一種適用于高固體含量污水的套管式換熱器的制作方法

本發明屬于換熱設備領域，具體涉及一種適用于高固體顆粒含量污水的熱交換設備。

背景技術：

對生物質、有機固體廢棄物以及生活污水的有效處理，可以有效解決我國目前面臨的能源和環境的雙重危機。而目前污水污物的處理工程或處理過程工藝，例如大型養殖場沼氣工程、市政污水發酵處理工程、木薯發酵制酒精工程廢水降解工藝等，都能夠實現重要的能源氣體-甲烷的產出，同時達到降解有機物以減少對空氣、土壤和水體的污染。這些工程或工程配套工藝，都需要對原料、排料和反應過程進行加熱或溫度控制，溫度是保證處理過程的正常進行的關鍵因素，這就要求這些工程或工藝過程的進行高效的熱交換。

強化污水污物的發酵處理工程的傳熱過程，可以有效提升發酵水平，目前國外先進的污水、污物處理工程代表瑞典，其工程發酵效率和產氣效率都高于國內水平數倍，其原因在于瑞典的工程或相關工藝過程注重熱的高效利用，保證對污水原料高效加熱的同時還要回收降解污水里的廢熱，而換熱器正是其污水污物處理系統中工熱流網絡的核心單元。

對于以餐廚垃圾、市政污泥為代表的城鎮生活垃圾，以禽畜糞污、廢棄內臟皮毛為代表的大型養殖場廢棄物，以及以木薯等能源作物發酵廢水為代表的食品發酵廢水，它們作為發酵反應原料時，其機質含量很高，且氮元素磷元素含量很高，而在處理過程中會形成較多的細菌群落，而這些有機質和微生物往往以固體小顆粒的形式或以附著在無機顆粒的形式存在，使得上述的各種污水含有較高的固體顆粒含量，使得在換熱通道中易結垢與堵塞，使得過程傳熱效率大幅下降，系統連續穩定操作受到影響，進而帶來操作和維護費用的提升。

污水體系穩定連續的換熱是一世界性難題。美國專利US005758967A發明了帶有特殊翅片結構的換熱圓管來強化換熱和預防污水體系堵塞，此后美國專利US201002128721以此為基礎發明了一種污水換熱器，由于翅片結構的擾流作用使得污水換熱過程強化且換熱管不易結垢，但這一類以圓管內插特殊翅片結構為換熱管的換熱器只適合固含量(wt％)在2％到4％的低固體含量體系，這是由于管內件的存在使得高固體含量體系換熱時具有很大的流動阻力，過程的功耗增大。中國專利CN201110147510.8發明了窄流通道式污水 換熱器，其采用平板式結構可大幅降低顆粒沉積結垢作用影響到的換熱面面積。但由于平板或螺旋板內擾流作用幾乎沒有，所以換熱過程的強化無法實現，同具有強化換熱結構的圓管相比，對流傳熱效率低，往往需要較大的換熱面積。

另一方面，目前主要的扭曲結構換熱管為橢圓扭曲管，雖然在強化換熱性能上具有一定優勢，但是其應用對象僅局限于不含固體顆粒的單相流體，例如硫酸降溫、氨預熱、潤滑油降溫等，尚無適應用于污水的研究和相關專利。而目前三角形截面直管多用于氣體換熱，美國專利US061827479發明了一種用于空氣換熱的板式換熱器，其換熱通道為三角形直管。

技術實現要素：

本發明的目的是在現有技術的基礎上，提供一種適用于高固體含量污水的套管式換熱器；該換熱器適用于TS為4-10％(wt％)的高固體顆粒含量的污水的熱交換，并具有防結垢防堵塞的作用和較高的換熱性能。

本發明的目的可以通過以下措施達到：

一種適用于高固體含量污水的套管式換熱器，其包括作為污水通道的內套管和提供換熱介質通道的外套管，所述內套管位于外套管內，其中所述內套管是截面為三角形且管壁沿管中心軸向一個方向螺旋變形而成的三角形扭曲管。

較佳的，本發明中的三角形扭曲管的截面為等邊三角形。本三角形扭曲管的中心軸為直線或曲線，在優選條件下采用直線中心軸。

本三角形扭曲管沿管中心軸向一個方向均勻螺旋變形。較佳的，該三角形扭曲管的扭矩，即管壁繞管中心軸線螺旋變形360°所對應的管長，為400-700mm。實驗發現，過大的扭矩會造成在處理高固體顆粒含量的污水時會造成結垢嚴重，而過小的扭矩會降低換熱效果并造成污水管堵塞。

在一種優選方案中，本三角形扭曲管的三角形截面的內切圓直徑為50-100mm，優選54-96mm。實驗發現，過大或過小的內切圓直徑會影響換熱效率并產生嚴重的內套管壁面污垢或堵塞。

本發明對外套管的結構和形狀并無具體要求，理論上在外套管內可設有一根或多根內套管。兼顧各種影響因素，較佳的方案是外套管內只設一根內套管，外套管為圓形套管，外套管的管徑大于內套管(以略大于為更佳)，圓形套管的半徑在60-110mm范圍內。

本熱換器專門針對現有技術對高固體顆粒含量的污水處理不佳的問題，使得TS為4-10％(wt％)的高固體含量污水與換熱介質通過三角形扭曲管的管壁直接換熱，使污水 在沿管流動的同時，繞管中心軸發生旋轉流動，不僅提高換熱效率，減小換熱和流動阻力，更可保證污水的順暢流動而不會使固體顆料附著在管壁上。

本換熱器可以只由一根三角形扭曲管作為內套管，也可以采用多根三角形扭曲管作為內套管。而采用多根三角形扭曲管時，本設備可進一步包括三角形-圓形變截面管和圓形截面彎頭。其中三角形-圓形變截面管是管壁及截面從與三角形扭曲管對應的三角形逐漸轉變成圓形的管道，而圓形截面彎頭是具有一定彎曲角度的接頭彎管，其角度可以根據需要在1-180度之間調整，一般采用圓形截面180°彎頭。當采用三角形-圓形變截面管和圓形截面彎頭連接多個三角形扭曲管時，兩個三角形扭曲管在需要連接的管口部位先各自與一個三角形-圓形變截面管相連接，這兩個三角形-圓形變截面管之間再通過一個圓形截面彎頭相連接；按這種連接方法，多個中心軸為直線的三角形扭曲管通過多個三角形-圓形變截面管和圓形截面彎頭相連接構成具有多個彎曲結構的污水通道。

本換熱器還可以包括多個單元，其中每個單元主要由一個外套管和一個內套管組成。該單元中的外套管和內套管的結構如上所述。各單元之間通過三角形-圓形變截面管和圓形截面彎頭連接成完整的污水通道。而每個單元在外套管和內套管之間間隙形成的換熱介質通道的兩端封閉，可構成一個獨立的換熱介質通道并具有換熱介質進出口，也可以將多個單元的換熱介質通道連通構成一個整的換熱介質通道。

在一種技術方案中，本換熱器包括污水通道和換熱介質通道，所述污水通道可以由一個三角形扭曲管構成，也可以由多個三角形扭曲管以及用以連接三角形扭曲管的三角形-圓形變截面管和圓形截面彎頭構成，污水通道的兩端分別設有污水進口和污水出口；所述換熱介質通道由外套管與內套管之間的環隙構成，當換熱介質通道有多個時，各換熱介質通道單獨設置或是多個換熱介質通道通過連接管或接口相連通構成換熱介質總通道，在所述換熱介質通道或換熱介質總通道上設有換熱介質入口和換熱介質出口。

較佳的，三角形扭曲管主要采用鍍鋅碳鋼制成，在所述三角形-圓形變截面管和圓形截面彎頭的外壁上設有保溫材料；所述外套管主要由不銹鋼管制成，在外套管的外壁上設有保溫材料。

本套管式污水換熱器，它適用于高固體含量污水，污水中污物雜質不易在污水通道四壁結垢或形成堵塞，保證了換熱器的換熱效率和連續穩定操作，而且換熱器的管程和殼程對流傳熱效率很高，使其具有較高的強化換熱性能，且過程泵功耗較小。具體地，它具有如下優點：

1.它適用于高固體含量TS為4-10％(wt％)的污水換熱，無死角，不易積垢，不易 堵塞。

2.道內部通暢，無阻擋物，流動阻力損失小，泵傳輸功耗小。

3.污水通道管壁扭曲對傳熱壁面兩側流體擾動，傳熱效率為普通換熱器的2倍以上。

4.污水通道管壁扭曲使得污水中顆粒不易沉積或滯留在污水通道四壁。

附圖說明

圖1為套管式污水換熱器整體圖；

圖2為套管式污水換熱器換熱通道單元圖；

圖3為污水通道三角形扭曲管；

圖4為換熱通道橫截面簡圖；

圖5為污水在套管式污水換熱器的流向示意圖；

圖6為換熱介質在套管式污水換熱器的流向示意圖；

圖中，1-套管式污水換熱器，2-套管換熱單元，3-污水進口，4-換熱介質總進口，5-換熱介質總出口，6-污水出口，7-換熱介質分流管，8-污水通道壁，9-污水通道，10-三角形-圓形變截面管，11-圓形截面180°彎頭，12-污水通道外圓管，13-換熱介質通道，14-換熱介質進口，15-換熱介質出口。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發明做進一步描述。但以下描述并不理解為對本發明涉及范圍的限制。

本發明的適用于高固體含量污水的套管式換熱器，它主要用于適用于處理TS為4-10％(wt％)的高固體顆粒含量的污水，具有防結垢防堵塞的作用和很高的換熱性能。它包括內套管和外套管，內套管位于外套管之內，其中內套管主要作為污水通道，而內外套管之間的間隙構成換熱介質通道。

如圖3所示，本發明的內套管是截面為三角形且管壁沿管中心軸向一個方向螺旋變形而成的三角形扭曲管。該三角形扭曲管的截面為等邊三角形，其中心軸為直線或曲線，在優選條件下采用如圖3所示的直線中心軸。

本三角形扭曲管沿管中心軸向一個方向均勻螺旋變形，它的重要參數之一為扭矩，即管壁繞管中心軸線螺旋變形360°所對應的管長，本三角形扭曲管的扭矩為400-700mm。本三角形扭曲管的三角形截面的內切圓直徑為50-100mm。污水與換熱介質通過三角形扭曲管的管壁直接換熱。

本例中的外套管采用常見的圓形套管，其半徑在60-110mm范圍內，外套管的管徑略 大于內套管，形成近似于內套管內切外套管的結構。本例中內外套管的截面結構如圖4所示。在其他方案中，在外套管內也可設有多根內套管。

本換熱器可以包括一個或多個單元，其中第一個單元都可以由一個如上的內外套管組成。如圖2中為兩個單元，而圖1中為常見多單元。由于三角形扭曲管的中心軸以直線為佳，故當采用多單元或多個三角形扭曲管組成換熱器時，該換熱器還需包括三角形-圓形變截面管和圓形截面彎頭。三角形-圓形變截面管是管壁及截面從與三角形扭曲管對應的三角形逐漸轉變成圓形的管道，而圓形截面彎頭是具有一定彎曲角度的接頭彎管，如圖1和圖2中的圓形截面180°彎頭。當采用三角形-圓形變截面管和圓形截面彎頭連接多個三角形扭曲管時，兩個三角形扭曲管在需要連接的管口部位先各自與一個三角形-圓形變截面管相連接，這兩個三角形-圓形變截面管之間再通過一個圓形截面彎頭相連接；按這種連接方法，多個中心軸為直線的三角形扭曲管通過多個三角形-圓形變截面管和圓形截面彎頭相連接構成具有多個彎曲結構的污水通道。

本換熱器包括污水通道和換熱介質通道，其中污水通道可以由一個三角形扭曲管構成，也可以由多個三角形扭曲管以及用以連接三角形扭曲管的三角形-圓形變截面管和圓形截面彎頭構成，污水通道的兩端分別設有污水進口和污水出口，其流動方向如圖5所示；而換熱介質通道由外套管與內套管之間的環隙構成，當換熱介質通道有多個時，各換熱介質通道單獨設置或是多個換熱介質通道通過連接管或接口相連通構成換熱介質總通道，在所述換熱介質通道或換熱介質總通道上設有換熱介質入口和換熱介質出口。

圖1顯示了一種比較完善的套管式污水換熱器1的整體結構，它包括套管換熱單元2、污水進口3、換熱介質總進口4、換熱介質總出口5、污水出口6和換熱介質分流管7。

其中套管換熱單元結構如圖2，它的結構包括：污水通道9，換熱介質通道13；污水和換熱介質分別在污水通道9和換熱介質通道13中流動，污水和換熱介質通過污水通道8壁面換熱，污水通道的截面為正三角形，其繞管軸線的扭矩為400-700mm(扭矩為截面旋轉360°所需的管長度)；換熱介質通道13截面為圓形；換熱介質通道13為污水通道8壁面與套在污水通道12外圓管間的間隙，換熱介質通道對應流動換熱介質包括清水等換熱介質，污水通道9和換熱介質通道13兩通道的中心軸線在同一直線上。

本例中的三角形扭曲管的外觀結構如圖3所示，其為截面為正三角形且管壁沿管中心直線軸向一個方向螺旋變形而成。圖1中的污水通道8包括三角形截面扭曲管、三角形-圓形變截面管10和圓形截面180°彎頭11。三角形截面扭曲管之間通過三角形-圓形變截面管和圓形截面180°彎頭連接，污水進口和污水出口通過三角形-圓形變截面管與三角形 截面扭曲管連接；污水從污水進口流經多個串聯的三角形截面扭曲管后到達污水出口；污水通道采用鍍鋅碳鋼制成，所述圓形截面180°彎頭和三角形-圓形變截面管外側均設保溫材料。

本例中的換熱介質通道，如圖2，它包括：圓形截面套管12、換熱介質進口14和換熱介質出口15。換熱介質從換熱介質總進口流入進入多個并聯的圓形截面套管與三角形截面扭曲管的環隙達到換熱介質總出口流出，換熱介質通道由不銹鋼管制成，所述換熱介質通道外側均設保溫材料。

性能測試

以下采用圖1所示的結構，其中的污水通道分別采用相同當量直徑的不同扭矩的三角形扭曲管(圖3)以及其他類型的內管，測試其對換熱器的堵塞周期影響。

表1相同當量直徑換熱管實施例與對比例防堵與換熱效果比較

由上表可以看出，對比例1同實施例1相比，由于污水通道的三角形扭曲管扭矩過大，使得換熱介質通道空間過小，換熱器的無法正常工作，所以對比例1的污水出口溫度遠低于實施例。而對比例2與實施例1相比，由于扭矩過大，扭曲程度過低，使得污水通道不具備防堵塞的作用。對于相同的扭矩的橢圓管和三角形扭曲管，如實施例1和對比例3，可以看出橢圓形扭曲管不具備防堵塞能力；此外，從對比例4與實施例1可以看出，三角形直管最易堵塞。以上測均采用TS(總固體含量)為4％-10％的污水，換熱器運行周期為30天。α

如圖2所示，污水與換熱介質在2中進行熱交換，換熱的污水側通道是截面為三角形的流道9，換熱的換熱介質側通道時截面為圓形的圓套管與內置的三角形扭曲管的環隙13，且兩通道均以三角形扭曲管中心軸線為流動的中軸線，如圖4為換熱通道的截面圖，三角形扭曲管8內切圓圓O_i的直徑為D_e，圓形截面套管12截面圓O_o半徑為R_s，套管式污水換熱器根據不同TS(固體含量)的污水，選用不同的管徑，具體選用方式如下表2：

表2不同TS(固體含量)的污水，選用不同的管徑

實驗證實，在上述TS-管徑的條件下可以實現高防結垢防堵塞的作用和較高的換熱性能，而有較大偏差時則會嚴重影響前述效果。

如圖3污水換熱通道8的突出特點是，污水在沿管流動的同時，繞管中心軸發生旋轉流動，這種流動的好處是：污水換熱管道內的顆粒雜質不易沉積到管壁面上，而是集中在流動核心區域，因此壁面不易產生壁面污垢，使得換熱性能得到保持，此外由于流道內沒有阻礙，換熱過程阻力損失小，過程泵的功耗較小。

由于高TS污水的污水粘性較大，換熱器的熱阻主要還是集中在污水側。污水換熱管內流動保持在1m/s以上，保證污水與間壁之間的對流換熱系數。如圖2，污水通道9和換熱介質通道13由于三角形扭曲管8的結構對流體擾動，使對流換熱過程熱阻大幅減小，對流傳熱效率大幅提高。

如圖5，污水在8三角形扭曲管中流動換熱，經過彎頭和三角形-圓形變截面管流入下一三角形扭曲管內換熱；如圖6，換熱介質通過7換熱介質分流管進入換熱介質換熱通道，與污水逆流換熱，再進入7污水換熱介質分流管流出換熱器。

采用本申請套管式污水換熱器對污水進行換熱，采用的換熱介質為水，在相同套管結構、污水進口流速下和水進口流速下，實施例與現有的采用圓管作為污水通道的對比例換熱效果見下表：

表2實施與對比例換熱效果比較

注：橢圓扭曲管會造成嚴重堵塞而不能測試。

從表中可以看出本發明的換熱效果最佳，同對比例5相比，當本發明污水通道內切圓直徑即其當量直徑D_e與圓管直徑相同時，本發明的換熱面積要高50％，對本發明流傳熱系數為普通圓管作為污水通道的套管式換熱器的3倍以上；同對比例6相比，如果不改變換熱器體積，作為污水通道的圓管需要增大管徑提升換熱面積，但換熱效果更差；同對比例7相比，相同的換熱面積條件下，相同當量直徑的圓管換熱效果比本發明低10℃，所以可以推算出本發明的對流換熱系數要比對比例高兩倍以上。