申请日2010.08.17
公开(公告)日2010.12.15
IPC分类号F28D7/16; F25B30/06; F28F1/00
摘要
污水或地表水源热泵大管径换热装置及其系统，涉及一种利用热泵技术提取污水或地表水中的热量或冷量的换热装置及其系统，属于能源技术领域。本发明的目的是解决悬浮物的堵塞和现有技术为实现防堵塞而导致的工艺流程复杂与占地大等关键问题。本发明的装置由大管径管、管板、壳体、内外隔板、污水或地表水进出口、清水进出口、封板等组成，系统由该换热装置、热泵机组、水泵和连接管路等组成，污水或地表水在大管径管内顺畅地流动，清水在管外与污水呈逆流换热，热泵机组再从清水中提取热量。本发明适用于污水或地表水源热泵间接式系统，前端不需设置过滤网或防阻装置，实现无堵塞连续换热、取热，具备足够的腐蚀余量，占地小，换热效率高。
权利要求书
1.一种污水或地表水源热泵大管径换热装置，其特征在于它由大管径管1、大管径管1组成的排管2、管板3、壳体4-1、壳体4-2、内隔板5、外隔板6-1、外隔板6-2、污水或地表水进口7、污水或地表水出口8、清水进口9、清水出口10和封板11组成，大管径管1的管径在50～150mm之间，管与管之间留有一定的间隙，水平方向并列形成一层管排2，并且逐根固定在管板3上;壳体4-1和4-2分别与管板3连接;内隔板5设置在排管2与排管2的中间位置，每层排管2或每两层排管2或每三层排管2设置一个内隔板5，其两侧与壳体4-1连接，一端与管板3连接，另一端与另一管板3留有一定的过水距离，内隔板5沿垂直方向与管板的连接方式交替设置，即上一内隔板5的一端与左管板3连接，则下一内隔板5的一端与右管板3连接，内隔板5将每层排管2或每两层排管2或每三层排管2的管外空间形成相互串联;外隔板6-1和外隔板6-2的一端分别与管板3连接，两侧分别与壳体4-2连接，外隔板6-1和外隔板6-2在垂直方向交替设置，将每层管排2或每两层排管2或每三层排管2的管内空间形成相互串联;封板11通过法兰或丝扣封闭壳体4-2两端;污水或地表水进口7和污水或地表水出口8分别连接在壳体4-2上;清水进口9、清水出口10分别连接在壳体4-1上。
2.根据权利要求1所述的污水或地表水源热泵大管径换热装置，其特征在于大管径管1的管径为70～125mm。
3.根据权利要求1所述的污水或地表水源热泵大管径换热装置，其特征在于大管径管1的管径为90～110mm。
4.根据权利要求1所述的污水或地表水源热泵大管径换热装置，其特征在于大管径管1的管径为95～105mm。
5.根据权利要求1所述的污水或地表水源热泵大管径换热装置，其特征在于大管径换热装置还可由两个单体大管径换热装置相互串联组成，两个单体大管径换热装置的污水或地表水出口8相连通，清水进口9相连通。
6.一种污水或地表水源热泵系统，其特征在于它由大管径换热装置12、热泵机组13、污水或地表水泵14、污水或地表水供水管15、污水或地表水排水管16、清水泵17、清水供水管线18、清水回水管线19和低位水箱20组成，污水或地表水泵14连接在污水或地表水供水管15上;污水或地表水供水管15与大管径换热装置12的污水或地表水进口7连接;污水或地表水排水管16与大管径换热装置12的污水或地表水出口8连接;清水泵17连接在清水供水管线18上;清水供水管线18分别与大管径换热装置12的清水出口10和热泵机组13的进口连接;清水回水管线19分别与大管径换热装置12的清水进口9和热泵机组13的出口连接;低位水箱20连接在清水泵17和大管径换热装置12之间的清水供水管线18上。
7.根据权利要求5所述的污水或地表水源热泵系统，其特征在于大管径换热装置12可以多个串联或并联。
说明书
污水或地表水源热泵大管径换热装置及其系统
技术领域
本发明涉及一种利用热泵技术提取污水或地表水中的热量或冷量的换热装置及其系统，属于能源技术领域。
背景技术
利用热泵技术提取污水或地表水中的低位热能为建筑物采暖空调，即污水或地表水源热泵供热空调系统，具有巨大的节能潜力，其节能幅度可达45%以上。按我国现有污水排放量测算，开发利用污水低位热能(按温降4-5℃)，可为20%的城市建筑物供热空调，其开发应用前景非常广阔，是建筑节能减排的有效途径之一。
污水源或地表水源都是水源的一种，相比地下水其主要特点是悬浮物和其它杂质含量大，悬浮物易堵塞换热设备或热泵机组，其它杂质易在换热壁面形成污垢。
一般的过滤或污水处理方面的技术，例如机械格栅、沉淀等，被利用在污水源热泵系统中的主要问题是初投资过大、运行成本过高，另外用户也没有足够的空间安装这些设施。因此，污水源热泵的技术关键是防堵、防垢。
现有技术都采用特殊的过滤措施防堵，再对换热设备或热泵机组定期清污除垢。按系统形式分为直接式系统和间接式系统，直接式系统是指污水经过滤措施后直接进入热泵机组，间接式系统采用中间换热方式，先将热量传递给清水，清水再进入热泵机组，这两种形式都需要定期清污除垢。
由于污垢不可避免地要在换热壁面上形成，采用直接式系统后，定期对热泵机组除垢，易损伤机组，造成蒸发器或冷凝器换热管泄漏，风险太大。因此，多采用中间换热的方式，目前的工程应用也主要是间接式系统。
在采用间接式系统时，当前主要有两类技术：
一类是采用特殊的过滤措施防堵，再利用现有的换热设备中间换热，例如笔者作为发明人开发的专利号ZL200410043654.9、公开号CN1594112A和专利号ZL200610010437.9、公开号CN1920447A的专利技术。
二类是直接采用无堵塞的换热设备中间换热，例如笔者作为发明人开发的专利号ZL200710144522.9、公开号CN101149233A和专利号ZL200720117309.4、公开号CN201096463Y的专利设备。
第一类技术的缺点是增加了过滤设备，系统工艺流程相对复杂，故障点和维护点相对增加。第二类技术的缺点是换热设备内的过流断面较大，换热设备的体积和占地相对增加。但笔者认为，第二类技术相对具有优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种污水或地表水源热泵大管径换热装置及其系统，它可以有效地解决悬浮物的堵塞和现有技术为实现防堵塞而导致的工艺流程复杂与占地大等关键问题。
本发明的装置如图1、2、3、4所示，它由大管径管1、大管径管1组成的排管2、管板3、壳体4-1、壳体4-2、内隔板5、外隔板6-1、外隔板6-2、污水或地表水进口7、污水或地表水出口8、清水进口9、清水出口10和封板11组成，大管径管1的管径在50～150mm之间，管与管之间留有一定的间隙，水平方向并列形成一层管排2，并且逐根固定在管板3上;壳体4-1和4-2分别与管板3连接;内隔板5设置在排管2与排管2的中间位置，每层排管2或每两层排管2或每三层排管2设置一个内隔板，其两侧与壳体4-1连接，一端与管板3连接，另一端与另一管板3留有一定的过水距离，内隔板5沿垂直方向与管板的连接方式交替设置，即上一内隔板5的一端与左管板3连接，则下一内隔板5的一端与右管板3连接，内隔板5将每层排管2或每两层排管2或每三层排管2的管外空间形成相互串联;外隔板6-1和外隔板6-2的一端分别与管板3连接，两侧分别与壳体4-2连接，外隔板6-1和外隔板6-2在垂直方向交替设置，将每层管排2或每两层排管2或每三层排管2的管内空间形成相互串联;封板11通过法兰或丝扣封闭壳体4-2两端;污水或地表水进口7和污水或地表水出口8分别连接在壳体4-2上;清水进口9、清水出口10分别连接在壳体4-1上。
本发明装置的运行原理为：含悬浮物和其它杂质的污水或地表水从污水或地表水进口7进入，经外隔板6-1和外隔板6-2的阻隔作用，从大管径管1的管内空间依次流过，流往污水或地表水出口8，并从污水或地表水出口8流出;清水则从清水进口9进入，经内隔板5的阻隔作用，从大管径管1的管外空间依次流过，再从清水出口10流出;污水或地表水与清水成逆流换热。
本发明的系统如图5所示，它由大管径换热装置12、热泵机组13、污水或地表水泵14、污水或地表水供水管15、污水或地表水排水管16、清水泵17、清水供水管线18、清水回水管线19和低位水箱20组成，污水或地表水泵14连接在污水或地表水供水管15上;污水或地表水供水管15与大管径换热装置12的污水或地表水进口7连接;污水或地表水排水管16与大管径换热装置12的污水或地表水出口8连接;清水泵17连接在清水供水管线18上;清水供水管线18分别与大管径换热装置12的清水出口10和热泵机组13的进口连接;清水回水管线19分别与大管径换热装置12的清水进口9和热泵机组13的出口连接;低位水箱20连接在清水泵17和大管径换热装置12之间的清水供水管线18上。
本发明系统的运行原理为：污水或地表水泵14抽送污水或地表水进入大管径换热装置12，清水泵17抽送清水在大管径换热装置12和热泵机组13之间进行循环，污水或地表水与清水通过大管径换热装置12进行冷热量交换，热泵机组13则从清水中提取冷热量。
本发明的装置与传统壳管换热器和笔者曾申请的专利号为ZL200720117308.X，公开号为CN201096461的“污水及地表水冷热源方形壳管换热器”的区别在于：
(1)结构上的差异一：本发明采用了特大管径管作为换热管，其直径为70～150mm，一般传统换热器和ZL200720117308.X的换热管管径都不大于50mm。
(2)结构上的差异二：本发明的大管径换热装置的管程(壳程)数将由一般的6～12管程(壳程)增加到30～40管程(壳程)，与传统换热器和ZL200720117308.X的管、壳程将有显著不同。
(3)结构上的差异三：本发明的大管径换热装置的每管程的管根数只有几根或十几根，与传统换热器和ZL200720117308.X每管程几十根管的差距巨大。
(4)功能上的差异一：本发明采用特大管径后，含悬浮物的污水或地表水可顺畅地通过，具有防堵功能，不需单独再采取防堵措施，解决了污水或地表水热泵系统的关键技术之一;而传统换热器和ZL200720117308.X采用直径不大于50mm的管径时，都需要另外采取防堵措施。
(5)功能上的差异二：本发明采用大管径，大管径管壁相对较厚，为污水或地表水的腐蚀性相对留有一定的腐蚀余量。
(6)效果上的差异一：本发明的大管径换热装置由于不需再采取防堵措施，使得热泵系统的工艺流程明显简单、故障点和维护量大大减小。
(7)效果上的差异二：虽然采取大管径后，换热装置的体积和占地会增大，但由于没有了防堵措施，较传统换热器加防堵措施的综合占地相反要减少30%以上。
(8)克服了技术偏见一：本领域的技术人员都认为换热器应该结构紧凑，管径越小，相对会越紧凑，换热器体积和占地会越小，因此认为不应该采用大管径换热管。而实际采用较小的换热管换热器后，虽然换热器的体积和占地减小了，但由于需要设置防堵措施，其综合占地反而比大管径换热装置的占地明显增加。
(9)克服了技术偏见二：本领域的技术人员都认为壳管换热器的壳体应该采用圆柱形，方形不耐压。而实际污水或地表水热泵系统中，该换热装置的承压可不超过0.3MPa，而本发明的大管径换热装置的管、壳程数很多，即内隔板5、外隔板6-1和外隔板6-2的数量很多，都可起到拉筋作用，而且距离很近，完全可承压到0.3MPa以上，这也克服了ZL200720117308.X的缺陷。
该装置及其系统具有如下有益效果：
(1)采用大管径换热管后，污水或地表水直接进入换热装置进行换热，前端不需设置过滤网或防阻装置，解决了污水或地表水源热泵的堵塞问题;
(2)由于无需设置防堵措施，使得整个系统的工艺流程明显简单化，故障点也明显减少;
(3)采用大管径后，管壁会适当增大，但系统为开式循环，接近无压状态，适当增加的壁厚不需要对承压不起作用，留有了足够的腐蚀余量;
(4)换热装置采用逆流换热，换热效率高;采用大管径后，流动阻力小，水泵能耗低;
(5)相对传统的壳管换热器，管的数量可减少75%左右，清洗工作量减少，利于维护管理。