一种相变蓄热式降膜蒸发器的制作方法

本发明涉及热储存与热交换领域，具体涉及一种相变蓄热式降膜蒸发器。

背景技术：

降膜式蒸发器是一种利用分布器将料液自上而下分散至加热室换热管表面上形成膜状蒸发的换热器，其基本原理是利用了换热管表面的薄膜蒸发机理。降膜式蒸发器通常由液料分布器、管板、降膜蒸发管束、上腔体、下腔体和蒸发腔室等部分组成，可外接真空泵系统和气液分离系统。相对于传统蒸发器，降膜式蒸发器具有传热效率高、蒸发快且液料充注量少的优点，因此成为近年来暖通空调行业的研究热点。然而，现有降膜式蒸发器通常存在液料分布不均匀，从而导致蒸发管之间出现“干管”和“温度不均衡”的现象，该现象会引起管束之间的热应力差异和蒸发效率的降低。此外，现有降模式蒸发器蒸发过程中没有储热和恒温蒸发的功能，在加热热源不稳定或不连续输入的情况下，其蒸发温度、压力存在不稳定性，这也降低了系统整体蒸发效率。最后，现有降膜式蒸发器的蒸发换热方式为加热介质在蒸发管内循环流动，在长期运行后，也会导致降膜蒸发管内表面结垢的问题。

技术实现要素：

基于上述现有降膜式蒸发器存在的问题，本发明提出一种具有储热恒温蒸发功能的热管式降膜蒸发装置。该蒸发装置利用相变材料的高储热密度特性和相变恒温特性来实现蒸发过程的温度和热流量稳定性，同时利用金属热管来实现蒸发管内的无介质流动传热，从而解决现有降膜式蒸发器存在的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种相变蓄热式降膜蒸发器，其特征在于，包括：

腔体，包括由上至下依次排列的液料腔室、蒸发腔室和加热腔室；所述液料腔室和所述蒸发腔室由降膜导流板分隔，所述蒸发腔室和所述加热腔室由密封挡板分隔；

管组件，包括降膜蒸发管、金属热管和相变储热材料；所述金属热管套设于所述降膜蒸发管内，所述相变储热材料填充于所述降膜蒸发管和所述热管之间；所述降膜蒸发管的顶端插入所述液料腔室内，底端固定于所述密封挡板上；所述金属热管的顶端置于所述降膜蒸发管内，底端插入所述加热腔室内；及

设在所述液料腔室顶部的液料分布器，用于均匀布入液料。

优选地，所述液料分布器上设有液料进口。

优选地，所述液料分布器上设有测压监测孔和测温监测孔。

优选地，所述蒸发腔室上设有真空接口、蒸汽出口和液料出口。

优选地，所述加热腔室上设有加热介质进口和加热介质出口。

优选地，所述降膜蒸发管下端通过密封组件固定于所述密封挡板上。

优选地，所述降膜导流板上设有若干导流孔，所述降膜蒸发管的顶端通过所述导流孔插入所述液料腔室内。

优选地，所述导流孔为倒梯型。

优选地，所述密封挡板上设有若干定位孔，所述热管的底端通过所述定位孔插入所述加热腔室内。

优选地，所述金属热管为单直热管、翅片型热管、u型热管或环形脉动热管。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

(1)本发明利用相变材料在相态变化过程中会吸收或释放大量潜热及该过程恒温的特性，将降膜蒸发管与相变储热材料耦合设计，在加热源不稳定的情况下也能实现稳定的热量输出，保证蒸发过程的温度和压力稳定性，有效解决了现有薄膜式蒸发器存在的“干管”和“温度不均衡”的问题。此外，在加热源中断的情况下，本发明将体现其明显的积极效果，即：在加热源中断的情况下，由于本装置具有相变储热的功能，因此仍能继续维持液料的蒸发。

(2)本发明在降膜导流板上设计了均匀布置的倒梯型液料导流口，该导流口中心位置插入降膜蒸发管，并保持环形等距，该设计可实现全液料或气/液料共混态介质均匀分散，形成一致性薄膜、提高整体蒸发效率。

(3)本发明提出将金属热管作为降膜蒸发管的传热元件，利用金属热管的介质内循环和超导热特性，实现了加热介质与降膜蒸发管的完全分离。此外，通过在金属热管和降膜蒸发管之间填充相变材料作为热储存和传输介质，进一步的效果是解决了传统加热介质在降膜蒸发管内流动所导致结垢和非等温传热问题。

附图说明

图1为本发明的相变蓄热式降膜蒸发器示意图。

图2为本发明液料降膜流动示意图。

图3为本发明的降膜导流板示意图。

图中：1-金属热管，2-加热腔室，3-加热介质进口，4-加热介质出口，5-降膜蒸发管，6-相变储热材料，7-蒸发腔室外壳，8-降膜导流板，9-液料出口，10-蒸汽出口，11-液料进口，12-测压孔，13-真空接口，14-液料腔室，15-测温孔，16-密封组件，17-密封挡板，18-液料分布器，19-蒸发腔室，20-液料，21-倒梯型降膜导流口。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，一种相变蓄热式降膜蒸发器主要由金属热管1、加热腔室2、加热介质进口3、加热介质出口4、降膜蒸发管5、相变储热材料6、蒸发腔外壳7、降膜导流板8、液料出口9、蒸汽出口10、液料进口11、测压监测孔12、真空接口13、液料腔室14、测温监测孔15、密封组件16、密封挡板17、液料分布器18和蒸发腔室19组成。所述金属热管1材质不限，可根据相变材料性质而定，金属热管1的形状不限于单直管，可以是带翅片的热管、u型热管或环形脉动热管。所述金属热管1通过密封组件16固定于密封挡板17上，其上端冷凝段内置于降膜蒸发管5内、下端蒸发段置于加热腔室2内；所述降膜蒸发管5顶端插入降膜导流板8的倒梯型导流孔内，下端通过密封组件16固定于密封挡板17上；所述相变储热材料6填充于金属热管1外表面和降膜蒸发管5内表面组成的腔体内，并由密封组件16形成底部密封；所述降膜导流板8通过法兰或焊接的方式固定于液料腔室14和蒸发腔室19之间，其上开设有数个降膜导流口；所述密封挡板17通过法兰或焊接的方式固定于蒸发腔室19和加热腔室2之间，其上开设有数个定位孔，用于固定降膜蒸发管5和金属热管1，密封挡板17、降膜蒸发管5和金属热管1之间通过密封组件16形成封闭；法兰连接非常便于拆卸维护或清洗，同时，降膜蒸发管、金属热管和密封挡板之间通过上下带螺纹的密封组件进行连接，因此也非常方便拆卸更换或维护。所述液料分布器18安装于液料腔室14正中心顶部，并连接于液料进口11上；所述液料腔室14顶部开设有测压监测孔12、测温监测孔15和液料进口；所述加热腔室2左右两侧开设有加热介质进口3和加热介质出口4；所述蒸发腔室19左右两侧开设有真空接口13、蒸汽出口10和液料出口9。

初始状态，外部循环热源(该热源可以是气态介质、也可以是液态介质)通过加热介质进口3进入加热腔室2，在加热腔室2内热源介质通过金属热管1将热量不断的传递给降膜蒸发管5内的相变储热材料6，使其吸热融化、储存热量。待相变储热材料6吸热完成，且温度达到设定值上限后，此时关闭外部循环热源，并同时打开外部真空系统。外部真空系统通过真空接口13对装置蒸发腔室19进行抽真空，待真空度达到设定要求后，真空系统保持开启，保持装置处于一定的真空度。

上述过程为装置初次开启时的运行状态，达到该状态后将维持动态平衡。在此之后，装置将打开液料腔室14顶部的液料进口11，让液料通过液料进口11流入液料分布器18中，最后均匀分散流向降膜导流板8上。如图2所示，由于降膜导流板8上开设有数个降膜导流口，降膜导流口中又插入有降膜蒸发管5，上述液料将在自身重力和蒸发腔室负压的作用下，沿着降膜导流口和降膜蒸发管5之间形成的环形间隙往下流动，并在降膜蒸发管5表面形成薄膜流动。如图3所示，降膜导流板8设计了倒梯型降膜导流口21，倒梯型设计使导流口上宽下窄，形成斜面，有利于全液料或气/液料共混态介质在流动过程中能够沿着降膜蒸发管5外表面均匀分散。该导流口中心位置插入降膜蒸发管5，并保持环形等距，形成一致性薄膜，提高整体蒸发效率。

由于降膜蒸发管5内相变储热材料6处于吸热饱和状态，且温度在设定的液料蒸发温度之上，因此上述液料在沿着降膜蒸发管往下流动的过程中将受热而蒸发。蒸发过程由于相变储热材料6中储存有大量的潜热，因此蒸发过程为恒温蒸发过程。蒸发产生的蒸汽将沿着蒸汽出口10流向外部的气液分离室，而未完全蒸发的液料将沿着蒸发管壁流向蒸发腔室19底部，并由液料出口9排出。上述液料蒸发过程，蒸发腔室19的压力会发生变化，因此蒸发过程真空系统会根据蒸发腔室19的压力变化进行自动开启和关闭，保持设定的平衡压力。同时，液料蒸发过程会不断的吸收降膜蒸发管5内相变储热材料的热量，当吸热量超过相变储热材料所储存的潜热量时，温度将随之降低。因此，在液料蒸发过程中，外部热源会监测降膜蒸发管5内的温度，一旦温度有所下降，外部热源将自动开启循环加热给相变储热材料6补充热量，而一旦温度达到设定上限值时，又自动关闭热量的补充。

上述过程即为本发明装置正常运行时的基本过程，按上述过程不断循环，便可实现连续的液料蒸发。而在特殊情况下，本发明装置将进一步体现其优势，如在外部热源突然中断的情况下，由于本发明装置具有相变储热功能，因此在外部热源中断的情况下，本装置仍能在一定时间内稳定持续的将液料进行蒸发。具有储热和恒温功能的降膜蒸发管将金属热管、相变储热材料和降膜蒸发管有效耦合，实现了液料在蒸发管表明上的恒温蒸发，且实现了蒸发管内无换热介质流动，避免了蒸发管内的结垢。

实施例：

八水氢氧化钡(ba(oh)2·8h2o)是无机相变储热材料中非常具有发展潜力的一种功能性材料，其相变温度为78℃、相变潜热值可达260kj/kg以上，该相变温度及潜热值使其非常适合用于中低温热源的储存与温度调控。因此，本实施案例以ba(oh)2·8h2o作为薄膜蒸发管内的相变储热材料，以纯净水作为蒸发用液料，并根据它们的相变温度特性做参数设定，实施案例说明如下。

按照发明装置结构设计图，制作装置各组成部分，并按照设计结构进行连接和相变储热材料的灌封。上述准备工作完成后，按照装置工作原理，运行步骤如下：

(1)首先开启外部循环热源，使加热介质通过金属热管不断的将热量传递给降膜蒸发管内的相变储热材料ba(oh)2·8h2o；

(2)相变储热材料ba(oh)2·8h2o在吸收来自加热介质的热量过程中温度会不断上升，当温度上升至78度(相变温度)以上时，代表其已完全吸热融化，此时外部循环加热将停止运行；

(3)外部真空系统监测到降膜蒸发管内相变材料达到设定温度值后，将通过真空接口13对蒸发腔室19抽真空。由于本实施例使用的相变储热材料相变温度为78℃，考虑3℃的传热温差，因此液料水的蒸发温度应小于等于75℃；

(4)本实施例设定液料水的蒸发温度为75℃，该蒸发温度对应的蒸发压力为38.55kpa。随着抽真空的进行，蒸发腔室19的真空度将不断降低，当真空度达到设定值38.55kpa及以下时，外部真空系统将关闭抽真空；

(5)上述降膜蒸发管内相变储热材料的温度和蒸发腔室内的压力都达到设定值后，液料将有液料进口11流入液料分布器18中，并均匀分散流向降膜导流板8；

(6)降膜导流板上的液料水在自身的重力作用和蒸发腔室的负压作用下，将沿着倒梯型导流口流向降膜蒸发管外表面，并形成膜状流动；

(7)由于蒸发腔室处于38.55kpa的负压状态、降膜蒸发管内的相变储热材料处于78℃的高温状态，因此液料水将和沿着管壁流动的过程中不断蒸发。由于蒸发过程中相变储热材料中储存了大量潜热，因此蒸发过程中蒸发温度维持不变，几乎为恒温蒸发。最后，产生的蒸汽由蒸汽出口10流向外部汽液分离器，未蒸发的液料水将流向底部由液料出口9排除；

(8)由于液料水在蒸发腔室内的蒸发过程会吸收降膜蒸发管内相变材料的热量和改变蒸发腔室内的压力。因此，在蒸汽产生的过程中，外部热源和真空系统会实时监控降膜蒸发管内的温度和蒸发腔室内的压力，并根据监测的参数进行自动的开启和停止，因此控制状态参数的平衡。

按照上述实施案例步骤，将本发明装置应用于完整的系统中，便可实现连续的蒸汽制取。此外，通过在降膜蒸发管中灌封不同相变温度的相变储热材料，则可实现不同压力下不同液料介质的蒸汽制取。

综上所述，本发明公开了一种相变蓄热式降膜蒸发器，该蒸发器具有储热恒温蒸发功能，利用相变材料的高储热密度特性和相变恒温特性来实现蒸发过程的温度和热流量稳定性，同时利用金属热管来实现蒸发管内的无介质流动传热，从而解决现有降膜式蒸发器存在的问题。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。