申请日2014.03.13
公开(公告)日2014.05.28
IPC分类号F25B30/06; F25B29/00; F28F9/22; F25B41/06; F25B41/04
摘要
壁式除污除垢换热一体化原生污水
权利要求书
1.壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置，其特征在于壁式除污除垢换 热一体化原生污水热泵能量提升装置由原生污水液固暂离旋流壁式换热器、给水泵(24)、 节流机构(20)、四通换向阀(21)、压缩机(22)和用户侧换热器(23)组成;
其中，所述的原生污水液固暂离旋流壁式换热器由污水入口(1)、旋流除污器(2)、 排污口(3)、引射器(7)、溢流管(8)、入口制冷剂箱(11)、喷流器(12)、套筒式旋流 换热器(14)、出口制冷剂箱(15)、制冷剂管(18)及导管(19)组成;所述的旋流除污 器(2)由上部的圆柱桶(2-1)、下部的圆锥桶(2-2)及喷流换热器(13)组成，旋流除污 器(2)的圆柱桶(2-1)下端与旋流除污器(2)的圆锥桶(2-2)焊接成相通的空腔密闭管 壳，旋流除污器(2)的圆柱桶(2-1)上端向旋流除污器(2)内部设有喷流换热器(13) 并焊接连通;所述的引射器(7)包括排污管(4)及回流管(6)，回流管(6)的左端为污 水出口(5)，回流管(6)的右端为入水口(17)，回流管(6)右端的入水口(17)与导管 (19)的一端连通;所述的溢流管(8)上端为溢流口(9)，导管(19)的另一端与溢流管 (8)上端的溢流口(9)连通;所述的入口制冷剂箱(11)的右端为制冷剂入口(10);所 述的套筒式旋流换热器(14)由上部的圆柱桶(14-1)及下部的圆锥桶(14-2)组成，套筒 式旋流换热器(14)的圆柱桶下端(14-1)与套筒式旋流换热器(14)的圆锥桶(14-2)焊 接成相通的空腔密闭管壳;所述的出口制冷剂箱(15)的右端为制冷剂出口(16);制冷剂 管(18)的上端与横卧的入口制冷剂箱(11)外表面焊接连通，套筒式旋流换热器(14) 的圆柱桶(14-1)与制冷剂管(18)下端焊接连通，套筒式旋流换热器(14)的圆锥桶(14-2) 与横卧的出口制冷剂箱(15)外表面焊接连通;制冷剂管(18)内设有溢流管(8)，所述 的溢流管(8)的直径小于制冷剂管(18);溢流管(8)向上穿出横卧的入口制冷剂箱(11) 并焊接密封;套筒式旋流换热器(14)内设有旋流除污器(2)，旋流除污器(2)的直径小 于套筒式旋流换热器(14);喷流换热器(13)设置于溢流管(8)外，喷流换热器(13) 的直径大于溢流管(8)，溢流管(8)与喷流换热器(13)间设有喷流器(12)，喷流器(12) 的直径大于溢流管(8)的直径且小于喷流换热器(13)的直径，喷流器(12)上端与制冷 剂管(18)的下端焊接成一体，溢流管(8)的下端、喷流器(12)的下端与喷流换热器(13) 的下端焊接成一体;旋流除污器(2)上部圆柱桶(2-1)左侧设有污水入口(1)并横穿出 套筒式旋流换热器(14)，污水入口(1)与套筒式旋流换热器(14)焊接密封;旋流除污 器(2)的圆锥桶(2-2)下端与排污口(3)上端焊接连通，排污口(3)向下穿出横卧的 出口制冷剂箱(15)焊接密封，排污口(3)下端与排污管(4)的一端焊接连通，排污管 (4)的另一端与横卧的回流管(6)外表面焊接连通;
其中节流机构(20)的一端与制冷剂入口(10)连接，节流机构(20)的另一端与用 户侧换热器(23)的端口(23-1)连接，用户侧换热器(23)的端口(23-2)与四通换向阀 (21)连通，四通换向阀(21)分别与压缩机(22)和制冷剂出口(16)连接，从而形成 密闭连通的制冷剂的连续循环机构。
2.根据权利要求1所述的壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置，其特 征在于：所述的喷流器(12)上布满直径为0.5～1cm的通孔。
3.根据权利要求1或2所述的壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置， 其特征在于：所述的排污管(4)与横卧的回流管(6)的夹角为30°～50°。
4.根据权利要求3所述的壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置，其特 征在于：所述的污水入口(1)的材料为铜;所述的旋流除污器(2)的材料为铜;所述的 排污口(3)的材料为铜;所述的引射器(7)的材料为铜;所述的溢流管(8)的材料为铜; 所述的入口制冷剂箱(11)的材料为铜;所述的喷流器(12)的材料为铜;所述的套筒式 旋流换热器(14)的材料为铜;所述的出口制冷剂箱(15)的材料为铜;所述的制冷剂管 (18)的材料为铜。
5.根据权利要求4所述的壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置，其特 征在于：所述的铜的厚度为1mm～2mm。
6.根据权利要求3所述的壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置，其特 征在于：所述的四通换向阀(21)的第一端口(21-1)与第四端口(21-4)相连、第二端口 (21-2)与第三端口(21-3)相连时，制冷剂顺时针方向循环，壁式除污除垢换热一体化原 生污水热泵能量提升装置起到制冷的效果。
7.根据权利要求3所述的壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置，其特 征在于：所述的四通换向阀(21)的第一端口(21-1)与第二端口(21-2)相连、第三端口 (21-3)与第四端口(21-4)相连时，制冷剂逆时针方向循环，壁式除污除垢换热一体化原 生污水热泵能量提升装置起到制热的效果。
8.根据权利要求3所述的壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置，其特 征在于：所述的壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置用于冬季制热或夏季 制冷。
9.根据权利要求3所述的壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置，其特 征在于：所述的壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置并联使用。
10.根据权利要求3所述的壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置，其 特征在于：所述的壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置串联使用。
说明书
壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置
技术领域
本发明涉及一种污水源热泵能量提升装置。
背景技术
现有污水源热泵利用污水作为热源，虽然具有较好的经济性和环保性，但污水容易造 成污水源热泵换热器的腐蚀和结垢，大大降低了污水换热器的换热效果。现有的河水源热 泵、海水源热泵、湖水源热泵等几乎所有水源热泵也都存在污水源热泵换热器的腐蚀和结 垢的问题。
现有污水源热泵、海水源热泵、湖水源热泵、河水源热泵存在的主要问题还可以细化：
1、除污设备与换热器为两个独立设备，成本高;
2、除污设备除污效果不佳;或虽然对大粒径固体杂物有较好的除污效果，但是却需 要较大旁通且有混水现象，导致能耗过高，且对含大量油污的污水没除污作用;
3、污水不直接与制冷剂换热，存在中间换热环节，换热效率较低;
4、换热器结构复杂、换热管易阻塞;
5、换热器通过拆装来清洗污垢不方便、耗时耗工多、增加了高额的人工费用;
6、换热器循环水或制冷剂走壳程、污水(或海水、湖水、河水等各种水)走管程， 造成管壳式换热器与环境温差大，热量(冬季为热量、夏季为冷量)损失大;
7、换热器材质采用不锈钢，不锈钢比铜容易结垢，且热传导率比铜低;
8、换热管采用直管，直管换热器的传热特性不太好，且空间利用率低、自由膨胀性 也较差;
9、某些换热器中通过设置诸如毛刷等清洁污垢的工具，减少了拆装管壳式换热器的 次数，但是由于毛刷使用一段时间后需要更换，所以还是无法回避拆装管壳式换热器;
10、现有换热器中制冷剂和水的流速都较低，容易形成层流底流，而研究表明：在湍 流流动中，影响对流传热过程的主要热阻不是来自流体内部的热交换，而是来自流体与固 体壁之间附面层的传热热阻，尤其是其层流底流，约占传热热阻的60%～80%。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有污水源热泵在使用过程中由于污水容易造成污水源热 泵换热器的腐蚀和结垢，从而降低换热器换热效果的问题，而提供了壁式除污除垢换热一 体化原生污水热泵能量提升装置。
本发明的壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置由原生污水液固暂离 旋流壁式换热器、给水泵、节流机构、四通换向阀、压缩机和用户侧换热器组成;
其中，所述的原生污水液固暂离旋流壁式换热器由污水入口、旋流除污器、排污口、 引射器、溢流管、入口制冷剂箱、喷流器、套筒式旋流换热器、出口制冷剂箱、制冷剂管 及导管组成;所述的旋流除污器由上部的圆柱桶、下部的圆锥桶及喷流换热器组成，旋流 除污器的圆柱桶下端与旋流除污器的圆锥桶焊接成相通的空腔密闭管壳，旋流除污器的圆 柱桶上端向旋流除污器内部设有喷流换热器并焊接连通;所述的引射器包括排污管及回流 管，回流管的左端为污水出口，回流管的右端为入水口，回流管右端的入水口与导管的一 端连通;所述的溢流管上端为溢流口，导管的另一端与溢流管上端的溢流口连通;所述的 入口制冷剂箱的右端为制冷剂入口;所述的套筒式旋流换热器由上部的圆柱桶及下部的圆 锥桶组成，套筒式旋流换热器的圆柱桶下端与套筒式旋流换热器的圆锥桶焊接成相通的空 腔密闭管壳;所述的出口制冷剂箱的右端为制冷剂出口;制冷剂管的上端与横卧的入口制 冷剂箱外表面焊接连通，套筒式旋流换热器的圆柱桶与制冷剂管下端焊接连通，套筒式旋 流换热器的圆锥桶与横卧的出口制冷剂箱外表面焊接连通;制冷剂管内设有溢流管，所述 的溢流管的直径小于制冷剂管;溢流管向上穿出横卧的入口制冷剂箱并焊接密封;套筒式 旋流换热器内设有旋流除污器，旋流除污器的直径小于套筒式旋流换热器;喷流换热器设 置于溢流管外，喷流换热器的直径大于溢流管，溢流管与喷流换热器间设有喷流器，喷流 器的直径大于溢流管的直径且小于喷流换热器的直径，喷流器上端与制冷剂管的下端焊接 成一体，溢流管的下端、喷流器的下端与喷流换热器的下端焊接成一体;旋流除污器上部 圆柱桶左侧设有污水入口并横穿出套筒式旋流换热器，污水入口与套筒式旋流换热器焊接 密封;旋流除污器的圆锥桶下端与排污口上端焊接连通，排污口向下穿出横卧的出口制冷 剂箱焊接密封，排污口下端与排污管的一端焊接连通，排污管的另一端与横卧的回流管外 表面焊接连通;
其中所述的节流机构的一端与制冷剂入口连接，节流机构的另一端与用户侧换热器的 端口连接，用户侧换热器的端口与四通换向阀连通，四通换向阀分别与压缩机和制冷剂出 口连接，从而形成密闭连通的制冷剂的连续循环机构。
本发明的壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置的工作原理：
利用旋流技术增加了污水(或海水、湖水、河水等各种水)的流速，大幅度的增加了 湍流，减少甚至一定程度上消除了层流，从而大幅度的减小了传热热阻，促进了污水(或 海水、湖水、河水等各种水)和制冷剂之间的热量传递，污水(或海水、湖水、河水等各 种水)中混有的固体杂物在离心力的作用下会不断撞击旋流除污器壁，旋流除污器壁上由 于长时间使用结的污垢受到周期性的碰撞应力作用，在疲劳机制下，垢层上逐渐产生裂纹， 直至脱落进入主流中，污水(或海水、湖水、河水等各种水)中混有的固体杂物对垢层的 随机碰撞，阻止污垢物质沉积到壁面以及污垢物质在壁面上的生长。从而有效除去换热壁 面上沉积的污垢或控制其污垢厚度，使旋流换热器的换热系数维持在一个可接受的范围内 而不需清垢，同时固体粒子在随污水的运动中不断穿过流动边界层，也强化了换热。
本发明壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置制热的工作流程：
进水经给水泵切向进入原生污水液固暂离旋流壁式换热器的污水入口，在进水的流动 过程中，进水与套筒式旋流换热器中的制冷剂进行热量交换，进水中的固体物质在离心力 的作用下，经排污管流入回流管中，去除固体物质的进水在旋流技术的作用下经溢流管的 下端上升至溢流管上端的溢流口，然后流经导管，最后由回流管右端的入水口进入回流管， 将回流管中存在的固体物质由回流管左端的污水出口冲入排污渠中。
在壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置制热工作时，调节四通换向阀 使四通换向阀的第一端口与第二端口相连、第三端口与第四端口相连，制冷剂逆时针方向 循环，制冷剂由经节流机构控制制冷剂的流量后，进入原生污水液固暂离旋流壁式换热器， 经由入口制冷剂箱右端的制冷剂入口，进入制冷剂管，再流经套筒式旋流换热器与进水进 行交换热量，然后流经出口制冷剂箱后，由出口制冷剂箱右端的制冷剂出口经过压缩机， 最后进入用户侧换热器，进入用户侧换热器的制冷剂在与用户侧换热器中的用户侧循环介 质进行热量交换后，再回到节流机构，从而完成一次的换热循环过程。
本发明壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置制冷的工作流程：
进水经给水泵切向进入原生污水液固暂离旋流壁式换热器的污水入口，在进水的流动 过程中，进水与套筒式旋流换热器中的制冷剂进行热量交换，进水中的固体物质在离心力 的作用下，经排污管流入回流管中，去除固体物质的进水在旋流技术的作用下经溢流管的 下端上升至溢流管上端的溢流口，然后流经导管，最后由回流管右端的入水口进入回流管， 将回流管中存在的固体物质由回流管左端的污水出口冲入排污渠中。
在壁式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置制冷工作时，调节四通换向阀 使四通换向阀的第一端口与第四端口相连、第二端口与第三端口相连，制冷剂顺时针方向 循环，经压缩机的压缩后制冷剂进入原生污水液固暂离旋流壁式换热器，经由出口制冷剂 箱右端的制冷剂出口进入套筒式旋流换热器与进水进行交换热量，然后流经制冷剂管，再 进入入口制冷剂箱，由入口制冷剂箱右端的制冷剂入口流入节流机构，在控制制冷剂的流 量后，进入用户侧换热器，进入用户侧换热器的制冷剂在与用户侧换热器中的用户侧循环 介质进行热量交换后，再流入压缩机，从而完成一次的换热循环过程。
本发明的有益效果：
1、本发明的装置将旋流技术和原生污水液固暂离旋流壁式换热器的功能结合在一起， 进而实现了去除在旋流除污器壁上沉积的污垢物质和与套筒式旋流换热器中的制冷剂的 交换热量的作用，从而节省了设备投资。
2、本发明的装置利用旋流技术增加进水的流速，大幅度的增加了湍流，减少甚至一 定程度上消除了层流，从而大幅度的减低了传热热阻，促进了进水和制冷剂之间的热量传 递，与现有污水热源泵的进水相比，进水的流速增加了0.5～1倍，有效增加了湍流。
3、在本发明装置运行的过程中，进水中混有的固体杂质在离心力的作用下会不断撞 击旋流除污器壁，而旋流除污器壁上由于长时间使用沉积的污垢受到周期性的碰撞应力作 用，垢层逐渐产生裂纹，直至脱落进入主流，从而有效除去旋流除污器壁上沉积的污垢或 控制旋流除污器壁上污垢厚度，最后通过排污管排出原生污水液固暂离旋流壁式换热器。 因为旋流除污器壁上不会沉积污垢并腐蚀旋流除污器壁，因此延长了旋流除污器的使用周 期，节省了单独生产除污器的成本。
4、本发明的装置运行过程中，因为旋流除污器壁上不会沉积污垢并腐蚀旋流除污器 壁，所以使原生污水液固暂离旋流壁式换热器在不需清垢的条件下，换热器的换热系数维 持在一个较高的范围内，同时，进水中的固体粒子在随进水的运动中不断穿过流动边界层， 强化换热。
5、本发明装置中在溢流管下端的污水侧采用了喷流技术，而在其它地方(制冷剂侧) 采用了旋流加筋片技术，有效地加强了污水测的对流换热。
6、本发明装置中延长了溢流管的长度，有效地减小了换热面积，提高了污水(或海 水、湖水、河水等各种水)的余热(冬季为余热、夏季为余冷)利用率。
7、本发明装置中旋流除污器采用薄壁材料铜，铜管可以有效地提高换热器的换热性 能且不易结垢。
8、本发明装置在进水侧巧妙地利用了液固两相流与固体壁面之间的换热系数比纯液 体与固体壁面之间的换热系数大得多的原理，提高了进水侧的换热系数。
9、本发明装置中省略了中介水环节，使换热温差提高了2℃以上，换热面积减小了 20%以上。
10、本发明的装置应用范围宽，对大水量及大制冷剂量可以采用两个或两个以上的壁 式除污除垢换热一体化原生污水热泵能量提升装置并联使用;对水中杂物粒度分布宽的进 水可采用两级或两级以上的此类换热器串联使用。