换热器在淋浴房节能应用的研究

evapuck · 发表于 2009-11-7 22:54:59

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一、序言
随着人们居住条件的改善，越来越多的家庭拥有自己的卫生间和浴室，各类家用热水器快速在城市家庭和先富裕起来的农村得到普及，更多的人们在自己家里洗澡，其中淋浴占较高比例。
当人们以淋浴方式进行洗浴时，洗浴热水（大约为40~43℃）从上至下流经人体或直接坠落到地板上，随即变为洗浴废水（大约为30~35℃）直接流入下水道。值得注意的是，这一过程所造成的浪费不容忽视：在年平均气温为16.6℃的中国，直接将30℃左右的洗浴废水排放到下水道，随之流走的不仅是水，同时还有相当可观的热能。这只是一个简单的物理题，按洗浴用水流量为每分钟4升计算，废水水温为30℃，进水水温为15℃，那么每分钟浪费的能量就相当于4.2Kw；若进水温度为5℃，则相当于7Kw的热能随洗浴废水流逝。那么能否回收这些能量呢？
试想，若能以简单而高效的方法回收利用洗浴废水所蕴涵的部分热能，不仅可以极大地有利于节能、环保，同时，由于可以循环使用回收的能量，因此功率较小的热水器可以达到大功率热水器相同的洗浴效果，人们将更愿意择较购买和使用小功率（或容量）的热水器，同样生产、销售小功率热水器可降低其生产成本和销售价格。
二、开发思路
换热器，在石油、化工等工业领域的使用已经有超过100年的历史了。但要想将换热器搬进家庭浴室中使用还存在诸多的限制。
首先，由于家庭浴室空间的限制，淋浴换热器必须只能占用较小空间；
第二，洗浴废水的温度一般在30~35℃，而自来水的温度从0℃~25℃之间，因此淋浴换热器必须能进行低温差换热；同时还具有水流量较小的特点，每分钟4L左右的流量；
第三，如果将每分钟4L流量的自来水与30℃的洗浴废水通过热交换，能够使0℃的自来水经换热后达到25℃，那么换热器的换热效率/功率应达到或超过7KW；假设换热器的换热面积为一平方米（能放置于普通淋浴房底座下），则换热器的传热系数应超过1400W/(m2*k)；
第四，洗浴废水中含有毛发、皮屑、油脂等污渍，容易形成污垢，会降低换热器的水道，导致换热效率降低甚至失效。因此，换热器应有相应的过滤功能，且容易拆卸清洗；
第五，同时，该换热器售价必须足够低，能吸引人们仅从经济角度考虑也愿意购买。
事实上，现有的涉及浴室使用的换热器，大多属将现有的普通工业换热器结构照搬进入浴室，其中，由螺旋盘管换热器变形而来的最为常见。比较具有代表性的是专利号为03263228.2的《可带电加热的余热回收装置》属螺旋盘管换热器的变形；而专利号为99203188.5的《垫板式废热水余热回收器》则使用了盘管加套管式换热器原理。这些选用螺旋盘管式设计换热器的换热效率较低，难以满足冬季环境温度较低的洗浴环境。专利号为01249608.1的《薄板换热器》的设计则过于复杂，使用了过多的材料，却没有能相应地增加有效的换热面积，并且该设计的换热器加工难度大、成本高。
显然，若只是简单地将工业上应用的换热器照搬进家庭浴室中使用，很难同时满足上述约束条件。这个“家用淋浴换热器”必须是一个创新的设计。
而本文涉及的家用淋浴交换器，不仅兼具了板式换热器、螺旋板式换热器、螺旋盘管式换热器的特点，而且体积小、换热效率高，可进行逆流换热、能满足低温差换热的需要；同时，带模块化结构的过滤器、容易拆卸清洗；并且本新型换热器具有易于模块化加工和装配生产，制造成本低等特点。
三、新型换热器
1.工作原理
本文涉及的换热器，核心部件是一块由高热导率的金属薄板通过冲压方式制成，在金属薄板两面形成从里到外凹凸相间的螺旋形凹槽（见图一）。通过在该带螺旋形凹槽的金属薄板两面，分别覆盖金属或塑料板，在该带螺旋形凹槽的金属薄板两面形成上下两层、相互隔离的两个螺旋形流体通道，让初始温度较低的液体从上层螺旋形流体通道边缘流入、至中间流出，而初始温度较高的液体从下层螺旋形流体通道的中间流进、至边缘流出，从而以逆流的方式实现低温差换热。（见图二）
带螺旋形凹槽的金属薄板的整体中间略为凹陷，周边略高，呈钝角锥台平底锅形，中间预留一部分空间面积，在换热器中间位置放置一个模块化的过滤器，以减低换热器的污垢形成。
本换热器与现有换热器的设计比较有以下优点：
（1）两个上冷下热分层的螺旋形流体通道，增强换热过程中水的对流以及紊流（强制对流），有效提高换热效率；螺旋形流体通道也有效减低了液体流动的阻力；可逆流换热，能够满足低温差换热的应用环境。
（2）换热面是一整块金属薄板制成，加强传热效果的同时，还起到均衡传热的效果；例如，在家庭淋浴的洗浴环境，能有效抑制由于洗浴废水的水流温度间歇变化、流量流速等因素导致被预热的清洁水水温度明显波动、时冷时热的情况发生。
（3）换热面整体呈锅底形的设计，保证了人们在洗浴过程中偶尔间断热水使用时，仍然继续保持了对清洁自来水的预热，减低重新开启热水时水温的波动。
（4）洗浴废水在换热器中的流动压差可设计成靠出水口处设置的虹吸管产生，或由安全电压驱动的电磁泵产生，还可以参考汽车发动机废气涡轮增压的原理和思路，专门设计一个由自来水驱动的增压器驱动废水的排放。
（5）独立的模块化过滤器，可以减低换热器的污垢形成，同时也方便过滤器的技术升级。
（6）以冲压方式在一平方米面积内制成两个15~20m长（甚至达30m以上）的螺旋型水道，比使用15~20m长金属管（圆管或方槽管等）制作螺旋盘管成本更底，更容易加工。
本设计已申请并获得国家发明专利证书，专利（申请）号为200710077926.0。
2.设计计算效果
在各种类型换热器中，传热系数最高的为板式换热器。板式换热器的传热系数一般在2000~7000W/m2k，即为每平方米换热面积、一度温差可传递2~7千瓦功率。本换热器与之不同之处在于，常见的小型板式换热器换热流体的流程仅几十厘米至一百多厘米，本换热器中流体的流程达1500厘米（15米），根据热传递原理，则其换热效率显著优于板式换热器，逆流换热的效果更佳。
将本换热器的热转换按板式换热器计算，即使按较低传热系数2000W/m2k，一平方米的换热面积，5度温差则可达到10kw的换热功率，能满足每分钟4L流量的0℃自来水与30℃的洗浴废水通过热交换，经换热后自来水升至25℃所需7KW，换热器的传热系数须超过1400W/(m2*k)的要求。（还具备30%的冗余）
3.实际使用节能计算
根据实际情况，按平均每人每周洗澡3次，每次洗澡耗电2度电（1元电费），则每人每年洗澡约150次，耗电300度，150元电费；户均按3人计算，每个家庭每年洗澡的能耗近900度，根据现在的电价，则为450元钱。若淋浴换热器的售价控制在每台300元左右，同时考虑当使用淋浴换热器后所需热水器的功率可降低1/3，则实际购买淋浴设备的总费用远远低于一年的电价。
从长远来看，由于淋浴换热器节能50%，家庭使用一年半即收回在淋浴换热器上的投资，使用6年所节省的能源费用超过1350元。从整个国家来讲，依据2008年行业统计，中国热水器（包括燃气、电热水器）市场规模约有近1500万台的容量，金额超过180亿。未来淋浴换热器获得普及推广时，市场容量应接近热水器，金额将达到30亿规模/年。

kingpuwer · 发表于 2009-11-11 15:53:56

有兴趣！是你的专利吗？能更详尽些吗？为什么应该附图的地方没有图呢？

jacksu · 发表于 2009-11-11 22:52:53

有兴趣的话，可以到国家专利局网站上去检索，下载... (不是很详细，期待样机... 看实际效果...)

jacksu · 发表于 2009-11-11 23:13:48

一种新型板式螺旋换热器简版.pdf (150.8 KB, 下载次数: 0)

完整版本还是看国家专利局检索文库吧。

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