一种船用自调节板式海水淡化换热器装置

1.本发明涉及一种船用自调节板式海水淡化换热器装置，以缸套水为热源生产淡水，属于海水淡化技术领域。


背景技术：

2.随着船舶技术的快速发展，船用海水淡化装置成为保障船舶续航能力的重要设备。商船、邮轮等大型船舶对于淡水需求量大，传统壳体式海水淡化装置过于占据宝贵空间，且能耗巨大。相较于壳体式海水淡化装置，板式真空沸腾海水淡化装置具有结构紧凑、体积小巧、换热效率高、运行维护简单等特点，且高效利用了缸套水废热。利用低品位热源的蒸馏法的海水淡化技术目前已经成为大型船舶海水淡化的首选。
3.公布号为cn108622966a和cn106587227a的中国专利公开了一体化双效板式海水淡化装置及其工作方法，通过将蒸发器和冷凝器的板片集成在一张换热板片上，提高装置的紧凑性，从而减轻重量，降低成本。但蒸发器中海水蒸发生成的蒸汽由于比容大，需要有足够大的流动空间实现将蒸汽中的海水液滴分离，提高蒸馏水的水质，一体化设计需要提供给蒸汽流动的足够长的板片通道，否则直接影响蒸馏水的水质。
4.公布号为cn101985369a的中国专利公开了一种板式海水淡化装置及其工作方法，应用真空沸腾蒸馏原理，将蒸发器和冷凝器独立布置，实现海水的淡化。但船用柴油机变负荷工作引起蒸发器板片间海水液位过高，影响蒸发生成的蒸汽从板片通孔中流出，造成系统产水量急剧降低。
5.目前板式蒸馏法海水淡化装置存在的主要问题有：柴油机变负荷工作引起缸套冷却水温度升高时，蒸发器板片容易产生干壁造成换热面结垢；板片内海水液位随热负荷变化而无法动态调整，造成蒸馏水中含盐量过高；蒸汽在离开蒸发器板片和进入冷凝器板片的通道面积不足，造成蒸汽不能及时和顺畅的流出和进入换热板片，降低产水量。因此开发适合船舶使用的，更加经济节能且运行稳定的板式海水淡化设备具有迫切的现实需求。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的问题是，克服现有技术不足，提出一种船用自调节板式海水淡化换热器装置，其能够在柴油机负荷变工况下实现自调节，保证变工况下保持稳定运行，确保制取的淡水合乎要求。
7.本技术采用的技术方案为：一种船用自调节板式海水淡化换热器装置，它包括淡水箱和真空蒸馏侧，所述真空蒸馏侧采用不锈钢壳体与不锈钢前盖围成卧式圆柱状容器，不锈钢钢架固定在不锈钢壳体上，丝网除沫器固定在不锈钢前盖中间，不锈钢钢架与丝网除沫器将容器分割为上下两侧，上侧设置板式冷凝器，下侧设置板式蒸发器；不锈钢钢架的下侧设置液滴折流挡板；不锈钢壳体的底部设置盐水池；
8.所述板式冷凝器上设置冷凝器海水入口、冷凝器海水出口、淡水出口，淡水出口一支路经淡水支管连接至淡水箱；淡水出口另一支路经不凝气支管连接至盐水-不凝气喷射
器的不凝气入口；
9.冷凝器海水出口经管路连接海水泵，分为两支路：一支路由喷射器海水支管连接至盐水-不凝气喷射器的喷射器海水入口，另一支路由原料海水支管连接至板式蒸发器的原料海水入口；板式蒸发器上还设有缸套水入口和缸套水出口；
10.所述盐水池经过盐水排出管连接至盐水-不凝气喷射器的盐水入口。
11.该装置是以轮船柴油机缸套水废热为热源，通过真空蒸馏的方式获取淡水，它包括板式海水淡化装置和淡水箱；板式海水淡化装置包括真空蒸馏侧和动力侧；液滴折流挡板下侧外缘低于蒸发器上侧外缘10cm，汽液混合物方向180
°
变化后液滴被分离，汽液混合物经过丝网除沫器后液滴被进一步分离；动力侧包括海水泵和可调式盐水-不凝气喷射器；海水泵设置于可调式盐水-不凝气喷射器前；不凝气入口与位于冷凝器淡水出口段上侧垂直连接的不凝气管相连；盐水入口与位于不锈钢壳体下侧的盐水排出管相连。
12.进一步的，前述的海水淡化装置的淡水出口处改变了传统的自流方式，加设浮球疏水阀。所述淡水支管上设置浮球疏水阀，所述浮球疏水阀包括阀体、阀腔、阀座、进水口和出水口，阀腔内设置浮球和拦网，阀体底部设置与浮球相配合的水嘴；阀体内设置旁通管连通阀腔和出水口，旁通管置于阀腔的一端设置热胀片。
13.设计工况下水充满整个阀腔，浮球浮起，阀内排水口开放，阀内淡水从排水口排出；在非设定工况下，冷凝器内蒸汽侵入所述浮球疏水阀，导致阀内液位降低，浮球落入阀座归位，浮球堵住出水口，同时阀内留有一定高度的水封，阻碍蒸汽继续侵入淡水管，防止蒸汽泄漏。在系统开车时，热胀片打开，旁通管接通，管道内不凝气可以被排出；冷凝水进入阀后，同时从旁通管和水嘴流走；当蒸汽侵入后热胀片受热膨胀堵住旁通管。
14.再进一步的，前述的可调式盐水-不凝气喷射器为一体式结构，改变了传统喷射器状态参数不可调节的特点，增设可调式结构。所述盐水-不凝气喷射器采用主吸入室、次级吸入室、喉管、扩压管和喷射器海水出口依次相连；所述与盐水入口连通的主吸入室内设置一级喷嘴，与不凝气入口连通的次级吸入室内设置二级喷嘴；所述盐水-不凝气喷射器还设有调节锥，调节锥的后端连接气动机构，其前端穿过喷射器海水入口插入到一级喷嘴喉部前侧。所述调节锥穿过的喷射器海水入口侧壁上设有o型密封圈。
15.盐水入口位于主吸入室上侧。不凝气入口位于次级吸入室上侧，主吸入室、次级吸入室、喉管和扩压管依次相连。调节锥由外界穿过喷射器海水入口，深入至一级喷嘴喉部前侧，在调节锥穿过喷射器海水入口壁处设置o型密封圈，防止海水泄露。调节锥后端连接气动机构，由气动机构控制调节锥作往复运动，改变喷射器喉部面积，调节壳体内真空度，使产水量保持恒定。
16.该装置的具体流程为：海水从冷凝器海水入口进入，在冷凝器中吸收水蒸汽释放的汽化潜热，升温预热后从冷凝器海水出口流入海水泵，经海水泵升压后，大部分作为工作流体流入可调式盐水-不凝气喷射器，小部分作为原料海水经过原料海水管流进蒸发器。原料海水在蒸发器中吸收缸套水释放的热量，在90-95%左右的真空度下蒸发，汽液混合物顺着蒸发器上侧溢出，此时蒸汽夹杂着海水液滴。汽液混合物经过液滴折流挡板后，大部分液滴落入蒸发器下侧的盐水池中，少部分液滴顺着汽液混合物流经丝网除沫器后被除去。水蒸汽在冷凝器中释放汽化潜热，凝结成淡水。淡水与不凝气同时以非满管流的方式流入淡水管，不凝气在淡水管上部被吸入不凝气进口中，淡水流入浮球疏水阀内，然后流至淡水箱
中。在可调式盐水-不凝气喷射器中，海水经海水泵升压后作为工作流体，依次流经一级喷嘴、二级喷嘴在主吸入室和次级吸入室产生负压，抽除不凝气进口内的不凝气和盐水管中的盐水，在喉管混合后，再经扩压管减速增压排至大海中。所设调节锥为变工况下的调节装置，当缸套水温升高时，蒸发器内原料海水蒸发速率加快，产生的蒸汽量增大，导致壳体内压力增大，真空度变小，依据壳体内真空度的变化，向可调式盐水-不凝气喷射器的电机输送信号，调节锥向前移动，喷射器喉部面积减少，喉部出口海水流速增大，喉部出口压力升高以适应壳体压力的变化；相反缸套水温降低时，蒸发器产生的蒸汽量降低，导致造水量降低，此时调节调节锥向后移动，使喉部面积增大，喉部出口海水流速降低，喉部出口压力降低以适应壳体压力的变化，减少可调式盐水-不凝气喷射器的节流损失，提高喷射器效率。
17.将所述的板式蒸发器中蒸发级间用来封闭的橡胶条的上侧外缘削去，使蒸发的蒸汽直接逸出；将所述的板式冷凝器中冷凝级间用来封闭的橡胶条的上侧外缘截断，同时在下部一侧角孔加设胶条封闭角孔，使蒸汽直接进入冷凝器中冷凝，淡水在一侧角孔流出，这样有利于增大淡水流速，利于排出。所述板式蒸发器蒸发侧板片下部的换热区凹槽形成了海水向板片中心流动的通道；所述板式冷凝器冷凝侧板片下部换热区凹槽形成了淡水向板片无胶条侧角孔流动的通道。
18.本实用新型的有益效果为：
19.1、船舶柴油机负荷增大或减少引起的缸套冷却水温度升高或降低，进而使得板式海水淡化装置中蒸发器内海水负压蒸发的温度升高或降低，造成喷射器引射的盐水和不凝气对应的压力升高或降低，如果采用不可调节的喷射器，其引射性能会急剧降低，尤其在负压降低时，不凝气和盐水不能及时从装置中引出，使得淡化装置的产水量急剧降低。本发明中布置带有调节锥的喷射器，可以依据柴油机负荷增大或减少引起缸套冷却水温度的升高或降低，改变调节锥位置，即改变喉部的通流面积，从而相应地减少或增大喉部面积，进而使喷射器喉部出口处压力增大或减小，最终实现变工况下将不凝气和盐水从装置中及时引出，保证了板式海水淡化装置变工况下稳定运行。
20.2、采用盐水和蒸汽从蒸发器板片上侧外缘溢出的方法，能够实现在变工况下，蒸发器板片间盐水液位不随缸套冷却水温度的变化而变化，防止了由于工况变化后，板片间液位降低造成板片干壁而发生的结垢，和板片间液位升高造成蒸汽中过量盐水液滴的夹带。
21.3、淡水出口处设置浮球疏水阀可以防止冷凝器内蒸汽泄漏，减少了由喷射器引射的不凝气中含有的未凝结蒸汽量，提高了喷射器的引射性能。
附图说明
22.图1是一种船用自调节板式海水淡化换热器装置的流程示意图。
23.图2是蒸发器海水蒸发侧结构图。
24.图3是冷凝器蒸汽冷凝侧结构图。
25.图4是浮球疏水阀结构图。
26.图5是可调式盐水-不凝气喷射器结构图。
27.图中：11、淡水箱，12、浮球疏水阀、13、不锈钢壳体，14、不锈钢前盖，15、板式冷凝器，16、不锈钢架，17、丝网除沫器，18、液滴折流挡板，19、板式蒸发器，20、换热区凹槽，21、
角孔，22、橡胶条；
28.110、冷凝器海水出口，111、冷凝器海水入口，112、淡水出口，112a、淡水支管，112b、不凝气支管，113、不凝气入口管，114、盐水入口管，115、盐水-不凝气喷射器，116、海水泵，116a、喷射器海水支管，116b、原料海水支管，117、原料海水入口，118、缸套水出口，119、缸套水入口，120、喷射器海水入口，121、盐水排水管，122、喷射器海水出口，123、盐水池；
29.41、进水口，42、阀体，43、热胀片，44、旁通管，45、出水口，46、拦网，47、浮球，48、阀座，49、水嘴，410、阀腔，411、不凝气旁通口；
30.54、盐水入口，55、不凝气入口，56、气动机构，57、调节锥，58、主吸入室，59、一级喷嘴，510、次级吸入室，511、二级喷嘴，512、喉管，513、扩压管，514、喷射器海水出口。
具体实施方式
31.如图1所示，本发明是一种船用自调节板式海水淡化换热器装置，它包括板式海水淡化装置a和淡水箱11；板式海水淡化装置包括真空蒸馏侧和动力侧。
32.真空蒸馏侧是一个卧式圆柱状容器，它包括不锈钢壳体13、不锈钢前盖14、不锈钢钢架16、板式蒸发器19、板式冷凝器15、丝网除沫器17和液滴折流挡板18；不锈钢钢架16固定在不锈钢壳体13上，将壳体分隔成上下两侧，上侧固定板式冷凝器15，下侧固定板式蒸发器19，下侧外缘固定液滴折流挡板18；丝网除沫器17固定在前盖中间；液滴折流挡板18下侧外缘低于蒸发器19上侧外缘10cm，汽液混合物方向180
°
变化后液滴被分离，汽液混合物经过丝网除沫器17后液滴被进一步分离；板式冷凝器15包括冷凝器海水入口111、冷凝器海水出口110、淡水出口112；蒸发器包括缸套水入口119、缸套水出口118和原料海水入口117；淡水箱11与冷凝器淡水出口112通过淡水管相连，淡水管上设置浮球疏水阀12；动力侧包括海水泵116和可调式盐水-不凝气喷射器115；海水泵116设置于可调式盐水-不凝气喷射器115前。
33.可调式盐水-不凝气喷射器115，包括喷射器海水入口120、不凝气入口55、盐水入口54和喷射器海水出口122；不凝气入口55与位于冷凝器淡水出口112段上侧垂直连接的不凝气管相连；盐水入口54与位于不锈钢壳体13下侧的盐水排出管121相连；
34.如图2、图3所示，将的板式蒸发器中蒸发级b间用来封闭的橡胶条22的上侧外缘削去，使蒸发的蒸汽直接逸出；将板式冷凝器中冷凝级c间用来封闭的橡胶条22的上侧外缘截断，同时在下部一侧角孔加设胶条封闭角孔21，使蒸汽直接进入冷凝器中冷凝，淡水在一侧角孔流出，这样有利于增大淡水流速，利于排出。板式蒸发器蒸发侧板片下部的换热区凹槽20形成了海水向板片中心流动的通道；板式冷凝器冷凝侧板片下部换热区凹槽20形成了淡水向板片无胶条侧角孔21流动的通道。
35.如图4所示，浮球疏水阀包括：进水口41、出水口45、浮球47、拦网46、阀座48、水嘴49、热胀片43和旁通管44。设计工况下水充满整个阀腔，浮球47浮起，阀内水嘴49开放，阀内淡水从排水口排出；在非设定工况下，冷凝器内蒸汽侵入浮球疏水阀，导致阀内液位降低，浮球47落入阀座48归位，浮球堵住水嘴49，同时阀内留有一定高度的水封，阻碍蒸汽继续侵入淡水管，防止蒸汽泄漏。在系统开车时，热胀片43打开，旁通管44接通，管道内不凝气可以被排出；冷凝水进入阀后，同时从旁通管44和水嘴49流走；当蒸汽侵入后热胀片43受热膨胀
堵住旁通管44。
36.如图5所示，可调式盐水-不凝气喷射器为一体式结构，改变了传统喷射器状态参数不可调节的特点，增设可调式结构。可调式盐水-不凝气喷射器包括：喷射器海水入口120、不凝气入口55、盐水入口54、调节锥57、气动机构56、一级喷嘴59、二级喷嘴511、主吸入室58、次级吸入室510、喉管512、扩压管513和喷射器海水出口514。一级喷嘴位59于主吸入室58内，二级喷嘴511位于次级吸入室510内。盐水入口54位于主吸入室58上侧。不凝气入口55位于次级吸入室510上侧，主吸入室58、次级吸入室510、喉管512和扩压管513依次相连。调节锥57由外界穿过喷射器海水入口120，深入至一级喷嘴59喉部前侧，在调节锥57穿过喷射器海水入口120壁处设置o型密封圈，防止海水泄露。调节锥57后端连接气动机构56，由气动机构56控制调节锥57作往复运动，改变喷射器喉部面积，调节壳体内真空度。
37.工作流程：海水从冷凝器海水入口111进入，在冷凝器111中吸收水蒸汽释放的汽化潜热，升温预热后从冷凝器海水出口110流入海水泵116，经海水泵116升压后，大部分作为工作流体流入可调式盐水-不凝气喷射器115，小部分作为原料海水经过原料海水入口117流进蒸发器19。原料海水在蒸发器19中吸收缸套水释放的热量，在90-95%左右的真空度下蒸发，汽液混合物顺着蒸发器19上侧溢出，此时蒸汽夹杂着海水液滴。汽液混合物经过液滴折流挡板18后，大部分液滴落入蒸发器19下侧的盐水池123中，少部分液滴顺着汽液混合物流经丝网除沫器17后被除去。水蒸汽在冷凝器15中释放汽化潜热，凝结成淡水。淡水与不凝气同时以非满管流的方式流入淡水管112，不凝气在淡水管112上部被吸入不凝气进口55中，淡水流入浮球疏水阀12内，然后流至淡水箱11中。在可调式盐水-不凝气喷射器115中，海水经海水泵116升压后作为工作流体，依次流经一级喷嘴59、二级喷嘴511在主吸入室58和次级吸入室510产生负压，抽除不凝气进口55内的不凝气和盐水管54中的盐水，在喉管512混合后，再经扩压管513减速增压排至大海中。所设调节锥57为变工况下的调节装置，当缸套水温升高时，蒸发器内原料海水蒸发速率加快，产生的蒸汽量增大，导致壳体内压力增大，真空度变小，依据壳体内真空度的变化，向可调式盐水-不凝气喷射器的气动机构56输送信号，调节锥57向前移动，喷射器喉部面积减少，喉部出口海水流速增大，喉部出口压力升高以适应壳体压力的变化；相反缸套水温降低时，蒸发器产生的蒸汽量降低，导致造水量降低，此时调节调节锥57向后移动，使喉部面积增大，喉部出口海水流速降低，喉部出口压力降低以适应壳体压力的变化，减少可调式盐水-不凝气喷射器115的节流损失，提高喷射器效率。