一种自清洁和抑垢的污水换热器 |
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| 申请号 | CN202011180199.2 | 申请日 | 2020-10-29 | 公开(公告)号 | CN112344764B | 公开(公告)日 | 2022-04-15 |
| 申请人 | 北京建筑大学; | 发明人 | 那威; 陈琛; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种自清洁和抑垢的污 水 换热器，包括污水 提升 泵 、上供水箱、上供水箱污水进口、上供水箱排污口、上供水箱底部布水器接管、布水器、单叶双曲面换热模组、旋转桶轴、内部限位 齿轮 、传动齿轮、动 力 齿轮、动力输出控制箱、接水箱、接水箱排污口、接水箱污水出口、污水排出泵、桶轴 支架 挡板 ，上供水箱通过 螺栓 连接或 焊接 方式固定在所述桶轴支架挡板上；布水器的下方放置所述单叶双曲面换热模组，所述单叶双曲面换热模组具体包括斜布换热盘管管列、 转轮 式盘管 框架 、换热介质入口、换热介质出口。该换热器结构紧凑，金属耗量小，污水适应范围广，且无需配合除垢设备使用，长期运行不易 结垢 ，并能保持较高的换热效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种自清洁和抑垢的污水换热器，其特征在于，包括污水提升泵、上供水箱、上供水箱污水进口、上供水箱排污口、上供水箱底部布水器接管、布水器、单叶双曲面换热模组、旋转桶轴、内部限位齿轮、传动齿轮、动力齿轮、动力输出控制箱、接水箱、接水箱排污口、接水箱污水出口、污水排出泵、桶轴支架挡板，其中： |
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| 说明书全文 | 一种自清洁和抑垢的污水换热器技术领域[0001] 本发明涉及热交换设备技术领域，尤其涉及一种自清洁和抑垢的污水换热器。 背景技术[0002] 我国工业生产和城镇生活中有许多热量储存在工业污水和生活污水中被排放掉，工业污水年排放量约400亿吨，其中有20％‑30％为中高温污水，排放温度分别在50℃和80℃以上，城市排放的低温污水中热量也占到城市总排热量的15％左右，对该部分能源的回收和利用如采用污水源热泵系统提取其热量以回收低位能源，用于城市供冷供热具有较好的节能环保意义。污水源热泵系统换热的技术难点在于复杂的污水环境，例如不同污水的PH值、硬度、及其含有的悬浮物和粘附物等，都可能造成污水换热器表面产生沉积物或附着物，运行一段时间后易发生结垢、堵塞等问题，会降低设备的换热效率，增加流动阻力，最终导致污水源热泵系统热回收效率降低，系统能耗增大等问题。 [0003] 目前工程中应用的污水换热器主要有沉浸式、板式、管壳式、宽流道式、喷淋式等形式，具体来说： [0004] 沉浸式换热器与宽流道式换热器体积较大、换热效率较低，需要配合除垢设备使用，会进一步增加使用成本；板式换热器与管壳式换热器的换热效率会随着内部狭小流道产生污垢而快速下降，甚至造成换热器堵塞，对其清理过程难度大，维护周期短，不适合质量较差如含有较大悬浮物颗粒物的污水；传统的喷淋式换热器为减小对空间占用并获得可观的换热效率往往需要采用总换热面积大、分布紧凑的换热表面来实现，将必然会增加设备成本、加工难度以及换热核心结构的复杂程度，并且喷淋式换热器虽然在短期使用中可以缩短污垢生成诱导期使结垢率远低于上述几种换热设备，但在较长周期、较为规律的运行后，流体在换热表面的规律流动仍然会导致污垢形成，此时对复杂换热结构进行清洁难度很大。 发明内容[0005] 本发明的目的是提供一种自清洁和抑垢的污水换热器，该换热器结构紧凑，所需纵向布置空间小，金属耗量小，污水适应范围广，且无需配合除垢设备使用，长期运行不易结垢，并能保持较高的换热效率。 [0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的： [0007] 一种自清洁和抑垢的污水换热器，包括污水提升泵、上供水箱、上供水箱污水进口、上供水箱排污口、上供水箱底部布水器接管、布水器、单叶双曲面换热模组、旋转桶轴、内部限位齿轮、传动齿轮、动力齿轮、动力输出控制箱、接水箱、接水箱排污口、接水箱污水出口、污水排出泵、桶轴支架挡板，其中： [0008] 所述上供水箱通过螺栓连接或焊接方式固定在所述桶轴支架挡板上，上供水箱污水进口布置于所述上供水箱的侧面中部；上供水箱排污口布置于所述上供水箱的侧面底部；上供水箱底部布水器接管均匀布于所述上供水箱的底部，并连接所述布水器； [0010] 位于所述单叶双曲面换热模组两侧的转轮式盘管框架分别通过两个内部限位齿轮连接两旋转桶轴；所述旋转桶轴安装在换热器两侧的桶轴支架挡板上；所述桶轴支架挡板左侧的旋转桶轴上固定安装传动齿轮，该传动齿轮与安装在动力输出控制箱中的动力齿轮相啮合； [0011] 所述单叶双曲面换热模组采用其旋转轴与地面水平的方式安装，内部的斜布换热盘管管列由若干换热单管倾斜安装组成，呈现多层单叶双曲面结构排布，且各层之间以及每层相邻的单管之间均通过蛇形连接为内部贯通的整体； [0012] 所述斜布换热盘管管列的两端固定在所述转轮式盘管框架上，所述转轮式盘管框架呈圆盘状，两圆心处分别留有换热介质入口和换热介质出口的预留孔； [0013] 所述换热介质入口、换热介质出口通过预留孔伸出两侧的转轮式盘管框架，并分别与外部的换热介质管道相连，连接处位于两个旋转桶轴的中空腔内，在连接处采取可旋转的密封连接。 [0014] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述换热器结构紧凑，布水器与换热模组间所需的纵向布置空间较小，金属耗量小，污水适应范围广，且无需配合除垢设备使用，长期运行不易结垢，并能保持较高的换热效率。附图说明 [0015] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。 [0016] 图1为本发明实施例提供的自清洁和抑垢的污水换热器的整体结构示意图； [0017] 图2为本发明实施例所述单叶双曲面换热模组及布水器的正视图； [0018] 图3为本发明实施例所述单叶双曲面换热模组及布水器的侧视图； [0019] 图4为本发明实施例所述单叶双曲面换热模组及布水器的俯视图。 具体实施方式[0020] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。 [0021] 下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的自清洁和抑垢的污水换热器的整体结构示意图，包括污水提升泵1、上供水箱2、上供水箱污水进口2a、上供水箱排污口2b、上供水箱底部布水器接管2c、布水器3、单叶双曲面换热模组4、旋转桶轴5a、5b、内部限位齿轮8、传动齿轮9、动力齿轮10、动力输出控制箱11、接水箱6、接水箱排污口6a、接水箱污水出口6b、污水排出泵7、桶轴支架挡板12，其中各部分连接及工作关系为： [0022] 所述上供水箱2通过螺栓连接或焊接方式固定在所述桶轴支架挡板12上，上供水箱污水进口2a布置于所述上供水箱2的侧面中部；上供水箱排污口2b布置于所述上供水箱2的侧面底部；上供水箱底部布水器接管2c均匀布于所述上供水箱2的底部，并连接所述布水器3； [0023] 所述布水器3的下方放置所述单叶双曲面换热模组4，如图2所示为本发明实施例所述单叶双曲面换热模组及布水器的正视图，如图3为单叶双曲面换热模组及布水器的侧视图，如图4为单叶双曲面换热模组及布水器的俯视图，结合图2‑4：所述单叶双曲面换热模组4具体包括斜布换热盘管管列14、转轮式盘管框架13、15、换热介质入口16、换热介质出口17，其中： [0024] 位于所述单叶双曲面换热模组4两侧的转轮式盘管框架13、15分别通过两个内部限位齿轮8连接两旋转桶轴5a、5b；所述旋转桶轴5a、5b安装在换热器两侧的桶轴支架挡板12上；所述桶轴支架挡板12左侧的旋转桶轴5a上固定安装传动齿轮9，该传动齿轮9与安装在动力输出控制箱11中的动力齿轮10相啮合； [0025] 所述单叶双曲面换热模组4采用其旋转轴与地面水平的方式安装，内部的斜布换热盘管管列14由若干换热单管倾斜安装组成，呈现多层单叶双曲面结构排布，且各层之间以及每层相邻的单管之间均通过蛇形连接为内部贯通的整体； [0026] 所述斜布换热盘管管列14的两端固定在所述转轮式盘管框架13、15上，所述转轮式盘管框架13、15呈圆盘状，两圆心处分别留有换热介质入口16和换热介质出口17的预留孔； [0027] 所述换热介质入口16、换热介质出口17通过预留孔伸出两侧的转轮式盘管框架13、15，并分别与外部的换热介质管道相连，连接处位于两个旋转桶轴5a、5b的中空腔内，在连接处采取可旋转的密封连接。 [0028] 具体实现中，如图2所示，斜布换热盘管管列14共有从内到外多层按照单叶双曲面排列的换热单管，即多个由小到大依次嵌套的单叶双曲面管排，满足方程为： [0029] [0030] 其中，a，c为正的常数，影响单叶双曲面的具体形状比例；单叶双曲面管排的中心旋转轴方向为z轴方向；旋转轴中部且与旋转轴垂直的平面为x轴y轴组成的平面；单叶双曲面旋转轴中部，即单叶双曲面的最细处与xy平面相交为一个圆周，直径为2a； [0031] 即沿中心旋转轴对称，且由内至外各层双曲面的a取值逐渐增大，控制各单叶双曲面之间的距离在1～2倍换热管管径； [0032] 其中，每层单叶双曲面上的每根换热单管均采用与单叶双曲面换热模组4的旋转轴成一定角度的安装方式，即均采用重复的同向倾斜环绕安装，使换热单管组成的换热面呈单叶双曲面； [0034] 参考图2和3，所述布水器3的布置方式具体为： [0035] 沿所述单叶双曲面换热模组4最外层单叶双曲面管排的顶端直母线的垂直投影进行平行布置，即所述布水器3以所述斜布换热盘管管列14最外层顶部的两根换热单管的垂直投影为前后边界，左右两端与转轮式盘管框架13、15内侧平齐，最终体现为一个含有一条与旋转轴平行的对角线的平行四边形布水器； [0036] 所述布水器3的污水滴落口采取多条直线分布，其位置分别与所述布水器3下部投影范围内的各根换热单管对应； [0037] 所述布水器3的安装高度控制在其左右两侧与所述单叶双曲面换热模组4的最高点恰好不接触，恰好不影响所述单叶双曲面换热模组4的正常旋转的较低位置。 [0038] 具体实现中，该布水器3采用但不局限于如锯齿溢流槽布水器的形式，其形状及安装位置根据具体安装空间进行调整；且所述布水器3的多排污水滴落口始终沿换热单管直线布置，并与换热单管留有使液滴或液柱获得一定初速度的间距。 [0039] 在所述污水换热器运行过程中，所述单叶双曲面换热模组4顺时针或逆时针旋转一定角度值后使所述布水器3的污水滴落口仍然位于顶部换热单管的正上方；所述单叶双曲面换热模组4的具体旋转周期及旋转角度根据具体污水环境的自清抑垢需求和斜布换热盘管管列14的规格来确定，例如换热管数量及间距。 [0041] 基于上述污水换水器结构，在所述污水换热器连续运行一段时间后，以转轮式盘管框架13、15上的两旋转桶轴5a、5b连线为轴，经由人工控制或自动运行的动力输出控制箱11，通过动力齿轮10与传动齿轮9带动其按顺时针或逆时针方向旋转； [0042] 旋转后，使所述斜布换热盘管管列14中按多层单叶双曲面结构排布的各换热单管与固定的布水器3的相对位置发生改变，即通过定期的旋转改变原有布水器3的液滴或液柱与斜布换热盘管管列14内各换热单管的接触顺序，接触角度和所形成液膜的流动路径来不断改变液膜的形成状态和流动状态，最终以此强化换热盘管表面流动液膜的扰动作用，达到自清洁和抑垢效果； [0043] 所述斜布换热盘管管列14表面的污垢脱落后，同污水共同落入接水箱6中，在运行间歇期，所述上供水箱2通过上供水箱排污口2b泄水、检修、清污；所述接水箱6通过接水箱排污口6a泄水、检修、清污； [0044] 其中，所述上供水箱排污口2b与接水箱排污口6a均以3％的坡度布置。 [0045] 另外，具体实现中，所述动力输出控制箱11依次连接的传动齿轮9和动力齿轮10的动力传递是通过齿轮直接啮合或传送带或链条的形式实现的。 [0046] 下面对本发明实施例所提供的污水换热器的具体运行过程进行详细说明： [0047] 污水通过管道由所述污水提升泵1提升至高处，从上供水箱污水进口2a进入上供水箱2，污水通过上供水箱底部布水器接管2c流入布水器3，并在重力作用下以液滴或液柱形态离开布水器3，经过自由落体加速以一定的速度垂直均匀滴落在单叶双曲面换热模组4的斜布换热盘管管列14顶端换热管上表面，在布水器3的布液范围内对应的每根换热单管壁面上形成连续流动的液膜，在重力的作用下，液膜沿所在换热管外壁垂直向下流动，依次流过按多层单叶双曲面结构排布并按蛇形连接的斜布换热盘管管列14中的若干换热单管，并且流速持续提高，最后垂直滴落汇集于接水箱6，污水通过接水箱污水出口6b流入下游管道，通过污水排出泵7排走； [0048] 所述换热介质由所述换热介质入口16流入斜布换热盘管管列14，换热介质在其中各通过蛇形连接的单管内依次穿梭流动，与上述流动的污水液膜通过换热管的管壁进行热交换，换热介质由进入流入斜布换热盘管管列14后由最外层换热管构成的单叶双曲面向里依次流过全部换热管构成的单叶双曲面，最后由换热介质出口17流出，进入下游管道可连接热泵机组等设备； [0049] 在该污水换热器连续运行一段时间后，以转轮式盘管框架13、15上的两旋转桶轴5a、5b连线为轴，可经由人工控制或自动运行的动力输出控制箱11，通过动力齿轮10与传动齿轮9最终带动其按顺时针或逆时针方向旋转；旋转后，使斜布换热盘管管列14中按多层单叶双曲面结构排布的各换热直管与固定的布水器3的相对位置发生改变，即通过定期的旋转改变原有布水器3的液滴或液柱与斜布换热盘管管列14内各换热单管的接触顺序，接触角度和所形成液膜的流动路径来不断改变液膜的形成状态和流动状态，最终以此强化换热盘管表面流动液膜的扰动作用，达到自清洁和抑垢效果。 [0050] 具体表现为在换热模块旋转过程中换热单管表面的液膜在重力和管倾斜角度的双重作用下以一定角度(非竖直向下)润湿换热管壁，且液滴由于换热管的安装不水平不会在管底部长时间聚集，当旋转一定角度后新的液滴从于之前不同的位置滴落在换热管表面，此时换热管的倾斜度也发生了改变，液滴润湿管壁的角度也相较上一阶段发生变化，由于单叶双曲面的结构特性，在长期使用中液膜在换热管表面的流动并不能形成明显规律，且旋转会对该过程造成明显扰动，以达到良好的自清洁和抑垢作用。 [0051] 斜布换热盘管管列14表面污垢脱落后，同污水共同落入接水箱6；运行间歇期，供水箱2通过上供水箱排污口2b泄水、检修、清污；接水箱6通过接水箱排污口6a泄水、检修、清污。 [0052] 在具体处理过程中，针对含有较多细长状污染物的污水，如含有毛发的污水，本申请的污水换热器每连续运行3天左右，以转轮式盘管框架13、15上的两旋转桶轴5a、5b连线为轴，可经由人工控制或自动运行的动力输出控制箱11，通过动力齿轮10与传动齿轮9最终带动其按顺时针或逆时针方向旋转80°～100°。 [0053] 而针对大尺度污垢较多，水质较低的污水，如原生污水，本申请污水换热器每连续运行1天左右，以转轮式盘管框架13、15上的两旋转桶轴5a、5b连线为轴，可经由人工控制或自动运行的动力输出控制箱11，通过动力齿轮10与传动齿轮9最终带动其按顺时针或逆时针方向旋转170°～190°。 [0054] 值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。 [0055] 综上所述，本发明实施例所述自清洁和抑垢污水换热器具有如下优点： [0056] 相较于沉浸式换热器体积控制更合理、换热效率更高，无需配合除垢设备使用；相较于板式换热器与管壳式换热器更不易结垢，适合长时间运行，对不同水质的污水适应性广，不会因为堵塞影响运行；相较于现有自清洁功能的喷淋式换热器，通过换热直管的斜布排列形成多层与污水液滴接触面积较大的单叶双曲面表面，换热管在相同空间覆盖率的条件下用量更少，并且可通过单叶双曲面直母线的结构特性，通过直管加工排列得到所需的复杂曲面，节省金属耗材和减小加工难度；由于单叶双曲面的结构特性可使布水器于换热模组之间的距离减小，同时留有足够的落液空间，使液滴通过在该空间内的自由落体过程获得一定初速度，节省纵向空间的占用，获得较为紧凑的外部结构。 [0057] 所述污水换热器的自清洁功能通过旋转实现，旋转过程中换热管表面的液膜呈现周期往复倾斜流动变化，相较于现有自清洁技术的规则径向垂直流动更加复杂，无规律，更有利于抑制和冲洗污垢；抑垢和自洁功能可由人工控制或自动控制实现，无须采用定期外冲洗或机械刮除、化学药剂去除以外的污水换热表面污垢，更适合长期运行。 [0058] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。 |
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