1 引言
目前，广大城镇家庭安装有各类家用热水器，洗浴时主要以淋浴为主。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。因此，这一过 程所造成的浪费是不容忽视的：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。按洗浴用水流 量为 4L/min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。
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。
2.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/(m 2 ·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，该换热器售价必须足够低，从经 济角度考虑吸引人们也愿意购买和使用。
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。因此，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。
3 新型换热器
3.1.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1）。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2）
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。
3.2.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/m 2 k，即为每平方米换热面积、一度温差可传递2~7kW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/m 2 k，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/(m 2 k)的要求。（还具备30%的冗余）
3.3.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，前景可观。
目前，广大城镇家庭安装有各类家用热水器，洗浴时主要以淋浴为主。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。因此，这一过 程所造成的浪费是不容忽视的：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。按洗浴用水流 量为 4L/min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。
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。
2.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/(m 2 ·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，该换热器售价必须足够低，从经 济角度考虑吸引人们也愿意购买和使用。
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。因此，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。
3 新型换热器
3.1.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1）。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2）
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。
3.2.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/m 2 k，即为每平方米换热面积、一度温差可传递2~7kW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/m 2 k，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/(m 2 k)的要求。（还具备30%的冗余）
3.3.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，前景可观。
