带淋激椭圆腔板式换热器的污水源热泵系统

摘要

带淋激椭圆腔板式换热器的污水源热泵系统，它涉及一种污水冷热能回收系统。本发明解决了现有的普通热泵系统中与污水接触的换热器易出现腐蚀、结垢、堵塞等情况、换热器换热效率低、换热效果差、稳定性差的问题。淋激椭圆腔板式换热器(1)由清洗液喷淋器(11)、污水布水器(12)、若干个椭圆腔板(13)、底部集水排放装置(14)及框架装置(15)组成；清洗液喷淋器(11)设置在污水布水器(12)的上方，框架装置(15)设置在污水布水器(12)的下方，若干片椭圆腔板(13)固定安装在框架装置(15)内，底部集水排放装置(14)设置在框架装置(15)的底部。本发明具有不易出现腐蚀堵塞、换热效果好、运行长期稳定可靠的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种污水冷热能回收系统，具体是一种带淋激椭圆腔板式换热器的污水热泵系统。

背景技术

城市污水是一个优良的低温余热源，它包括生活污水和工业废水，可根据处理程度分为原生污水和处理后污水。城市污水水温冬暖夏凉，全年水温变化幅度相对较小。污水热能的赋存量较高，可在低温区进行，并且可利用区域较广。用热泵回收利用城市污水冷热能，使废弃能源作为新能源得以循环利用，可以用来满足城市供热、空调和热水供应等的能源需求，从而大大提高能源利用率，还可降低对石化燃料的依赖，从而减少CO₂、NO_X、SO_X及粉尘等污染物的发生量，对控制大气污染，保护环境十分有益。但由于污水水质的特殊性，尤其是原生污水，含有悬浮物、油脂类、大颗粒污染物、毛发等纤维状物质，并具有一定粘度，而目前使用的喷淋装置大都以喷嘴实现喷淋，喷嘴结构复杂，在喷淋污水时，短期运行内即易出现堵塞、结垢等情况，严重影响喷淋效果，常常致使普通热泵系统中与污水接触的换热器出现腐蚀、结垢、堵塞等情况，致使换热器换热效率低，换热效果差。

热泵系统中，与污水接触的换热器常用的有浸没式和壳管式，浸没式换热器是由直管或螺旋状弯管组成。浸没式换热器的缺点是管外液体流速低，传热温差不大，传热系数低。因此换热面积较大，体积庞大，且对工况的改变不敏感。壳管式换热器，传热系数较高。污水可在壳侧，也可在管侧。若污水在管侧流动，容积流量小，需增大换热管管径，导致壳体直径增大，使壳管式换热器结构紧凑的优点不复存在。若污水在壳侧流动，为加大流速，需在管外空间装设折流板，污水曲折流动多次，在壳侧空间更容易发生积垢和阻塞，且壳侧不易清洗。

发明内容

本发明为了解决现有的普通热泵系统中与污水接触的换热器易出现腐蚀、结垢、堵塞等情况，换热器换热效率低、换热效果差、稳定性差的问题，进而提供了一种带淋激椭圆腔板式换热器的污水源热泵系统。

本发明的技术方案是：带淋激椭圆腔板式换热器的污水源热泵系统包括四通换向阀、压缩机、膨胀阀、用户端换热器、污水泵、清洗液泵、用户水系统循环泵；四通换向阀的右端口、用户端换热器、膨胀阀通过制冷剂管路依次连通，压缩机的出口端与四通换向阀下端口通过制冷剂管路连通，压缩机的入口端与四通换向阀上端口通过制冷剂管路连通，用户水系统循环泵设置在用户端换热器与用户终端之间并与用户端换热器、用户终端通过水管分别连通；它还包括淋激椭圆腔板式换热器，所述的淋激椭圆腔板式换热器设置在四通换向阀和膨胀阀之间并与四通换向阀的左端口、膨胀阀通过制冷剂管路分别连通，所述的污水泵、清洗液泵分别与淋激椭圆腔板式换热器通过水管连通，所述的淋激椭圆腔板式换热器由清洗液喷淋器、污水布水器、若干个椭圆腔板、底部集水排放装置及框架装置；清洗液喷淋器设置在污水布水器的上方，框架装置设置在污水布水器的下方，若干片椭圆腔板固定安装在框架装置内，底部集水排放装置设置在框架装置的底部。

本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的带淋激椭圆腔板式换热器的污水源热泵系统，具有结构简单、换热效果好、运行长期稳定可靠的优点。热泵系统中利用带淋激式椭圆腔板式换热器来回收利用污水冷热能，可有效避免换热器被污水腐蚀和堵塞，并可及时清除污垢，而且热泵系统中污水布水器和清洗液喷淋装置的使用可使除垢方法简单可靠。本发明大大提高了换热器的换热效率和提高热泵系统的能效比，从而使污水源热泵系统长期稳定高效地运行。

附图说明

图1是本发明的系统原理图(直接换热式，虚线箭头表示夏季水流方向，实线箭头表示冬季的水流方向)，图2是本发明的系统原理图(间接换热式，虚线箭头表示夏季水流方向，实线箭头表示冬季的水流方向)，图3是淋激椭圆腔板式换热器结构示意图，图4是椭圆腔板的第一种形式结构示意图(正逆流，51是制冷剂或中介水垂直向上的流向，52是污水垂直向下的流向)，图5是椭圆腔板的第二种形式结构示意图(交叉流，53是制冷剂或中介水同向向里或向外的流向，54是污水垂直向下的流向)，图6是椭圆腔板的第三种形式结构示意图(交叉流，55是制冷剂或中介水异向向里或向外的流向，56是污水垂直向下的流向)，图7是污水布水器结构示意图，图8是图7的A-A剖视图，图9是框架装置结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1、图3所示，本实施方式的带淋激椭圆腔板式换热器的污水源热泵系统，它由四通换向阀2、压缩机3、膨胀阀4、用户端换热器5、污水泵6、清洗液泵7、用户水系统循环泵8、其特征在于它还包括淋激椭圆腔板式换热器1组成；四通换向阀2的右端口、用户端换热器5、膨胀阀4通过制冷剂管路依次连通，压缩机3的出口端与四通换向阀2下端口通过制冷剂管路连通，压缩机3的入口端与四通换向阀2上端口通过制冷剂管路连通，用户水系统循环泵8设置在用户端换热器5与用户终端73之间并与用户端换热器5、用户终端73通过水管分别连通；所述的淋激椭圆腔板式换热器1设置在四通换向阀2和膨胀阀4之间并与四通换向阀2的左端口、膨胀阀4通过制冷剂管路分别连通，所述的污水泵6、清洗液泵7分别与淋激椭圆腔板式换热器1通过水管连通，所述的淋激椭圆腔板式换热器1由清洗液喷淋器11、污水布水器12、若干个椭圆腔板13、底部集水排放装置14及框架装置15；清洗液喷淋器11设置在污水布水器12的上方，框架装置15设置在污水布水器12的下方，若干片椭圆腔板13固定安装在框架装置15内，底部集水排放装置14设置在框架装置15的底部。清洗液进入管63设置在清洗液喷淋器11上，污水进入管62设置在污水布水器12上，污水排出管61设置在底部集水排放装置14上。利用淋激椭圆腔板式换热器，冬季从污水中回收热能，夏季从污水中回收冷量，冬夏转换通过四通换向阀实现。本实施方式为直接换热式污水源热泵系统，用户端换热器5(冬季为冷凝器，夏季为蒸发器)。

淋激式换热器结构简单，形式开放，易于清洗和维护，安装制造方便，制造费用低；在处理腐蚀性流体时，可以采用多种材质，更换传热元件方便。其抗结垢和防堵塞防腐蚀性能优于壳管式换热器。污水(可以是原生污水，也可以是处理后污水)通过淋激装置均匀的淋洒在传热元件上(通常为圆管或平板)，并以液膜或少量液滴和液流的状态沿管壁或板壁流下，与此同时与制冷剂或水等介质换热。淋激在传热面上的液膜较薄，且受重力作用，流动加强，与浸没式换热器管外自然对流相比，换热系数较高，并且膜表面少量液体蒸发，加强传热，因此淋激式换热器传热效率明显高于浸没式。此外当安装场地没有高度的限制时，淋激式换热器可仅占比较狭窄的地方即可。

带淋激椭圆腔板式换热器在喷淋污水时，使污水落于传热元件上形成均匀稳定的液膜，喷淋液膜能使换热性能加强。选择传热元件时，本发明吸取了常用传热元件——圆管和平板的优点，提出椭圆腔板这种新型的传热元件。椭圆腔板比圆管，更具流线型，比平板湍动加强，将其用于热泵系统与污水接触的淋激式换热器中回收污水热能，能够增强传热，并有效延缓结垢。针对换热器的喷淋结构，采用原理简单，实际操作可靠的喷淋清洗法。即利用具有一定压力的水流，还可添加酸碱清洗剂、杀生剂、缓蚀剂、阻垢剂等，定期喷淋以清除表面污垢，污水中的油垢可采用喷热水的方法。清洗液喷淋装置可以采用耐腐蚀的喷嘴产品实现。

具体实施方式二：如图4所示，本实施方式所述的椭圆腔板13由两片带有若干个半个椭圆腔的板材13-1组成，两片带有半个椭圆腔的板材13-1相向连接在一起形成若干个相通的椭圆腔。本实施方式可以以金属平板为基础，将平板轧制带有若干个半个椭圆腔的波浪板，将每两个这样的板片组成一对儿形成若干个椭圆腔，并将边缘焊死，中间进行定距离点焊，焊点可布置成矩形或三角形，这样在两板片之间形成连通的椭圆腔，即供制冷剂或中介水流动的单程或多程流动，而污水在椭圆腔板外呈液膜状流动，污水液膜受重力垂直下降，腔板内制冷剂或水下进上出，二者成平行的正逆流流动，换热温差较大，换热加强。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图5所示，本实施方式所述的椭圆腔板13是由若干个椭圆管13-2组成，所述的椭圆管13-2并排固定连接在一起。本实施方式以热轧成型的椭圆管为基础，将多根水平椭圆管并排，上下焊接，组成一个椭圆腔板。制冷剂或中介水沿椭圆管水平流动，水在椭圆腔板外呈液膜状垂直向下，二者成交叉流流动。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：如图6所示，本实施方式所述的椭圆腔板13是由若干个椭圆管13-3、若干个金属板13-4组成，每两个椭圆管13-3之间通过金属板13-4固定连接。本实施方式以热轧成型的椭圆管为基础，将多根水平椭圆管并排，每两个中间加金属板，上下焊接。即每根水平椭圆管底端外壁上沿轴线方向固定焊接金属板，起到防止水膜偏流的作用。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：如图7所示，本实施方式所述的相邻两个椭圆腔板13之间的中心距离a为15～25mm，每个椭圆腔板13内腔的宽度b为2～5mm。污水含有纤维状和固体颗粒状物质，且具有一定粘度，因此需加大污水流道的宽度，即相邻椭圆腔板之间的距离。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

椭圆腔的曲率半径减小，腔壁曲率增大，则极限情况即为圆管，反之腔壁曲率减小，曲率半径增大，极限情况即为平板。椭圆腔板在结构上优于圆管。因为椭圆腔板相当于一列上下相连的椭圆管，不仅结构上比圆管紧凑，而且上排管子两侧流下的液膜到达管子底部不再汇集，而是直接流向下一排管子两侧，减少了液滴向外喷溅的污水量，液膜更贴附，对换热有利；另一方面椭圆腔板上的凹槽对污水液膜有一定的扰动作用，能促使汽泡运动并脱离液膜，还能有效地消除液体偏流的影响，使液膜分布更加均匀，不容易产生干涸现象，传热元件下部的换热得到改善。椭圆腔板在结构上也优于平板。平板表面对液膜的湍动程度不及椭圆腔板，传热效果不及椭圆腔板。

不论哪种形式的椭圆腔板，都使制冷剂或中介水的流速提高，增强了腔板内制冷剂或中介水等介质的换热。相邻的椭圆腔板之间形成横截面多变的流道，污水淋激在椭圆腔板外表面，改善了板外液膜的流动状况，有效地使流体产生湍流，从而降低了液膜的热阻，提高换热系数。增强传热，有效延缓结垢。多个椭圆腔板通过框架装置和制冷剂或中介水出入口接管联接，构成一族椭圆腔板束。制冷剂或中介水的出入口方向可根据需要而同侧或异侧布置。椭圆腔板内介质，直接换热时为制冷剂，间接换热时为水。在使用时，一般应选用截面形状因子(截面椭圆纵轴与横轴之比)大于1的椭圆管焊接成椭圆腔板，即选用截面为长椭圆，而非扁椭圆的椭圆管。椭圆腔板的材质可根据经济条件等采用镀锌铜，镀铝铜，铝塑，钛，不锈钢等。为防止锈蚀，与污水接触的其他装置，如污水分布器，以及框架结构等都采用镀锌材质。

具体实施方式六：如图7、图8所示，本实施方式所述的污水布水器12由外容器17、内容器18、中间槽19、第一组隔板20、第二组隔板21、污水入口管23、外容器压力计24、内容器压力计25组成；所述的内容器18水平设置在外容器17内，中间槽19设置在内容器18内，第一组隔板20、第二组隔板21分别设置在内容器18的内壁与中间槽19的外壁之间，第一组隔板20位于第二组隔板21的上方，污水入口管23和内容器压力计25分别设置在外容器17的一侧端面上并分别与外容器17连通，外容器压力计24设置在外容器17的另一侧端面上并与内容器18连通，所述的第一组隔板20由两个多孔板组成，第二组隔板21由两个多孔板组成，所述的多孔板上设置有若干个布水孔22。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

椭圆腔板顶端与污水分布器的之间的距离，以及污水分布器和清洗液喷淋器之间，应预留一定距离，以方便拆洗更换元件，但距离不宜过大，约为0.05～0.1m，距离过大将使液滴喷溅，液流偏流，不易形成稳定液膜。第一组隔板根据污水的水质差异来调节两个多孔板的交错度，从而调节布水孔的大小，第一组隔板还对污水起到过滤的作用，可以定期将其撤除，更换或彻底清理。第二组隔板根据污水流量大小来调节两个多孔板的交错度，从而调节布水孔大小。两组隔板的作用是为了控制流量和流速，防止偏流，形成垂直稳定的流膜。中间槽的槽壁起到挡水作用，使内容器内的水不是同时流下，而是沿槽壁两侧边缘对称流下。另外对制冷剂或中介水下进上回的形式，上回的制冷剂或中介水管路可从中间槽内穿出，如图5中第二种形式的椭圆腔板。流经本发明的布水器的污水，流量稳定，流速易于控制，可以在各个椭圆腔板上形成大体一致的垂直下落的稳定液膜，可有效防止偏流，使液膜贴附好，避免底部管段发生干涸现象，其实质是一种溢流型的喷淋装置。该布水器比喷嘴等常用的喷淋装置结构简单，形式开放，不易堵塞和结垢，便于清洗维护，并通过第一组隔板而具有一定的过滤作用，布水器可采用镀锌铜质，防止腐蚀，制作成本低，运行可靠，因此更适合污水喷淋使用。

具体实施方式七：如图8所示，本实施方式所述的布水孔22的直径为3～10mm。如此设计，流量稳定，易于控制。其它组成和连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：如图7所示，本实施方式所述的所述的每个内容器(18)的下方对应设有一个椭圆腔板(13)。内容器18个数与椭圆腔板13个数相同，所述的内容器18位于椭圆腔板13的正上方。污水经污水入口管，进入一个宽敞的外容器的底部，水位一直上升，直到达到内容器外壁的上边界，水就流进内容器，内容器18的个数与椭圆腔板13的个数相同，位置对应，内容器壁高低于外容器壁高。其它组成和连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式九：如图3、图9所示，本实施方式所述的框架装置15由前支柱27、活动压紧板28、固定压紧板29、上导杆30、下导杆31、压紧螺栓螺母32组成，所述的活动压紧板28位于前支柱27和固定压紧板29之间，前支柱27与活动压紧板28通过压紧螺栓螺母32连接，活动压紧板28与固定压紧板29通过上导杆30、下导杆31连接。框架结构的设计主要是使尽可能少的框架装置接触到污水，尽可能的避免结垢和腐蚀，并使结构开放，不易堵塞，并应设置部分活动部件，以满足平时安装拆卸，清洗维护方便。上下导杆用来固定椭圆腔板，并可调整其位置，保证椭圆腔板能够承受震动或高压喷淋压力的冲击。换热器只要拆下压紧螺栓和螺母，即可取下活动压紧板，从而取出、外移或增减椭圆腔板，使得清洗维修、安装使用，及时更换、增减椭圆腔板片(即增加或减少换热面积)等都十分方便。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：如图2所示，本实施方式还包括换热器9和中介水循环泵10，所述的换热器9设置在四通换向阀2和膨胀阀4之间并与四通换向阀2的左端口、膨胀阀4通过制冷剂管路分别连通，换热器9与淋激椭圆腔板式换热器1通过制冷剂管路连通，所述的中介水循环泵10设置在淋激椭圆腔板式换热器1和换热器9之间。利用淋激椭圆腔板式换热器，冬季从污水中回收热能，夏季从污水中回收冷量，冬夏转换通过四通换向阀实现。本实施方式为间接换热式污水源热泵系统，淋激椭圆腔板式换热器1(作为中间换热器)，用户端换热器5(冬季为冷凝器，夏季为蒸发器)，换热器9(冬季为蒸发器、夏季为冷凝器)。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十一：本实施方式的清洗液喷淋器11(清洗液喷淋器11的下端面上设置有若干个喷嘴16)结合换热器的淋激式结构，选用压力式喷淋清洗法，即利用具有一定压力的水流，添加酸碱清洗剂、杀生剂、缓蚀剂、阻垢剂等，或高压热水，对设备污脏表面产生冲刷、气蚀、水楔等作用以清除表面污垢。它是兼顾物理清洗和化学清洗的一种方法。喷淋清洗法是最简单的清洗除垢方法，其运行成本低。该喷淋清洗法可通过配备高压水发生装置的喷嘴来实现，如图3中的喷嘴16，喷嘴装置平时闲置，根据使用情况定期开启，喷嘴可根据实际需要选用进口的PNR喷嘴公司生产或国产北京帆宏液压喷嘴有限公司等生产的不同型号，不同材质的喷嘴。根据水质差异，换热器表面污物状态和污染程度，选用不同的喷淋压力和清洗剂，使换热器的传热元件表面的污物在清洗剂的浸润，冲击下被剥离。当硬质或粘着性污垢形成后，可采用高压喷淋。即通过高压水发生装置，产生高压水射流清洗换热器表面。选择喷嘴和清洗液泵时应满足此压力要求。除普通清水外，可供选择的清洗液还有：1酸清洗剂，碱清洗剂，因为污垢组分的溶解能力随PH值的变化有所不同，通过控制洗液的PH值达到清洗目的；2杀生剂、缓蚀剂、阻垢剂，含这些的清洗液可以使污水残留在换热器表面上的细菌微生物难以生存，从而延缓腐蚀和结垢；3保洁剂，多组分表面活性剂，除油剂等。另外还可以喷高压热水和高压饱和蒸汽。因污垢中的油污不容忽视，即可采用喷热水清洗和喷热蒸汽吹洗的办法将其解决。与污水接触的换热器长期使用必然在换热器表面形成污垢，目前国外的除垢装置有换热管自动清洗刷和自动筛滤器，螺旋线，螺旋纽带等，我们对其除垢机理了解较少，结构复杂。成型的除垢装置国内较少，其普遍适用性不强，稳定性也较差。我们选用的这种喷淋清洗法最大优点就是原理简单，实际操作方便，长期运行稳定可靠。