申请日2015.06.05
公开(公告)日2017.01.04
IPC分类号F28D7/10; F28F19/00
摘要
本发明公开了一种适用于高固体含量污水的套管式换热器，其包括作为污水通道的内套管和提供换热介质通道的外套管，所述内套管位于外套管内，其中所述内套管是截面为三角形且管壁沿管中心轴向一个方向螺旋变形而成的三角形扭曲管。本套管式污水换热器，它适用于高固体含量污水，污水中污物杂质不易在污水通道四壁结垢或形成堵塞，保证了换热器的换热效率和连续稳定操作，而且换热器的管程和壳程对流传热效率很高，使其具有较高的强化换热性能，且过程泵功耗较小。
摘要附图
权利要求书
1.一种适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于其包括作为污水通道的内套管和提供换热介质通道的外套管，所述内套管位于外套管内，其中所述内套管是截面为三角形且管壁沿管中心轴向一个方向螺旋变形而成的三角形扭曲管。
2.根据权利要求1所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于所述三角形扭曲管的截面为等边三角形。
3.根据权利要求1或2所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于该三角形扭曲管的中心轴为直线或曲线，三角形扭曲管沿管中心轴向一个方向均匀螺旋变形。
4.根据权利要求1或2所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于该三角形扭曲管的扭矩，即管壁绕管中心轴线螺旋变形360°所对应的管长，为400-700mm。
5.根据权利要求1或2所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于所述三角形扭曲管的三角形截面的内切圆直径为50-100mm。
6.根据权利要求1所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于所述外套管为圆形套管，外套管的管径大于内套管，圆形套管的半径在60-110mm范围内。
7.根据权利要求1所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于所述高固体含量污水与换热介质通过三角形扭曲管的管壁直接换热。
8.根据权利要求1所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于其包括三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头;两个三角形扭曲管在需要连接的管口部位先各自与一个三角形-圆形变截面管相连接，这两个三角形-圆形变截面管之间再通过一个圆形截面弯头相连接;多个中心轴为直线的三角形扭曲管通过多个三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头相连接构成具有多个弯曲结构的污水通道。
9.根据权利要求8所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于该换热器包括污水通道和换热介质通道，所述污水通道由一个三角形扭曲管构成，或者由多个三角形扭曲管以及用以连接三角形扭曲管的三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头构成，污水通道的两端分别设有污水进口和污水出口;所述换热介质通道由外套管与内套管之间的环隙构成，当换热介质通道有多个时，各换热介质通道单独设置或是多个换热介质通道通过连接管或接口相连通构成换热介质总通道，在所述换热介质通道或换热介质总通道上设有换热介质入口和换热介质出口。
10.根据权利要求8所述的适用于高固体含量污水的套管式换热器，其特征在于所述三角形扭曲管主要采用镀锌碳钢制成，在所述三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头的外壁上设有保温材料;所述外套管主要由不锈钢管制成，在外套管的外壁上设有保温材料。
说明书
一种适用于高固体含量污水的套管式换热器
技术领域
本发明属于换热设备领域，具体涉及一种适用于高固体颗粒含量污水的热交换设备。
背景技术
对生物质、有机固体废弃物以及生活污水的有效处理，可以有效解决我国目前面临的能源和环境的双重危机。而目前污水污物的处理工程或处理过程工艺，例如大型养殖场沼气工程、市政污水发酵处理工程、木薯发酵制酒精工程废水降解工艺等，都能够实现重要的能源气体-甲烷的产出，同时达到降解有机物以减少对空气、土壤和水体的污染。这些工程或工程配套工艺，都需要对原料、排料和反应过程进行加热或温度控制，温度是保证处理过程的正常进行的关键因素，这就要求这些工程或工艺过程的进行高效的热交换。
强化污水污物的发酵处理工程的传热过程，可以有效提升发酵水平，目前国外先进的污水、污物处理工程代表瑞典，其工程发酵效率和产气效率都高于国内水平数倍，其原因在于瑞典的工程或相关工艺过程注重热的高效利用，保证对污水原料高效加热的同时还要回收降解污水里的废热，而换热器正是其污水污物处理系统中工热流网络的核心单元。
对于以餐厨垃圾、市政污泥为代表的城镇生活垃圾，以禽畜粪污、废弃内脏皮毛为代表的大型养殖场废弃物，以及以木薯等能源作物发酵废水为代表的食品发酵废水，它们作为发酵反应原料时，其机质含量很高，且氮元素磷元素含量很高，而在处理过程中会形成较多的细菌群落，而这些有机质和微生物往往以固体小颗粒的形式或以附着在无机颗粒的形式存在，使得上述的各种污水含有较高的固体颗粒含量，使得在换热通道中易结垢与堵塞，使得过程传热效率大幅下降，系统连续稳定操作受到影响，进而带来操作和维护费用的提升。
污水体系稳定连续的换热是一世界性难题。美国专利US005758967A发明了带有特殊翅片结构的换热圆管来强化换热和预防污水体系堵塞，此后美国专利US201002128721以此为基础发明了一种污水换热器，由于翅片结构的扰流作用使得污水换热过程强化且换热管不易结垢，但这一类以圆管内插特殊翅片结构为换热管的换热器只适合固含量(wt%)在2%到4%的低固体含量体系，这是由于管内件的存在使得高固体含量体系换热时具有很大的流动阻力，过程的功耗增大。中国专利CN201110147510.8发明了窄流通道式污水换热器，其采用平板式结构可大幅降低颗粒沉积结垢作用影响到的换热面面积。但由于平板或螺旋板内扰流作用几乎没有，所以换热过程的强化无法实现，同具有强化换热结构的圆管相比，对流传热效率低，往往需要较大的换热面积。
另一方面，目前主要的扭曲结构换热管为椭圆扭曲管，虽然在强化换热性能上具有一定优势，但是其应用对象仅局限于不含固体颗粒的单相流体，例如硫酸降温、氨预热、润滑油降温等，尚无适应用于污水的研究和相关专利。而目前三角形截面直管多用于气体换热，美国专利US061827479发明了一种用于空气换热的板式换热器，其换热通道为三角形直管。
发明内容
本发明的目的是在现有技术的基础上，提供一种适用于高固体含量污水的套管式换热器;该换热器适用于TS为4-10%(wt%)的高固体颗粒含量的污水的热交换，并具有防结垢防堵塞的作用和较高的换热性能。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种适用于高固体含量污水的套管式换热器，其包括作为污水通道的内套管和提供换热介质通道的外套管，所述内套管位于外套管内，其中所述内套管是截面为三角形且管壁沿管中心轴向一个方向螺旋变形而成的三角形扭曲管。
较佳的，本发明中的三角形扭曲管的截面为等边三角形。本三角形扭曲管的中心轴为直线或曲线，在优选条件下采用直线中心轴。
本三角形扭曲管沿管中心轴向一个方向均匀螺旋变形。较佳的，该三角形扭曲管的扭矩，即管壁绕管中心轴线螺旋变形360°所对应的管长，为400-700mm。实验发现，过大的扭矩会造成在处理高固体颗粒含量的污水时会造成结垢严重，而过小的扭矩会降低换热效果并造成污水管堵塞。
在一种优选方案中，本三角形扭曲管的三角形截面的内切圆直径为50-100mm，优选54-96mm。实验发现，过大或过小的内切圆直径会影响换热效率并产生严重的内套管壁面污垢或堵塞。
本发明对外套管的结构和形状并无具体要求，理论上在外套管内可设有一根或多根内套管。兼顾各种影响因素，较佳的方案是外套管内只设一根内套管，外套管为圆形套管，外套管的管径大于内套管(以略大于为更佳)，圆形套管的半径在60-110mm范围内。
本热换器专门针对现有技术对高固体颗粒含量的污水处理不佳的问题，使得TS为4-10%(wt%)的高固体含量污水与换热介质通过三角形扭曲管的管壁直接换热，使污水在沿管流动的同时，绕管中心轴发生旋转流动，不仅提高换热效率，减小换热和流动阻力，更可保证污水的顺畅流动而不会使固体颗料附着在管壁上。
本换热器可以只由一根三角形扭曲管作为内套管，也可以采用多根三角形扭曲管作为内套管。而采用多根三角形扭曲管时，本设备可进一步包括三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头。其中三角形-圆形变截面管是管壁及截面从与三角形扭曲管对应的三角形逐渐转变成圆形的管道，而圆形截面弯头是具有一定弯曲角度的接头弯管，其角度可以根据需要在1-180度之间调整，一般采用圆形截面180°弯头。当采用三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头连接多个三角形扭曲管时，两个三角形扭曲管在需要连接的管口部位先各自与一个三角形-圆形变截面管相连接，这两个三角形-圆形变截面管之间再通过一个圆形截面弯头相连接;按这种连接方法，多个中心轴为直线的三角形扭曲管通过多个三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头相连接构成具有多个弯曲结构的污水通道。
本换热器还可以包括多个单元，其中每个单元主要由一个外套管和一个内套管组成。该单元中的外套管和内套管的结构如上所述。各单元之间通过三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头连接成完整的污水通道。而每个单元在外套管和内套管之间间隙形成的换热介质通道的两端封闭，可构成一个独立的换热介质通道并具有换热介质进出口，也可以将多个单元的换热介质通道连通构成一个整的换热介质通道。
在一种技术方案中，本换热器包括污水通道和换热介质通道，所述污水通道可以由一个三角形扭曲管构成，也可以由多个三角形扭曲管以及用以连接三角形扭曲管的三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头构成，污水通道的两端分别设有污水进口和污水出口;所述换热介质通道由外套管与内套管之间的环隙构成，当换热介质通道有多个时，各换热介质通道单独设置或是多个换热介质通道通过连接管或接口相连通构成换热介质总通道，在所述换热介质通道或换热介质总通道上设有换热介质入口和换热介质出口。
较佳的，三角形扭曲管主要采用镀锌碳钢制成，在所述三角形-圆形变截面管和圆形截面弯头的外壁上设有保温材料;所述外套管主要由不锈钢管制成，在外套管的外壁上设有保温材料。
本套管式污水换热器，它适用于高固体含量污水，污水中污物杂质不易在污水通道四壁结垢或形成堵塞，保证了换热器的换热效率和连续稳定操作，而且换热器的管程和壳程对流传热效率很高，使其具有较高的强化换热性能，且过程泵功耗较小。具体地，它具有如下优点：
1.它适用于高固体含量TS为4-10%(wt%)的污水换热，无死角，不易积垢，不易堵塞。
2.道内部通畅，无阻挡物，流动阻力损失小，泵传输功耗小。
3.污水通道管壁扭曲对传热壁面两侧流体扰动，传热效率为普通换热器的2倍以上。
4.污水通道管壁扭曲使得污水中颗粒不易沉积或滞留在污水通道四壁。