分離型熱管洗浴廢水餘熱回收系統的製作方法

2023-05-29 17:17:26

本實用新型涉及換熱技術領域，特別涉及分離型熱管洗浴廢水餘熱回收系統及方法。

背景技術：

熱管技術是1963年美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的喬治格羅佛發明的一種稱為「熱管」的傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與相變介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。

熱管技術以前被廣泛應用在宇航、軍工等行業，自從被引入散熱器製造行業，使得人們改變了傳統散熱器的設計思路，擺脫了單純依靠高風量電機來獲得更好散熱效果的單一散熱模式，採用熱管技術使得散熱器即便採用低轉速、低風量電機，同樣可以得到滿意效果，使得困擾風冷散熱的噪音問題得到良好解決，開闢了散熱行業新天地。現在常見於CPU的散熱器上。

目前國內對於浴室廢水的餘熱回收均是利用熱泵原理進行回收，即施加外部能源進行熱量的回收。我國的公共浴室排放的廢熱水的餘熱大多未加以利用就直接排放入下水管道，據估算每年由此造成的熱損失1.664×1014kJ，相當於568萬t標準煤，如果按400元每噸計，可折合人民幣22.7億元，是一個驚人的數字。由於浴室排水的實際溫度並不是很高，即使採用換熱器將浴室排水的餘熱回收，也很難加以利用，因此國內絕大多數公共浴室都直接將浴室排水排入下水管道，造成很大的浪費。因此，極其有必要設計一種結構簡單，實施方便，回收餘熱效果好的裝置。

技術實現要素：

有鑑於此，本實用新型提供一種結構簡單，實施方便，回收餘熱效果好的分離型熱管洗浴廢水餘熱回收系統及方法。

為了實現上述目的，本實用新型提供以下技術方案：

分離型熱管洗浴廢水餘熱回收系統，其包括蒸發器和冷凝器，所述冷凝器高於蒸發器，所述蒸發器及冷凝器內部均設有熱交換系統，所述熱交換系統包括至少一根熱管，所述蒸發器內的熱交換系統與冷凝器內的熱交換系統兩端分別通過蒸汽上升管及凝液下降管相連形成密閉循環；所述蒸發器一側設有進水口，另一側設有排水口；所述冷凝器一側設有送水口，另一側設有出水口。

本實用新型還具有以下附加技術特徵：

優選的，所述熱交換系統包括多組熱流通基本單元並排連接，所述熱流通基本單元包括多根熱管單體，所述多根熱管單體豎直排列，上方均與蒸汽上升支管相連，下方均與凝液回流支管相連，所述多組熱流通基本單元的蒸汽上升支管均在一端連接蒸汽上升總管，所述蒸汽上升總管與蒸汽上升管相通，所述多組熱流通基本單元的凝液回流支管均在一端連接凝液回流總管，所述凝液回流總管與凝液下降管相連。

優選的，所述熱管單體外側纏繞多個翅片。

優選的，所述熱交換系統包括6組熱流通基本單元，所述熱流通基本單元包括8根熱管單體。

優選的，所述蒸汽上升管設有真空表。

優選的，所述進水口設有至少一層過濾裝置。

優選的，所述蒸發器和冷凝器內側均間隔設有左側隔板和右側隔板。

優選的，所述蒸發器、冷凝器、蒸汽上升管及凝液下降管外側均包有保溫層。

本實用新型還提供分離型熱管洗浴廢水餘熱回收方法，採用上述的系統，收集洗浴後的廢水經過濾後通過所述進水口進入蒸發器內與熱交換系統內部工質進行熱交換，內部工質受熱蒸發從蒸汽上升管進入冷凝器內部的熱交換系統，通過冷凝器的清水與冷凝器內部的熱交換系統交換熱量後輸送到洗浴的加熱器中，即可節約加熱耗能，冷凝後的工質順利回流至蒸發器中再次進行熱交換，廢水不斷的進入蒸發器中即可源源不斷的提供熱交換。

本實用新型和現有技術相比，其優點在於：

基於浴室的廢水溫度在30至40℃之間，我們研究小組提出單純利用熱管原理將浴室廢水餘熱這種低品位熱源進行熱量的回收，即外界不提供任何能量，完全通過工質的相變進行傳熱。

在該項目開始之前，我們曾經對國內浴室廢水餘熱回收的現狀進行了查閱與調研，並且對研究成員所在的中國石油大學(華東)以及周邊的青島理工大學進行了實地調研。調研工作顯示，目前中國國內對於浴室廢水餘熱回收單純利用熱管原理的暫時處於空白狀態，但同時對於低溫熱源利用熱管來進行熱量回收的效果可能會不理想，本組成員在熱管的基礎之上增加了密集的環狀翅片，並且對幾種熱水的流通方式進行了比選。而兩所高校的實地調研則顯示：假設中國石油大學(華東)如果利用熱管換熱設備對冷水進行預加熱，則可以每年節約加熱用天然氣21667立方米。約合人民幣52000元；同樣的假設在青島理工大學則可每年節約加熱用天然氣6741立方米，約合人民幣16178元，對於人數較多的公共浴室節約的經濟效益還是比較可觀的。

本實用新型的餘熱回收系統熱交換率高，實現了外界不提供任何能量的熱交換；結構簡單，可實現性強；通過使用本實用新型的熱交換系統，可以實現能源的節耗減排，對可持續發展，環境保護，經濟發展均具有重大意義。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實用新型冷凝器的A-A剖視結構示意圖；

圖2為本實用新型冷凝器的B-B剖視結構示意圖；

圖3為本實用新型冷凝器的C-C剖視結構示意圖；

圖4為本實用新型冷凝器的-剖視結構示意圖；

圖5為本實用新型的系統應用示意圖。

蒸發器與冷凝器結構相似，故不再插圖示意。

附圖標記說明：

熱管1；真空表接口2；蒸汽上升總管3；蒸汽上升支管4；送水口5；凝液回流總管6；凝液回流支管7；隔板8；出水口9；殼體10；頂蓋11；固定片12；螺栓13；蒸汽上升管14；凝液回流管15；蒸發器16；冷凝器17；加熱器18；噴頭19；一次過濾層20；二次過濾層21；進水口22；排水口23。

具體實施方式

以下公開本實用新型的一些實施例，本領域技術人員可以根據本文內容，適當改進工藝參數實現。特別需要指出的是，所有類似的替換和改動對本領域技術人員來說是顯而易見的，它們都被視為包括在本實用新型。本實用新型的方法及應用已經通過較佳實施例進行了描述，相關人員明顯能在不脫離本

技術實現要素：
、精神和範圍內對本文的方法和應用進行改動或適當變更與組合，來實現和應用本實用新型技術。

如圖1-5，分離型熱管1洗浴廢水餘熱回收系統，其包括蒸發器16和冷凝器17，冷凝器17高於蒸發器16，蒸發器16及冷凝器17內部均設有熱交換系統，熱交換系統包括至少一根熱管1，蒸發器16內的熱交換系統與冷凝器17內的熱交換系統兩端分別通過蒸汽上升管14及凝液下降管15相連形成密閉循環；蒸發器16一側設有進水口22，另一側設有排水口23；冷凝器17一側設有送水口5，另一側設有出水口9，進水口22設有至少一層過濾裝置。送水口5將溫度較低的清水送至冷凝器17中，冷凝器17將清水送至加熱器18中加熱並通過噴頭19輸出；廢水收集後通過過濾層過濾後送至蒸發器16中；冷凝器17安裝高度須高於蒸發器16的安裝高度，以保證冷凝後的工質能順利回流；蒸發器16從進水口22通入溫度較高的浴室廢水，冷凝器17通溫度較低的清水；內部工質在蒸發器16被浴室廢水加熱汽化，通過蒸汽上升管14進入冷凝器17，然後被冷凝器17的冷水冷卻為液體並依靠自身重力通過凝液下降管15返流至蒸發器16，如此往復循環，以實現浴室廢水低品位熱量的回收。

具體的，熱交換系統由多組熱流通基本單元並排連接而成，熱流通基本單元包括多根熱管1單體，多根熱管1單體豎直排列，同一熱流通基本單元的熱管1單體上方均與蒸汽上升支管4相連，下方均與凝液回流支管7相連，多組熱流通基本單元的蒸汽上升支管4均在一端連接蒸汽上升總管，蒸汽上升總管與蒸汽上升管14相通，多組熱流通基本單元的凝液回流支管7均在一端連接凝液回流總管6，凝液回流總管6一端與凝液下降管15相連。

該設備的基本元件是熱管1單體，圓管外側等距纏繞著一定厚度的翅片，為保證良好的傳熱性能以及防止腐蝕，故選擇鋁質材料。將8根熱管1單體的兩端分別用一根總管連接，單體與總管之間採用連續滿焊以保證氣密性。這種若干熱管1單體的並排連接組成了換熱流通基本單元，上方的總管稱為蒸汽上升支管4，下方的總管稱為凝液回流支管7，為保證熱管1穩定性熱管可以通過固定片12固定於殼體10內壁。

將6組換熱流通基本單元並排連接：6根蒸汽上升支管4均與蒸汽上升總管3連接，6根凝液回流支管7均與凝液回流總管6連接，連接同樣採用連續滿焊方式。將此熱管1陣列(總含48支熱管1單體)嵌入到殼體10中則組成了蒸發器16的主體結構。冷凝器17的結構與蒸發器16基本相同，差別在於冷凝器17的蒸汽上升總管3需要預留真空表接口2。

優選的，蒸發器16和冷凝器17內側均間隔設有左側隔板8和右側隔板8。蒸發器16和冷凝器17中均設置有隔板8，主要起導流作用，使得冷熱流體沿著S形路徑曲折流動，它使各個換熱流通基本單元相對獨立，減少殼體10內的流通死角從而提升設備的換熱效率。隔板8通過點焊方式固定在殼體10上。

為了使熱管1陣列在殼體10內的位置固定，蒸汽上升總管3與凝液回流總管6貫通殼體10的位置採用連續滿焊，同時可以防止漏水；各支管(4、7)的另一端通過螺栓13固定在殼體10上。殼體10的頂蓋11使用螺栓13固定，可方便拆卸以便檢查清理內部。

將蒸發器16與冷凝器17各自的蒸汽上升總管3和凝液回流總管6連接，並在殼體10外表面以及殼體10外部所有管路的外側貼覆保溫層後，即組成了整個分離式浴室廢水餘熱回收設備。

對於冷熱水均採用下進上出的流動方式，即流體從換熱器下部進水管口進入，從上部出水管口流出；當然水在進入換熱器之前都需要過濾除去明顯的雜質，如毛髮、固體碎屑等，具體的，設有一次過濾層20和二次過濾層21。

分離型熱管1洗浴廢水餘熱回收方法，採用本實用新型的系統，收集洗浴後的廢水經過濾後通過進水口22進入蒸發器16內與熱交換系統內部工質進行熱交換，內部工質受熱蒸發從蒸汽上升管14進入冷凝器17內部的熱交換系統，通過冷凝器17的清水與冷凝器17內部的熱交換系統交換熱量後輸送到洗浴的加熱器18中，即可節約加熱耗能，冷凝後的工質順利回流至蒸發器16中再次進行熱交換，廢水不斷的進入蒸發器16中即可源源不斷的提供熱交換。浴室廢水經過一次過濾層20和二次過濾層21兩級過濾器進入換熱器的蒸發器16，工質蒸發，回收餘熱。工質蒸汽經蒸汽上升管14流至冷凝器17，工質冷凝，對流經冷凝器17的冷水進行預加熱以此來達到餘熱利用的目的。其中兩級過濾器之間的流水管道需加保溫性能良好的保溫層，同時從冷凝器17出發至浴室加熱器18的出水管也需要外加保溫性能良好的保溫層。防止與環境進行能量交換，喪失熱量。

系統各部件連接：單管與總管之間採用焊接方式以此來保證其氣密性，如圖1所示。而在設備的排布方式上，冷凝器17在蒸發器16的上部，蒸發器16的上部與冷凝器17的上部通過蒸汽上升管14相接，冷凝器17的下部與蒸發器16的下部通過冷凝液下降管15相接，其中蒸汽上升管14和冷凝液下降管15均需外加保溫絕熱層，防止與環境進行熱交換。由於裝置的具體使用環境為長距離設置，由此對於保溫絕熱層的要求較高。熱管1排布形式，熱管1是重力式無芯管，冷凝液靠自身重力驅動自冷凝器17回流至蒸發器16。重力式回流的選擇不需要其他的結構部件，結構簡易且噪音小。

熱管1類型的選擇：選用翅片式熱管1，翅片式熱管1與普通元件相比，散熱面積擴大了2～3倍，即翅片元件所允許的表面功率負荷是普通元件的3～4倍。由於元件的長度縮短，使得本身的熱損失減小，在相同的功率條件下，具有升溫快、發熱均勻、散熱性能好、熱效率高、使用壽命長、加熱裝置體積小，成本低等優點。

設計計算：根據熱側進口溫度30℃，出口溫度22℃，可以查出水在這個溫度下的粘度μh＝902.75×10-6kg/m·s，密度ρh＝1000kg/m3，定壓比熱容Ch＝4.18kJ/kg·K，導熱係數λh＝0.6W/m·K和普朗特數Pr＝6.09。熱側長度為lh＝0.25m、熱水體積流量vh＝0.5×10-3m3/s，已知，流速v＝0.3m/s，熱側迎流體面積Ahex滿足Ahex＝vh/v，熱管外徑d0＝0.022m，翅片長度lf＝0.5d0。

熱側迎風面寬度Eh滿足：每米長熱管的翅片數nf滿足：其中sf-兩相鄰翅片間光管的長度；δf-翅片厚度；迎面管排的管子數B滿足：其中ST-迎面橫向管子中心距；實際迎面寬度Es滿足：Es＝B·ST(3-4)；管束最小流通截面積NFA滿足：NFA＝[(ST-d0)-2(lf·δf·nf)]lh·B(3-5)；流體最大質量流速Ghmax滿足：當量直徑ddangliang滿足：其中A-流通截面積；p-溼周；雷諾數Reh滿足：流體換熱係數hhf滿足：翅片效率ηh滿足：其中α-表面換熱係數；λAl-鋁的導熱係數；

令Af,Ar,Ah分別為每米長熱管的翅片表面積、每米長熱管的翅片間管表面積和每米長熱管管外總表面積，則有：Ah＝Af+Ar(3-11)；管外有效換熱係數hfe滿足：金屬管壁熱阻rw滿足：總傳熱係數UH滿足：加熱側總傳熱面積AhH滿足：其中Q-熱側接受的熱量；Δtm-對數平均溫差；所用管數n滿足：

經過編程計算可得：雷諾數為2791.9，翅片效率為0.9586，需要帶翅片的熱管48根，翅片間距0.0030m，翅片厚度0.001m，管軸線間距0.050m，每米翅片數250。

實際使用效果：

效果檢測地點：中國石油大學(華東)，青島理工大學。

熱管換熱設備：蒸發器大小為0.4×0.3×0.325m3、冷凝器大小為0.4×0.3×0.325m3，採用帶翅片的熱管48(6×8)根，翅片間距0.0030m，翅片厚度0.001m，管軸線間距0.050m，每米翅片數250片，熱管內徑為20mm，翅片外徑40mm，熱管長度為245mm。

效果檢測方法：利用熱管換熱設備對冷水進行預加熱，並對各出入口的水溫進行記錄，熱量回收計算：

設計熱回收效率該效率下可實現回收的熱量：Q＝cMΔT1＝4.2×0.1×4＝1.68kW，其中M＝0.1kg/s，為試驗中所用水流量，

換熱設備實際使用情況見表1：

表1本實用新型的換熱設備部分使用情況

綜合，本實用新型的餘熱回流系統及方法可以在廢水溫度較低的情況下不依靠外界提供能量，完全通過工質的相變進行傳熱；構思巧妙，結構簡單，可實現性強；通過使用本實用新型的熱交換系統，可以實現能源的節耗減排，對於人數較多的公共浴室節約的經濟效益較為可觀，對可持續發展，環境保護，經濟發展均具有重大意義。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。