水导流件22可拆卸地放置于废水收集器21的空腔212内，使该多条内部有螺旋状的废水导流墙225的圆筒222于开口211与废水出口213之间形成多条废水通道，并且多条热交换管233与多条内部有螺旋状的废水导流墙225的圆筒222基本同心，形成大致均匀的废水环状空间251(参照图12)，包围着多条热交换管233。 

图12示出了热交换器2的装配结构。使用时，冷水入口231直接或间接地连接至建筑物冷水源(图中未示)，温水出口235连接至外部的加热器(图中未示)，用以将从温水出口235导出的温水加热成为适温水，或者将温水出口235连接至洗涤槽的水温及水量调节器(图中未示)，用以使从温水出口235导出的温水与来自洗涤槽热水源(图中未示)的热水混合成适温水以供洗涤使用。洗涤时产生的热废水流经废水收集器开口211后进入废水导流件22再流入由该内部有螺旋状的废水导流墙225的圆筒222与热交换管233之间的废水环状空间251流向废水出口213，进入废水连接件24的空腔241再从废水出口242连接至建筑物的排水管(图中未示)。与此同时，冷水从冷水入口231导入冷水导流件23后经分流腔232平行进入多条热交换管233与中空条状阻流件236之间的冷水环状空间239向上流动至热交换管233的封闭端，再经中空条状阻流件236中央的管道流向集流腔234，期间与热交换管233外以相反方向流过的热废水通过热交换管壁进行热交换，并被升温成温水。温水于集流腔234汇集后于温水出口235接驳至外部的加热器(图中未示)加热成为适温水，或者接驳至洗涤槽的水温及水量调节器(图中未示)与热水混合成适温水以供使用。 

废水流经废水环状空间251时受阻于螺旋筒222的螺旋状的废水导流墙225，一部分会沿螺旋状的废水导流墙225螺旋前进，一部分会沿螺旋状的废水导流墙225顶部与热交换管236之间的间隙252直线前进，两种水流互相干扰，有效地破坏废水的层流，使废水于前进时能充分混合，并作有效热交换。 

冷水流经冷水环状空间239时受阻于热交换管233内壁的螺旋状的冷水导流墙237，一部分会沿螺旋状的冷水导流墙237螺旋前进，一部分会沿该螺旋状的冷水导流墙237与中空条状阻流件236之间的间隙238直线前进， 两种水流互相干扰有效破坏冷水的层流使冷水前进时能充分混合并作有效热交换。此外该螺旋状的废水导流墙237亦增加了热交换管233的热交换面以增加热交换效率。 

为免温水于中空条状阻流件236中央流向集流腔234时与中空条状阻流件236外未完全被升温的冷水进行不必要的热交换，该中空条状阻流件236可用良好热绝缘体如塑胶制造，或由良好绝缘体如中空的双壁结构形成。 

当使用一段时间后，装置内难免积聚污垢，影响热回收效能，使用者只须拿着手柄224，就能把整个废水导流件22取出，用清水冲洗或用长柄圆形小刷子清理螺旋筒222内的污垢，以保持高热回收效率。由于螺旋筒222内的螺旋状的废水导流墙225包围着热交换管236，特别是其最底部的一至两圈螺旋状的废水导流墙部分255被设计成紧套着热交换管233，取出废水导流件22时热交换管233上的污垢会一并被刮走，无须刻意清理。 

上面结合附图清楚说明了本发明热交换器的第二种实施例，但是，本发明并不受其限制。例如图中所示的冷水导流件23只有4条热交换管236，但以现时通用于发廊的洗发槽为例，其中心去水孔径约为85毫米，放置于其内的热交换器2足可容纳数拾条热交换管233。此外所示热交换器为一安装于洗涤槽底部的外置件，但只要稍加改变其也可安装于浴室或与洗涤槽或浴室构成一体。此外由于该中空条状阻流件236占据了热交换管中央大部分空间，管中央只残留了少量冷水，使用时该热交换器能较快地达到稳定状态，减少调节水温时流失的清水。 

下面说明本发明的包括上面所述的热交换器1，2的能源回收装置的第一种实施例，其中具有外部装置中的加热器(图中未示)，用于使从热交换器1，2的温水出口135，235(第二流体出口)导出的热交换后的温水(第二流体)通过该加热器被加热至合适的使用温度并经使用后作为导入热交换器1，2的废水收集器11，21(第一流体收集器)的开口111，211的废水(第一流体)。经使用后导入第一流体收集器的开口的第一流体的温度高于导入第二流体入口的第二流体的温度。 

下面说明本发明的包括上面所述的热交换器1，2的能源回收装置的第二种实施例，其中具有外部装置(图中未示)，该外部装置包括使从温水出口135，235(第二流体出口)导出的热交换后的温水(第二流体)与外部的预加热的热水(第三流体)混合而升温的混合器(图中未示)，经使用后导入第 一流体收集器的开口的第一流体的温度高于导入第二流体入口的第二流体的温度。 

另一方面，本发明的能源回收系统(图中未示)包括前面描述的能源回收装置，其中还包括第二流体源、流体加热或冷却器、第三流体源、流体温度及流量调节器以及流体排放管道。下面通过仅仅是举例的方式，结合前面描述的的与浴室的淋浴器以及洗涤设施的洗涤槽相结合的热交换器1、2来描述本发明的能源回收系统的实施例。应当理解，本发明并不受其限制。 

在本实施例中，第二流体源可以是冷水源(图中未示)，热交换器1、2的冷水入口131、231(第二流体入口)直接或间接地连接于该冷水源，用于对冷水入口131、231提供冷水(第二流体)。流体加热或冷却器，可以是热水器(图中未示)，用于对从温水出口135、235(第二流体出口)导出的第二流体进行加热后导出。本发明可以设置第三流体源以代替流体加热或冷却器，第三流体源可以是热水源(图中未示)，用于提供预加热的热水(第三流体)。流体温度及流量调节器可以是一种水温及水量调节器(图中未示)，其直接或间接与热水器或热水源及热交换器1、2的温水出口135、235(第二流体出口)连接，用于将被热水器加热的热水或来自热水源的预加热的热水与从温水出口135、235导出的升温的温水(第二流体)混合而调节成具有适合于使用的温度以供使用。混合的流体经使用后成为废水(第一流体)。热交换器1、2的废水收集器11、21(第一流体收集器)的开口111、211将经使用后其温度高于冷水(第二流体)的温度的废水导入，使之经过冷水导流件13、23(第二流体导流件)的多条热交换管133、233与冷水进行热交换，使冷水升温并从温水出口135、235导出。在本实施例中，还设有排水管道(流体排放管道，图中未示)，废水收集器11、21的废水出口112、213(第一流体出口)直接或间接地连接至排水管道，将经过热交换后的废水排放掉。 

上面说明了本发明能源回收装置及能源回收系统的用于回收热能实施例，其中第二流体的温度为低于第一流体的温度；但是，本发明也可用于回收冷能，其中第二流体的温度为高于第一流体的温度。 

上面参照附图清楚说明了本发明热交换器、能源回收装置及能源回收系统的实施例，但是，应当理解，本发明并不受其限制。本领域技术人员能够对其进行改进和变型而不脱离本发明的精神范围。