改进传热的回旋管蒸发器的制作方法

专利名称：改进传热的回旋管蒸发器的制作方法
技术领域：
本发明总的说来是关于回旋式(“orbital”，即绕轨道运动似的或称摇晃式的)蒸发和蒸馏装置。更具体说是关于一种改进蒸发器，它具有能减少传热管冷凝和蒸发两侧的热阻并能控制蒸发表面上由于污垢引起的热阻的特点。
回旋管式蒸发器和蒸馏装置在美国专利US4，230，529;US4，441，963;US4，618，399;和有由本申请人之一申请的US4，762，592中有了说明。这些专利中的蒸发器是由一个装有一根或多根垂直传热管的容器组成。这些管表面光滑，横截面呈圆形，两端敞开，是用一种导热性能良好的材料制成。有一分配器向每根管内引入料液。回转运动将液体分布成膜。径向通过管壁的热量将部分料液蒸发形成蒸汽流。在蒸发器的一种形式中，用压缩机从蒸汽室抽出蒸汽、压缩、然后将蒸汽排放到冷凝室中。压缩机和隔板将冷凝室和蒸汽室隔开，后者与管内侧相联通。压缩过程把蒸汽加热，使管外的冷凝温度高于管内沸腾温度。蒸汽冷凝而释放的热量用于产生蒸发。容器底部有一出口，用以收集附近的凝液。
US4，441，963专利中，有一部分内容，描述一根硬质棒在管中受正向驱动而转动，使粘稠液体分布成的液膜比仅仅依靠回旋运动而获得的液膜更薄更均匀。US4，618，399专利描述位于管中的搅棒能够将任何粘度的料液分布成一极薄而又均匀的膜以减少其热阻和增加其蒸发。搅棒还能除去污垢和其它固体蒸发残留物。这些物质在管内表面结垢并防碍通过管壁的传热。
US4，618，399专利公开了数种搅棒的固定构件，包括钢丝段，一个挠性但非转动的锚，用以联结底座和搅棒的下端，还有一个双万向接头也联结着底座和搅棒的下端。已证明搅棒作为膜分配器很有效果，但支承装置还有些缺点。它们增加了用料总量、及装配和操作的价格，因而是失败的。用以支承搅棒的挠性钢丝的材料疲劳应特别引起注意。
更进一步总的来说，回旋垂直传热管和搅棒的组合是为了增加管外冷凝向管内表面的传热速度。蒸发是发生在管内表面。通过管壁的传热效率可用总传热系数U表示，它是总热阻的倒数，如下示U= 1/(Re+RW+RC+Rf)式中Re＝管壁蒸发侧热阻Rw＝管壁热阻Rc＝管壁冷凝侧热阻Rf＝由于长期运转，固体在管表面上沉积而引起的热阻。
已知的搅棒能降低Re和Rf。这时，回旋蒸发器的Rc则变为一个重要而又往往是最终效率的限制因素。此热阻主要是由于凝液的集结和由于被蒸汽带到管外壁面的不凝气所构成。
如前所述，凝液流动状态，取决于回旋运动和重力。实际上所产生的凝液膜厚度可能相当可观，尤其是在管的下部。以前，在回旋管蒸发器中没有安装减小凝液层热阻Rc的装置。
因此，本发明的一个主要目的是改进回旋管蒸发/蒸馏器的效率，其方法是减少冷凝表面的热阻。
本发明的另一主要目的是提供一个系统以控制管内蒸发表面上由于进料状态和污垢产生的热阻。
本发明的再一主要目的是以低造价和与已知回旋管蒸发器相容的操作方法提供上述优点。
本发明的进一步的目的是提供一种改进的搅棒及其固定装置(即没有挠性钢丝、固定锚和万向接头)以降低价格和增加蒸发器的可靠性。
本发明的再进一步的目的是提供一种具有以上所有优点并且更为紧凑的改进型蒸发器。
本发明的再进一步目的是提供回旋管蒸发器及其操作方法，此方法是能控制污垢到一定程度，使蒸发器可以无限期地运转的操作方法，也就是不需要定期停车以清扫积垢的管子，特别是在海水淡化方面。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种回旋管蒸发器，包括在一个容器内垂直地装有至少一根，更典型的是数根开端的传热管。回旋驱动器使容器和管子一起作回旋运动(不是转动)。进料装置用以引导所供的料液进入容器，最好包括一个脱气器。料液分配器将料液平均地导向所有管子，液体藉重力沿各管从上端往下流动并覆盖在整个内表面上。从管外传向管内的热量使管内壁面上的液体蒸发形成蒸汽流。管外侧的热量是来自蒸汽冷凝，其冷凝温度比管内侧的蒸发温度高若干度。蒸汽也可以从外部汽源向管外侧提供。换言之，可用压缩机将蒸汽室所收集到的管内蒸汽进行压缩、升温、然后再送回通向管外侧的冷凝室。蒸汽总是在管外侧冷凝而与其来源无关。凝液收集在容器底部并流向凝液出口。
传热管外表面装有翅片，可以收集和引导凝液。翅片的长度一般是与管子的有效长度相同。较好的是采用多翅片式，沿圆周方向间隔设置。翅片可沿管轴作垂直放置，或是倾斜以形成一组相互平行的螺旋翅片。纵向翅片较好。
每管中放一搅棒。棒的横截面为圆形，其长度一般与管的有效长度相同。它应有足够的刚性以达到在垂直放置时能作自支承。棒的材质以憎水性者为好，如尼龙、聚四氟乙烯(PTFF)或缩醛。棒不是锚定，也不是以其它机械方式与管、容器或其它在容器内的构件相联。棒是放置在敞口管底端下方的一块水平板上。操作时，回旋运动驱动着棒，使之在管内表面作自由滚动。未蒸发的料液从管的底部出口润滑着支承板。亦可将未蒸发的料液的一部分用泵循环到料液入口。
采用尼龙搅棒、外部翅片以及清洁的管子，可以得到总传热系数U不低于2500BTU/英尺2-小时-°F。约为以前所设计的回转管蒸发器，甚至包括那些使用传统式搅棒的蒸发器最大可能得到的数值的150%，海水淡化时，当蒸发器操作沸腾温度低于68℃，U值可以无限期地维持在高于2000。
下面通过附图详细说明本发明将有助于对上述内容及本发明的其它特点和目的有进一步的了解。附图中

图1是按本发明改进的回旋管蒸发器的纵剖面图。
图2是图1中传热管的传热表面纵剖面的详图。
图3是以先有技术为基础的传热管透视图，描述管外壁面凝液膜表面上液滴的成长情况。
图4是一个类似图3的视图，示出按本发明，如图1所示的传热管沿着翅片收集并引导凝液的情况。
图5是类似图3的视图，示出按本发明，如图1所示的传热管沿着翅片收集并引导凝液的情况。
图5是类似图3和4的视图，示出另一种装置，其翅片宽度与高度之比有较大的比值，这样在金属管拉伸制造过程中比较容易。
图6是类似图4和图5的示图，示出另一种呈螺旋状的翅片。
图7是按本发明如图1所示的一根自由滚动搅棒与其它部分的剖视详细图。
图8是沿着线8-8的一根滚动搅棒的平面部分的详细图。
图1示出按本发明建造的蒸汽压缩式回旋蒸馏器200的基本设计。同样的统系也可以在不用压缩机的其它方式下操作，但是带有如图1的透视图所示一个蒸汽导入口Ain和一个蒸汽出口Bout，以及蒸发器内部构造经过恰当的改进使蒸汽入口蒸汽出口相隔离。各种蒸发器和蒸馏器系统，例如美国专利4，441，963所展示和描述的系统，其公开内容将并入本申请的对比文献。安装在蒸发器壳体或容器1内的一些蒸发管30在本说明书中也称为传热管。
整个蒸发器200是悬放在架子6上，并且被平衡重物2和2′的旋转运动带动作回旋运动。架子6通过侧向可变形的连接器8与和壳体1外部固定着的座架7相接。各座架7处在同一水平面与蒸发器200的中央立轴111相垂直。每个架子的底部通过一个相应连接器8与底座10相联。适宜的连结器在前述美国专利4，762，592中有描述，其公开内容在本申请中作为参考文献列入。在调整整个蒸发器以期获得良好水平方位时，不管“地面”91的高低变化如何，调平螺丝90都可提供方便。图1表示了旋转配重2，2′的许多可能设计之一，也就是，在壳体1的外部安装一台传统的电动马达M用以带动驱动轴D、齿轮G，G及定时带B，B，它们在轴3，3′上组合成一绞链S，S。于是，马达同步地转动着轴3，3′，后者转动臂4，4和在臂上安装在配重2，2′。架子和可变形的连结悬挂装置再加上此配重系统就组成一个回旋驱动系统76。
蒸发器壳体有四个内部小室即进料液的总管室34;蒸汽收集室14;冷凝室17和底部的残液室16。料液通过分配管36，每一分配管连一喷嘴37，使料液成切线流38进入各相应管内上端。未蒸发残液通过导管41排出。凝液则经由导管40出去，如流动箭头示意表示。
每根管内料液流38在旋转搅棒31推动下形成一个下流波前沿32，而在搅棒后面留下一薄膜39，薄膜蒸发产生的蒸汽V往上流动到蒸汽收集室14，继而进入压缩机9的进汽口9a(在一些类型的结构中，蒸汽向下流会更好些)。蒸汽经压缩后，温度升高△T，流入蒸发管30外侧的冷凝室17。蒸发器内的一对水平管板19，19′不仅用以固定管子，并可将蒸汽收集室14和冷凝室17隔离，其中留下一条经过压缩机9的通道。由于温差的存在，小室17中的蒸汽将在管30外表面冷凝。释放出来的冷凝热穿过管壁将液膜39蒸发并完成循环过程。温度梯度△T是通过管壁传热所需的驱动力。用来产生△T的压缩机所消耗的能量一般为电能。沿传热途径的热阻将决定△T和传热量之间的关系，因而也就是△T与蒸发量之间的关系。
图2图示传热管30的横截面，管壁右侧是冷凝侧17′(其温度为T+△T)而管壁左侧是蒸发侧14′(其温度为T)。热流58在推动力为温度梯度△T下，克服了前面限定的热阻Rc，Rw，Rf和Re流过管壁。
在冷凝侧17′小室中的蒸汽流向管壁，在冷凝中形成带有水滴的连续膜15，此液膜构成热阻Rc。在室17中的蒸汽含有少量不凝性气体，它随蒸汽移向壁形成一气垫层60，这将进一步增加冷凝侧的热阻Rc。蒸发侧的流体膜39的厚度减薄就可降低热阻Re，但此热阻则可能因残留物66(污垢)在蒸发过程中积聚在管壁上面增加。
图3所示是在先有技术条件下，回旋蒸发器的光滑表面管30上，液滴在液膜表面的一般生成和流动情况。液滴受管壁回旋运动及重力影响，沿着螺旋通道S向下运动时，逐渐增大。在多管体系中，一些液滴可能被抛离并落在相邻管上，其净效应相似于向下流动凝液膜，其厚度续渐增加，直到流过表面的剪力与作用于液膜与液滴的重力之间达到平衡为止。在层流时，管愈长，膜愈厚，热阻Rc值愈大。
图4所示是本发明主要特征之一，在每根管30外表面加上翅片51。如图示，翅片的横截面一般是长方形而长度则与管子的有效长度相同。它们的材料最好与管子一样。翅片可以与管子是一整体，或用焊接、胶接、钎焊或其它方法逐片地固定在管子表面。翅片的径向高度应能起收集和引导凝液作用;翅片太高只是增加造价而已。翅片的排列方式最好按圆周等间距并平行于管轴。具体数目及相隔距离则由管径、凝液粘度、凝液产率及回旋运动产生的力的大小所决定。
液滴15按螺旋线在管表面流动，受翅片干扰，并沿着由翅片和管外表面构成的流道向下流动。这样，停留在管表面上的液滴15就较小。结果使Rc减小而传热系数U增加。
图5和图6表示两种不同结构的翅片51和51′。这些不同结构是从制造角度考虑而不是为着小幅度改进排水能力。图5与图4相比较，图5中翅片的侧向厚度较大，这是为了更易于用拉伸法制造整体式翅片而考虑。图6中翅片51″呈螺旋形。
为减小不凝性气体60(图2)的覆盖作用，必须不断地排除这些气体。这可以用图1所示的方式来完成。第一种方式是料液进入分配系统以前先通过一个传统的脱气器54;分配系统在壳体上部，包括一个进料多管接头34和一组分配管36，每根分配管伸入管束30中每一根管的上端。这些被脱除出来的气体在出口55处进入到一个适当的排放系统，如真空泵。
第二种方式是冷凝室内17的不凝性气体通过排放管56排放。排放口57也要与排放系统(如真空泵或真空冷凝装置V/C)相联，如图1所示。
以上二种排除不凝性气体的方法常用于蒸发系统。由于回转蒸发器的传热系数U很高因此对于排气方式要求更高。在本发明中，脱气系统的有效利用对全力开发这种回旋蒸发器的潜力是必要的。
图7指出本发明的另一个主要特征是自由转动搅棒31的底端是在一块光滑水平板52上按圆形轨道65滑行。从管30排出的未蒸发液体53不断地冲洗着板52并起着润滑作用，以减少棒及板的磨损。图示的支承板52是一块整体的板，但也应明白，作为搅棒31的水平支承构件，可以各种各样的形式，例如在每一根管下方装一块小板以支承该管内的搅棒。支承物亦可用非板状结构。
图8所示是管30内搅棒31的详细底视图。管30的回旋运动推动搅棒作旋转运动。因为在这种结构中的搅棒既不悬挂也不锚定如在美国专利4，618，399和4，762，592(其公开内容已列在参考文献)中的述的结构，搅棒不是在壁面上滑行，而是以它自由的纵轴为轴心按所示箭头62作滚动运动。这样，可降低磨损，也不需要像前述二个专利技术那样对流体动力学的升举力的要求。
这种结构的主要优点是与悬挂装置(US4，618，399的图4)及挠性锚定装置(US4，618，399的图6)相比较，除造价低外，可靠性也高，并可大幅度降低安装及维修费用。
有关搅棒的各变量(如直径、重量和表面性质等)中，发现只有表面性质起重要作用。在维持其它参数不变时，用尼龙、PTFE或乙缩醛构成的搅棒所得的传热系数比用不锈钢棒或不锈钢棒套以硅橡胶管者都高出不少。一种可能的解释是棒表面的憎水性对传热系数U有重大影响。其机理尚不完全了解或肯定，可概念地对这种效应按参考图8作如下解释图中标号32代表被搅棒推动的料液流波前沿的横截面。搅棒沿箭头62方向转动，其倾向是搅棒可将流股32的部分液体拽向棒与管之间的空隙。其结果是增加了膜的厚度而使传热系数U下降。棒的槽水性可减弱这种倾向。在生产设计中，棒的价格和耐用性都必须加以考虑，以期达到最优的价格效益。
搅棒除了能增加U值外，还能很有效地降低固体颗粒在蒸发表面上的沉积速率。固体沉积使蒸发侧14′热阻增加，而U下降。在海水淡化应用中，U的下降在有棒时比没有棒时明显地缓慢。由于CaCO3的沉淀性能，发现回旋系统在沸点温度明显地低于100℃时工作较好。例如在68℃，回旋系统的高U值能无限期保持。使用少量去垢剂，在一定程度上也是有利的。将低温操作、采用翅片管和搅棒等几种条件结合起来，用于海水淡化装置就能无限期地有效地维持极高的传热系数U;U＞2000BTV/英尺2-小时-°F。作为比较，一些最常用的蒸发型海水淡化系统如多级闪蒸和水平管蒸发器，具有的传热系数U，在500到800之间。图1的蒸发系统为了使蒸汽冷凝并除去不凝性气体以达到在低于大气压力的条件下操作，可包括一个真空冷凝单元(示意地用V/C表示)。搅棒去垢能力，一般也受搅棒前面料液流32的流量所影响。此流量必须足以润湿蒸发表面。回旋蒸发器比其它型式蒸发器单位面积所需的流量要小得多。特定类型液体都有其所需的最小流量，其目的是避免产生干斑并清洗污垢、残渣。这种最小流量在管下端最为重要，因为此处浓度或残留物密度高而流量又最低。在系统设计时，比较方便的是以管底端最小流量作为目的来选择其它因素，如浓度、管长、蒸发速率、再循环等，以期达到上述目的。回旋蒸发器较其它类型蒸发器需要较低的润湿流量，因此往往可以采用一次通过蒸发。一次通过操作降低沸点升高的损失，免去输送液体的泵，通常都能降低系统的造价。在一些应用中，可能需要再循环装置，如图1所示。在这种装置中，用泵68将浓缩液从出口41分别地输向两个支路69及70。浓缩液从支路69再经过适当的通道进入换热器;支路70将按预定流量的浓缩液再循环，送回料液管路72，然后到达多管接头34，其流量由阀71调节。再循环带用于典型蒸发系统。在回旋蒸发器中如需要再循环时，其循环量也远低于其它蒸发系统。
作为举例(非限制性的)，按本发明设计的一台典型蒸发器200，应用直径为1 1/2 英寸的传热管，长度为4到5英尺，壁厚为0.035英寸，管子在回旋速度为400RPM时的回旋偏离量约为3/8英寸。每根管30的进料量约为0.2升/分。垂直翅片数目为2至8片，翅片高度为1/32到1/8英寸。本发明中自由直立的搅棒31直径为1/4到1/2英寸，其有效长度约与管长相等，并从管下端伸出到支承板52上。
前已叙述，在改进的回旋管蒸发器中，设法降低凝液量及消除不凝性气体的覆盖以减小通过管壁的热阻。此外，还采用自由站立、非锚式固定的搅棒使料液分布成薄膜，此结构价格低廉，性能良好，可靠性高。此蒸发器用于海水淡化时，将温度控制在一定范围内，加上搅棒的作用，积垢问题可以得到控制。在运转中可避免周期性停车以进行清垢工作。
本发明的蒸发器具有极高的效率。因此，采用较短的管子就能获得高度的蒸发。这样，就能得到紧凑的设计。
虽然结合实施例对本发明进行了描述，但应先明白本专业技术人员可作各种改进和变型。这些改进和变型都应包括在附加的权利要求的范围内。
权利要求
1.一种回旋蒸发器，包括一带有蒸汽室和冷凝室的容器，该容器有一料液入口，一冷凝液出口，在该容器中装有至少一根垂直传热管，蒸汽流在传热管外表面冷凝成凝液，提供热量使料液在管内表面蒸发成蒸汽流；调节平衡压力以维持蒸发室的蒸汽温度(T)的装置；向冷凝室提供温度为(T+△T)的蒸汽的装置和使该容器以及管子作回旋运动以达到将料液分布在整个传热管的内表面上的装置，其特征在于该蒸发器还包括一挡板装置，所述挡板装置装在管外以收集及引导凝液，以减少横过管外凝液膜的热阻(Rc)。
2.根据权利要求1的蒸发器，其特征在于所述的挡板装置包括在传热管外表面上装有的至少一片翅片，该翅片是沿管的纵向延伸的，并沿径向在管子表面突起，因此能拦载凝液并使其在回旋运动及导流作用下沿管子外表面往下流向凝液出口。
3.根据权利要求2的蒸发器，其特征在于所述的翅片基本沿铅垂方向延伸。
4.根据权利要求3的蒸发器，其特征在于所述的翅片为多个翅片，并且是沿管子周边相互间隔排列。
5.根据权利要求2的蒸发器，其特征在于所述翅片是与铅垂方向倾斜地绕于管外而呈螺旋状。
6.一种回旋蒸发器，包括一带有蒸汽室和冷凝室的容器，该容器有一料液入口，一冷凝液出口，在该容器中装有至少一根垂直传热管，蒸汽流在传热管外表面冷凝成凝液，提供热量使料液在管内表面蒸发成蒸汽流;调节平衡压力以维持蒸发室的蒸汽温度(T)的装置;向冷凝室提供温度如(T+△T)的蒸汽的装置和使该容器以及管子作回旋运动以达到将料液分布在整个传热管的内表面上的装置，其特征在于它还包括在传热管中所旋转的坚实搅棒，它在受回旋运动作用下沿传热管内表面移动，将料液分布成薄而均匀的膜以减少通过管壁在内表面上液体发生的热阻(Rc)，以及平板装置，该装置是在搅棒下端装一平板以支承并定位该管内的搅棒，使之能作自由站立状态，该搅棒在回旋运动作用下可在管内表面上自由滚动并产生上述的薄面均匀分布的膜。
7.根据权利要求6的蒸发器，其特征在于所述的搅棒具有圆形横截面，并沿垂直方向延伸到与整个管长相等。
8.根据权利要求7的蒸发器，其特征在于所述的搅棒由憎水性材料制成。
9.根据权利要求8的蒸发器，其特征在于所述的搅棒由尼龙材料制成。
10.根据权利要求6的蒸发器，其特征在于它还包括控制所述料液沸腾的装置，该装置是维持料温度在或是低于预定值，此控制装置与所述的搅棒在管内表面滚动时的机构作用结合就能控制内表面的积垢。
11.根据权利要求10的蒸发器，其特征在于所述料液是海水，该蒸发器还包括挡板装置，该挡板装置在所述管子外表面引导凝液流向凝液出口以减少通过管壁时由于凝液存在而产生的热阻(Rc)，所述的蒸发器能够无限期地在总传热系数(U)不小于2000BTU/英尺2-小时-°F的情况下操作。
12.根据权利要求6的蒸发器，其特征在于它还包括排除蒸汽中不凝性气体的装置。
全文摘要
回旋管蒸发器包括一个受外力驱动作回旋运动的容器，内有垂直传热管，管内装有可作自由运动的硬质搅棒。棒的底端支承在一水平板上。回旋运动使搅棒沿管的内表面滚动，把液体分布成薄膜，以免产生污垢。管外表面装有一组翅片，用于集中并引导凝液以改进冷凝侧的传热。翅片最好是纵向排列，而搅棒则为憎水性。将此蒸发器作为海水淡化装置，如维持在远低于100的沸点操作，并采用翅片及搅棒，其总传热系数可长期运转而仍具高值。蒸发器最好能包括一脱气器，用来控制管子外表面上形成“气隙”。
文档编号B01D3/02GK1073612SQ91111878
公开日1993年6月30日 申请日期1991年12月25日 优先权日1986年10月20日
发明者李耀祖, 布拉得·允德, 何以谦, 黄鸿鼎 申请人:YTLi工程公司