专利名称：叶片式热交换器的制作方法
背景蒸馏是一种净化液体(诸如水)的方法，或者反过来，是一种制作浓缩物(诸如浓缩的橙汁)的方法。在蒸馏中，要蒸馏的供给液体被加热到蒸发点，产生的蒸汽(例如水蒸汽)被收集和冷凝。
一些蒸馏系统包括旋转式热交换器。一种类型的旋转式热交换器包括垂直堆叠的水平指向的环形板，这些板被置于外壳中并且安装成能围绕中心垂直轴线旋转。这种类型的热交换器的一个示例在美国专利US6238524中做了描述，该专利被转让给本申请的被转让人并且通过引用其整体被结合到本文中。另一种类型的旋转式热交换器包括垂直折叠的手风琴形状的板，该板被置于外壳中并且安装成能围绕中心垂直轴线旋转。这种类型的热交换器的一个示例在序列号为US09/609881的美国专利申请中做了描述，该专利也被转让给本申请的被转让人并且通过引用其整体被结合到本文中。
在设计旋转式热交换器时通常要考虑的两个因素是交叉污染和排气。交叉污染是指当被蒸发的液体(例如非饮用水)与产生的蒸馏物接触并且将其污染时导致的情况，排气是指排出在蒸馏时不凝结的空气和其它气体(即非凝结物)。一些旋转式热交换器呈现交叉污染的危险，使得它们不适合用于产生可饮用的蒸馏水，而其它的旋转式热交换器通过复杂的流动路径来排出非凝结物，使得制作复杂化并且可能会降低蒸馏效率。
概述我发明了一种旋转式热交换器，其有助于减小在被蒸发的液体和产生的蒸馏物之间的交叉污染的危险和能够容易地布置成允许沿着简单的流动路径排出非凝结物。此外，它表明制作成本可以很低。这些热交换器在本文中称为″叶片式热交换器″。
我的叶片式热交换器包括轴向延伸的叶片，它们平行于热交换器旋转所围绕的轴线延伸并且在径向上伸长。叶片围绕轴线布置并且这样置于外壳中以便形成相互隔开的复合凝结室和复合蒸发室。至少一些叶片的内部相互配合以形成复合凝结室，而叶片的外部与外壳的内表面配合以形成复合蒸发室。复合蒸发室通过在相邻叶片的相对的外表面之间的径向通道延伸到外壳的径向范围。
在大多数实施例中，至少一些相邻叶片的相对的外表面之间的径向通道的入口跨越的距离小于1.8毫米(70mils)并且，优选地，在0.4毫米(15mils)和0.8毫米(30mils)之间。该间隔和我的叶片式热交换器的其它特征配合而有利于蒸馏。
附图简单说明通过参见以下的详细说明和没有按照比例绘制的附图可以更加完整地理解我的叶片式热交换器。
图1A和1B是包括一个示范性叶片式热交换器的蒸馏系统的截面视图。
图2A和2B是图1的蒸馏系统的立视图。
图3是用于图1的示范性叶片式热交换器的框架的立视图。
图4A和4B是图1的示范性叶片式热交换器的叶片的立视图。
图5A-5C是示意地示出了一种制作图4A和4B的叶片的方法的流程示意图。
图6是在图1中的线6-6处截取的蒸馏系统的夸大的局部顶视图。
图7是图1的示范性叶片式热交换器中的端板的顶视图。
详细说明现在描述说明性的实施例，以便提供对所公开的叶片式热交换器的全面的了解。实施例的一个或多个示例示于附图中。本领域的普通技术人员将会理解公开的叶片式热交换器可以做适应性修改和改型，以便提供其它应用的装置和系统，并且可以在不背离本发明的范围的情况下对公开的叶片式热交换器做其它的补充和改造。
图1A和1B一起形成一种包括示范性叶片式热交换器的蒸馏系统的截面视图，而图2A和2B一起是蒸馏系统的立视图。如图1A、1B、2A和2B所示，蒸馏系统10包括旋转动力源12，其上安装了旋转动力源12的齿轮外壳14，和其上安装了齿轮外壳14的固定的蒸汽室外壳16。蒸汽室外壳包括端盖18和20和侧壁22。大体上圆柱形的壳100被置于蒸汽室外壳16内，压缩机140被置于壳100内并且包括活塞141和143。示范性叶片式热交换器122被置于壳100内。它通过第一隔板145与压缩机140隔开。贮池184被置于壳100内并且通过第二隔板147与叶片式热交换器隔开。在运行期间，旋转动力源12使壳100旋转并由此使压缩机140和叶片式热交换器122旋转。
如图1A和2A所示，叶片式热交换器122包括轴向相对于中心轴线延伸的叶片124，旋转动力源12使它们围绕该中心轴线旋转。如下所述，至少一些叶片124的内部是子凝结室，其配合以形成复合凝结室，而至少在一些相邻叶片124的相对外表面之间的通道是子蒸发室，其配合以形成复合蒸发室。叶片124形成相对于旋转轴线A-A分别径向向内和向外设置的缘边124a和124b。叶片的第一轴向端部124c与压缩机140相邻设置，它们的第二轴向端部124d与第一轴向端部124c相对地设置并且与蒸馏物收集容器160相邻。叶片124安装在框架157(详细示于图3中)中和在第一端板132和第二端板136之间(详细示于图7中)，这些端板设置在壳100中使得其基本上垂直于轴线A-A。端板132和136形成内径缘边132a和136a和外径缘边132b和136b。如图1A和2A所示，蒸馏物收集容器160基本上是环形的和安装到第二端板136的内径缘边和外径缘边上。
如图1A、1B和2A所示，压缩机140包括压缩机用于在第一蒸汽压力下从叶片式热交换器122接受蒸汽的入口144、用于将蒸汽压缩到更高的第二蒸汽压力的活塞141和143和用于将蒸汽在更高蒸汽压力下喷射到叶片式热交换器122的压缩机出口148。
如图1A所示，贮池184被置于壳100中位于热交换器122的与压缩机140相对的一侧上。贮池184接受系统10要蒸馏的液体，入口190提供通向热交换器122内部的液体流动路径。入口190包括供给管192，其在贮池184的侧壁120的内表面123附近延伸并且在与贮池184的旋转相对的方向上是敞开的，从而收集被离心力推向该表面的旋转流体19。
液体入口190也包括固定的轴向延伸的喷射管194，其设置在热交换器122的内部位于叶片124的径向向内处。喷射管194包括自中心轴线A-A朝向叶片124的径向向外面向的开口196。
如图1A、1B、2A和2B所示，旋转动力源12通过齿轮外壳14中的齿轮机构连接到壳100，使壳100旋转和由此使压缩机140和热交换器122围绕中心轴线A-A旋转。
如图1A、1B、2A和2B所示，壳100包括排出管175和177，蒸馏物和非凝结物通过该排出管离开蒸馏物收集容器160。大体上，蒸馏物收集容器160包括用于收集蒸馏物，例如蒸馏水的第一区域162和用于收集非凝结物，例如空气和在给水中存在的并且在蒸馏时不凝结的其它气体的第二区域164。在系统10运行期间，壳100的旋转有助于沿着收集容器160的外缘边的内表面产生垂直的或接近垂直的蒸馏物面。如图1A所示，蒸馏物排出管175因此在收集容器160的外缘边的内表面附近延伸进入第一区域162，而非凝结物排出管177在收集容器160的内部的附近延伸进入第二区域164。在收集容器160中，蒸馏物排出管175被向外设置到足以能够接受蒸馏物，而非凝结物排出管177向内敞开远到足以能够收集非凝结物。
如图1A、1B、2A和2B所示，排出管175和177自蒸馏物收集容器160在一对相邻叶片124之间向上延伸和自叶片式热交换器122向外延伸到蒸馏系统10的外部。图1A和2A示出了在非凝结物排出管177离开叶片式热交换器122之后，其通过塞子181进入叶片式热交换器122的内部，继续沿着中心轴线A-A，通过开口191进入液体入口190并通过旋转式接头和端盖20离开蒸汽室外壳16。图1A，1B，2A，和2B示出了在蒸馏物排出管175离开叶片式热交换器122之后，其继续沿着压缩机140运动和腾空到通道175c中，收集管(未图示)从该通道收集蒸馏物，以便将其从蒸馏系统10中排出。
图3是其中安装叶片式热交换器122的叶片124的框架157的立视图。如图3所示，框架157包括第一框架构件310和第二框架构件410。框架构件310和410包括各自的内环312和412和各自的外环314和414，该外环314和414与内环312和412同心并且由径向延伸的支撑件316和416连接到内环312和412上。和支撑件416一样，支撑件316以基本上相等的角度间隔相互相间地设置。
如图3所示，第一框架构件310和第二框架构件410中的支撑件316和416支撑排出管175和177。大体上，支撑件316和416每个都包括设置在支撑件316和416与外环314和414相交部位附近的轴向开口。如图3所示，轴向开口包括外开口175′和内开口177′。外开口175′设置得更靠近外环314和414。支撑件316和416设置在框架构件310和410中使得支撑件316中的轴向开口175′和177′与支撑件416中的各自的轴向开口175′和177′轴向对准。蒸馏物排出管175通过支撑件316和416中的外开口175′延伸，和the非凝结物排出管177延伸支撑件316和416中的内开口177′通过。
图1A，1B，2A，和2B示意地示出了叶片124、第一端板132和第二端板136和框架157之间的安装关系。叶片124设置在框架157中位于内环312和412和外环314和414之间。框架157被置于外壳104中使得内环312和412和外环314和414垂直于中心轴线A-A。第一端板132被置于第一框架构件310中的内环312和外环412之间，以便密封叶片124的第一轴向端部124c，而第二端板136被置于第二框架构件410中的内环314和外环414之间，以便密封叶片124的第二轴向端部124d。如图1A和2A所示，排出管175和177由支撑件316和416和由附加的径向延伸的支撑件516支撑，后者沿着排出管175和177的在相邻叶片124之间延伸的部分进行设置。由相邻叶片124作用在附加的支撑件516上的压力有助于将附加的支撑件516保持就位。为了增加框架157的稳定性，在一些实施例中，支撑件316，416和/或516例如可以通过粘合剂、熔蚀、软焊或焊接固定到叶片12上4。
本领域的普通技术人员可以理解，该公开的叶片式热交换器针对图1A，1B，2A，2B，和3所示和所述的特征是示范性的，应该理解为是说明性的和非限制性的。在不偏离本发明的范围的情况下，对针对图1A，1B，2A，2B，和3所示和所述的特征可以作出各种变化。
例如，公开的叶片式热交换器可以用于其旋转动力源、压缩机和收集容器与上述那些有很大不同的蒸馏系统中。旋转动力源可以包括曲柄、发动机、液压传动装置、马达、水轮机和本领域的普通技术人员已知的其它类型的旋转动力源。压缩机不一定是所示的正排量的类型并且它们可以设置在壳100的内部和外部。此外，收集容器不必是环形的。
而且公开的叶片式热交换器可以安装在与图3示出的框架不同的框架中。在一些实施例中，内环312和/或412将包括径向向外延伸的和围绕内环312和412设置的突出部分，以便形成其中安装叶片124的内径向缘边124a的狭槽或齿。替代地和/或组合地，外环314和/或414可以包括径向向内延伸的和形成在其中安装叶片124的外径向缘边124b的狭槽或齿的突出部分。在一些实施例中，公开的叶片式热交换器中的叶片124可以只安装在第一端板132和第二端板136之间，而不需要支撑框架157。替代地，公开的叶片式热交换器中的叶片124s可以安装在第一端板132中，而不需要支撑框架157或第二端板136。
而且公开的叶片式热交换器可以用于以其它方式排出蒸馏物和/或非凝结物的蒸馏系统10。例如，一个或多个叶片本身可以提供排出路径，由其将非凝结物从蒸馏物收集容器160排出。在一个这种实施例中，一个或多个叶片，虽然和其它叶片一样是在它们与蒸馏物收集容器相邻的第二轴向端部敞开，可以在它们与压缩机相邻的轴向端部处封闭，从而不让来自压缩机的水蒸汽进来并且类似于管175和/或177的上部部分的管道可以从那些叶片的内部排出蒸馏物和/或非凝结物。
类似地，由类似于管175和/或177的一个或多个蒸馏物排出管和/或非凝结物排出管所取的路径可以不从叶片之间通过，取而代之的是通过一个或多个各自的叶片的内部延伸。
图4A和4B分别是包括在图1的示范性叶片式热交换器122中的叶片124的顶视立视图和底视立视图。如图4A所示，叶片124包括内表面176、外表面178和在第一轴向端部124c和第二轴向端部124d中的开口164c和164d。开口164c和164d允许流体在叶片124的内部162、压缩机140和蒸馏物收集容器160之间流通。
在所示的实施例中，第一轴向端部124c中的开口164c沿着叶片124的基本上整个径向范围延伸，即基本上从叶片的内径向缘边124a到外径向缘边124b的整个范围。这种尺寸的开口164c通过使压缩蒸汽从压缩机140到叶片124的内部163的流动阻力(如图6中所示)最小化而有利于将压缩蒸汽转化为蒸馏物。(当然，其它实施例可以有较小的开口。)由于通过第二轴向端部124d中的开口164d离开叶片124的内部162的蒸馏物的稠度大于进入叶片124的内部162的压缩蒸汽并且在热交换器122旋转期间将更会被推向外径向缘边124b，因此开口164d可以小于开口164c。如图4B所示，例如，叶片124的内部162的内部分165在与第二轴向端部124d相邻处被阻断从而开口164d只沿着叶片124的径向范围的一部分延伸。
制作叶片124的方式不是关键的，图5A-5C示出了一种方式。图5A显示了要用于制作叶片的基本上为矩形的板200。板200由导热材料如铜、不锈钢或一些其它金属或合金形成。板200包括两个基本上平行的相对缘边210和220。如图5A和5B所示，矩形的板200围绕轴向延伸的折线230折叠，该折线平行于相对缘边210，220延伸。如图5C所示，板200被折叠后，相对缘边210和220通过熔蚀、软焊、焊接和/或其它技术在轴向延伸的接合部270处与折线230径向相间地连接起来。注意这种制作方式没有废料产生；制作叶片时没有任何需要从毛坯上切下的部分。这与用例如环形的板制作的热交换器不同。为了制作环形的板需要切割内部开口以及弯曲的外周边，去掉的金属成为废料。
如图1，2，5A-5C和6所示，由折叠板200产生的叶片124在所示的实施例中被布置在热交换器122中使得轴向延伸的折线230和接合部270与中心轴线A-A同平面并且使得接合部270自折线230径向向内地设置。但是本发明不要求这种布置。折线230和接合部270例如不必要与中心轴线A-A同平面，并且如果它们是与其共面的话，它们不必是与该轴线平行。例如，它们可以在贮池184之上或之下的某个假想位置处与中心轴线A-A相交，可能产生简单的或截椎形状，其中锥体的较大端部可以面向或背向贮池184。
在一些实施例中，板200包括凹窝。例如，如图5A和5B所示，板200包括相对于折线230对称地布置的两排凹窝250。如图5C所示，板200被折叠成使得凹窝250相互对齐地向内突出。然后通过熔蚀，软焊，焊接，和/或其它技术将凹窝连接起来以增强产生的叶片的稳定性。
采用凹窝的其它实施例可以以不同的方式布置它们。在一些实施例中，可以在折线230的两侧形成数排凹窝。其它实施例可以只在折线的一侧具有凹窝。
在一些实施例中，板200可以包括凸起的突出部分，诸如图5A中的成对的凸起的突出部分260，其从折线230延伸到相对的缘边210，220。如图2A中所提示的，凸起的突出部分260作为端板132和136的止挡和由此而有利于在框架157中安装叶片124。其它实施例可以包括为了相同目的沿着板200的轴向范围设置的复数对突出部分260。
如图4A所示，叶片124具有轴向距离a，如图5C所示，它延伸了径向距离r和周向距离s。叶片的内部在径向上是伸长的r超过s。优选地，对于这种叶片，表示其径向范围r与其周向范围s之比的径向伸长比R大于10；事实上，在大多数实施例中，它大概在20和50之间。
优选地，叶片124的轴向伸长比A至少为1，该轴向伸长比A表示叶片的轴向范围a与叶片的径向范围r之比；事实上，在大多数实施例中，它大概在3和6之间。
叶片124的体积与表面面积比V/A，即叶片的内部体积与叶片的外表面178的表面面积之比，应该小于1.5毫米(60mils)，和优选地在0.25毫米(10mils)和0.5毫米(20mils)之间。
图6是拿掉了一些部件的蒸馏系统10在图1A的线6-6处截取的简化局部顶视图。它显示了叶片124A和124B包括外表面178A和178B和内表面176A和176B。相邻的叶片124A和124B通过具有与它们的内径向缘边124Aa相邻的入口180的径向通道172分隔开。该通道在外部叶片表面178A和178B之间延伸到叶片的外径向缘边124Ab和124Bb。
我相信使入口180的宽度小于从开口196进入喷射管的液滴的平均直径增强了表面湿润能力。为此，通常最好是在最相邻的叶片124A和124B之间的径向通道172的入口180的宽度小于1.8毫米(70mils)。而且，优选为入口180的宽度在0.4毫米(15mils)和0.8毫米(30mils)之间。
在所示的实施例中，不是所有的入口180满足该限制；一些入口180较大，以便容纳排出管175和177。但是，最好有至少90％数目的成对叶片124满足该限制。
虽然图6夸大了通道宽度和这些宽度的变化，但是所示实施例的相邻叶片124A和124B的外表面178A和178B实际上沿着它们径向范围的大部分是大体上相互平行的。特别地，所示实施例的径向通道172的大小和形状做成使得在外表面178A和178B之间的径向通道172的宽度在它们的径向范围的绝大部分上与入口180的大小类似。我相信该特征对于实现有效的表面湿润作出贡献。因此优选在它们的径向范围大部分上，在大多数成对的相邻叶片124之间的通道172的宽度应该小于1.8毫米(70mils)和优选为0.4毫米(15mils)至0.8毫米(30mils)。
图7是蒸馏系统100中的端板132，136的顶视图。如图7所示，端板132，136形成有中心孔180和径向延伸的狭槽184。狭槽184的大小和形状做成这样，使得当叶片124的各自轴向端部124c和124d安装在端板132和136中时，狭槽184封住与轴向开口164c和164d相邻的叶片124的外表面178。如前所述，在一些实施例中的轴向开口164c和164d的形状是与所示实施例不同的，并且那些实施例的狭槽将不同于所示狭槽。
端板132和136、叶片124和侧壁120一起在外壳104内限定两个空间，该空间在本文中称为复合凝结室和复合蒸发室。叶片124的内部162是配合形成复合凝结室的子凝结室。复合凝结室通过压缩机出口148(图1B)和叶片124的第一轴向端部124c中的开口164c而与压缩机140流体连通。复合凝结室也通过叶片124的第二轴向端部124d中的开口164d而与蒸馏物收集容器160流体连通。叶片124的外表面178和壳100的内表面123配合形成复合蒸发室，其从热交换器122的径向向内部分通过在相邻叶片124A和124B的相对外表面178A和17SB之间的径向通道172延伸到壳100的内表面123。复合蒸发室与液体入口190和压缩机入口144流体连通。端板132和136相互配合，通过密封住与它们的轴向端部124c和124d中的开口164c和164d相邻的叶片124的外表面178，而使复合凝结室与复合蒸发室隔离开。
在一些实施例中，少于全部的叶片124可以配合用于限定凝结室和蒸发室。但是在大多数实施例中至少是采用多数叶片来限定。
现在说明公开的叶片式热交换器的一些运行原理。箭头表示在图1A，1B，2A，2B和6中的流体流动路径。在以下的讨论中，每个叶片124的内部称为子凝结室163，在每对相邻叶片124A和124B的相对外表面178A和178B之间的径向通道172称为子蒸发室172。每个子凝结室163在其内径向缘边124a和外径向缘边124b处被密封但是在其第一轴向端部124c和第二轴向端部124d处是敞开的。相反，每个子蒸发室172在其内径向缘边和外径向缘边处是敞开的但是在其轴向端部处由端板132和136密封。在一些实施例中，子凝结室163和子蒸发室172的表面可以分别做成疏水的和亲水的，以有利于蒸馏，可能地通过施加疏水的和亲水的涂层实现。
虽然要蒸馏的液体在以下的讨论中是水，但是本发明也可以用于蒸馏其它液体。
在运行中，图1显示的旋转动力源12通过减速机如皮带和齿轮变速器连接到壳100上和由此使其以及压缩机140、第一端板132和第二端板136、热交换器122和贮池184围绕中心轴线A-A旋转。来自入口190的液体因此在蒸发表面178A和178B上形成薄的液膜。旋转速度应该是这样的，使得叶片的径向外缘边处的径向加速度在20g和100g之间和，优选地，在30g和60g之间，这里g表示重力加速度，即9.81米/秒2(32.2英尺/秒2)。
压缩机140从在第一蒸汽压力下的复合蒸发室中抽吸发生的蒸汽到压缩机入口144和经压缩机出口148将在更高的第二蒸汽压力下的压缩蒸汽提供到复合凝结室。
要蒸馏的液体通过液体供给线流入贮池184。当贮池184旋转时，供给管192收集通过在与贮池184的旋转相反的方向上敞开的和靠近壳100的内表面123设置的开口一定体积的给水，以便收集朝着贮池184从内表面123流下的旋转的水。供给管192将给水送到固定的轴向延伸的喷射管194。喷射管194通过开口196以水滴的形式射出给水。这些水滴然后冲击到通入子蒸发室的入口180上。
本领域的普通技术人员将会理解，冲击到通入子蒸发室172的入口180上的水滴的速率和大小取决于旋转动力源12的速度、供给管192和它们的开口的大小、喷射管194和它们的开口196的大小、喷射管194在热交换器122的内部中的位置、开口196相对于旋转方向的方位和其它因素。大体上，这些因素中的一个或多个的值在设计(和/或运行)期间进行选择，以达到有利于蒸馏的各种效果。
例如，在包括马达12的一些实施例中，马达12的速度和供给管192和喷射管194以及它们各自开口的大小选择成使得从供给管192压力供给的并且直到喷射管194的给水是以非浮质的形式离开开口196的。
替代地和/或组合地，在一些实施例中，喷射管194和它们的开口196设计成一定的大小，置于热交换器122的内部中的位置上并且相对于中心轴线A-A以一定角度定向使得从开口196发射的水滴以近似地等于旋转的叶片124的切向速度的切向速度发射出来。
在设计公开的叶片式热交换器的实施例中，大多数普通技术人员将会这样选择上述因素中的一个或多个的值，使得从开口196发射的水滴具有大于入口180的尺寸的平均直径，结果，那些从开口196发射的和冲击在入口180上的水滴撞击每对相邻叶片124A和124B的两个外表面178A和178B。这就提高了蒸馏效率。从开口发射的液滴通常具有2.5毫米(100mils)或更小的平均直径。入口180的宽度因此应该小于2.5毫米(100mils)。事实上，更好的是入口180小于1.8毫米(70mils)和优选地在0.4毫米(15mils)和0.8毫米(30mils)之间。
冲击在通到子蒸发室172的入口180上的水滴湿润每对相邻叶片124A和124B的相对外表面178A和178B。由于叶片124在径向上是伸长的，水沿着外表面178A和178B径向范围形成了相对一致的膜。该″相等的湿润″特征在水滴的平均直径大于入口180的尺寸的实施例中被增强，特别是当水滴离开开口196时的切向速度是叶片的径向内缘边的切向速度时。
在大多数实施例中，外表面178A，178B中的每个的大小和形状这样设计，使得表面的切线与半径，即与垂直于旋转轴线延伸的线段形成的角度的大小在该表面的径向范围的至少80％上的变化小于20°。由于外表面178A和178B的斜度因此是相对均匀的，水滴趋向于沿着它们的径向范围的大部分″粘″到两个表面上它们趋向于不是永久地与该表面分开和不是堆积起来。
由叶片的旋转产生的离心力迫使水以薄液膜或液层的形式沿着相对外表面178A和178B从子蒸发室172的入口180向外摔出。由于围绕径向范围r定中心的外表面的径向部分Δr的表面面积作为r的函数是相对恒定的，液膜在它被向外摔出时趋向于覆盖近似相同数量的表面面积。因此液膜有助于沿着外表面的径向范围的大部分上具有相对均匀的厚度。这提高了蒸发效率。相反，在采用垂直堆叠的环形板的热交换器中，围绕径向范围r定中心的蒸发表面的径向部分Δr的表面面积随着r的增大而增大。因此在堆叠板式热交换器中的液膜比被迫使向外摔出的液膜趋向于覆盖更多的表面面积。这导致了膜厚减小。
当水沿着相对外表面178A和178B流动时，来之子凝结室的热量引起一部分水蒸发并形成水蒸汽。没有转化成水蒸汽的那部分水被离心力从外表面178A和178B上摔出，撞击到外壳104的壳100的内表面123上，并落回到贮池184中，通过叶片式热交换器122进行再循环。由于子蒸发室在它们的轴向端部用第一板132和第二板136封闭，给水中没有蒸发的那部分进入贮池184，而不是进入蒸馏物收集容器160。
压缩机140的运行使水蒸汽被径向向内地从子蒸发室抽回，通过热交换器122的内部，进入压缩机入口144。压缩机140提高了水蒸汽的温度和压力并且将产生的压缩蒸汽(即水蒸汽)通过压缩机出口148提供到复合凝结室。水蒸汽通过在它们的第一轴向端部124a中的开口164c进入子凝结室163。由于子蒸发室172在它们的轴向端部用第一板132和第二板136密封住，水蒸汽只进入子凝结室163，而不进入子蒸发室172。
本领域的普通技术人员可以理解，在公开的叶片式热交换器中的蒸馏速率取决于在复合蒸发和凝结室之间的压力差和温度差。如果要蒸馏的液体是水，当压缩机140被构造成在稳态运行期间在相邻的构成的凝结162和子蒸发室172之间提供在0.035公斤/平方厘米(0.5磅/平方英寸)和0.070公斤/平方厘米(1.0磅/平方英寸)之间的压力差时，就在大小和效率之间产生很好的折中结果。尽管其它实施例可以展示不同的压力差。
水蒸汽沿着子凝结室163的内表面176凝结，因为沿着相邻的蒸发室172的相对外表面178A和178B流动的水在低于水蒸汽的饱和温度(例如215度F.)的温度(例如212度F.)下蒸发。离心力使产生的冷凝物(即蒸馏水)运动到子凝结室163的外径向缘边124b。蒸馏水和非凝结物通过第二轴向端部124d中的开口164d进入蒸馏物收集容器160。
当越来越多的水蒸汽凝结时，在蒸馏物收集盘160中的蒸馏水的水位径向向内地前移直到它达到蒸馏物排出管175中的开口。蒸馏水然后在蒸馏物排出管175中形成塔柱并由此最终离开系统10。类似地，收集在蒸馏物-收集盘160中的非凝结物通过非凝结物排出管177从系统10中排出。
大体上，如前所述，本公开的叶片式热交换器的许多特征配合以有利于蒸馏。我的设计中的一个实施例采用具有大约225个围绕中心轴线A-A设置的叶片的叶片式热交换器，其中每个叶片124包括近似为5厘米(2英寸)的径向范围r、近似为1.5度的开口角θ、近似为30厘米(12英寸)的轴向范围a和在相邻叶片124A和124B之间的近似为0.4毫米(15mils)至近似为0.8毫米(30mils)之间的入口180，该实施例可以在至少55升/小时(15加仑/小时)的速率下对水进行蒸馏，此时马达的速度为在叶片的外缘边处产生在30g和60g之间的径向加速度。
综上所述，我的叶片式热交换器为排出非凝结物和减小在正在被蒸馏的液体和已经产生的蒸馏物之间发生交叉污染的危险提供了简单的轴向流动路径。如图1A、1B、2A和2B所示，排出非凝结物的管177从蒸馏物收集盘160向上延伸，向内通过塞子181中的通道，向下通过轴向管道沿着轴线A-A延伸到旋转连接器，然后向外离开系统10。而且从前面的描述中可以理解，叶片中的任何缺陷都更可能导致蒸馏物无害地泄漏到进来的液体中而不是将进来的水不希望地泄漏到蒸馏物中。具体地，含有蒸馏物的叶片内部的主导压力高于未被蒸馏的入口液体所处于的它们外部的压力，因此压力差将有助于通过叶片中的孔引起向外的流动而不是向内流动。而且，虽然离心力将导致在收集在贮池侧壁表面123上的未被蒸馏的液体中产生显著的压位差，但是该液体是位于叶片和蒸馏物排出管175的外测。
本领域的普通技术人员只要通过常规实验将会识辨或能够确定这里所述示范性实施例的许多等同物。
例如，压缩蒸汽不一定要向下流动通过叶片；它可以向上流动。当然，热交换器的旋转轴线不一定要是垂直的，虽然在大多数实施例中是这样。
同样，本公开的叶片式热交换器可以用于其压缩蒸汽不是或至少不是唯一地从热交换器的蒸发表面蒸发的蒸馏系统。在制造设备中，例如，设备的污水可以供给到子蒸发室，而子凝结室的一些水蒸汽可以是可能地与蒸发室的输出物混合在一起的设备的废水蒸汽。
因此所附的权利要求不局限于这里所述的实施例。
权利要求
1.一种用于蒸馏液体的系统，该系统包括外壳，在外壳内提供旋转动力的旋转动力源，提供要蒸馏的液体至外壳的液体入口，压缩机，其具有在第一蒸汽压力下接受蒸汽的压缩机入口和在更高的第二蒸汽压力下发射蒸汽的压缩机出口，用于收集外壳中的蒸馏物的蒸馏物收集容器，和设置在外壳内并且可操作地连接到旋转动力源上以便由此围绕轴线旋转的热交换器，该热交换器包括轴向延伸的叶片，这些叶片在径向上是伸长的并且围绕轴线布置，使得叶片的外部和外壳的内表面配合而形成复合蒸发室，其与液体入口流体连通，用于由此接受要蒸馏的液体并且与压缩机入口流体连通，用于在第一蒸汽压力下向其提供蒸汽，和至少一些叶片的内部形成各自的子凝结室，这些子凝结室与其它这样的子凝结室流体连通以形成复合凝结室，该复合凝结室与蒸发室相隔离并且与压缩机出口流体连通以由此接受在第二蒸汽压力下的蒸汽并且与蒸馏物收集容器流体连通以向其提供蒸馏物。
2.如权利要求1的系统，其特征在于，复合蒸发室从热交换器的径向内部部分通过在相邻叶片的相对外表面之间的径向通道延伸到外壳的径向范围，其中在至少一些相邻叶片的相对外表面之间的径向通道的入口跨过的距离小于1.8毫米(70mils)。
3.如权利要求2的系统，其特征在于，该距离在0.4毫米(15mils)和0.8毫米(30mils)之间。
4.如权利要求1的系统，其特征在于，对于其内部形成其中一个子凝结室和其外部与外壳的内表面配合而形成复合蒸发室的叶片，该叶片的内部体积与该叶片的外部的表面面积的比值小于1.5毫米(60mils)。
5.如权利要求4的系统，其特征在于，该比值在0.25毫米(10mils)和0.5毫米(20mils)之间。
6.如权利要求1的系统，其特征在于，对于其内部形成其中一个子凝结室和其外部与外壳的内表面配合而形成复合蒸发室的叶片，该叶片的径向范围与该叶片的周向范围的比值至少为10。
7.如权利要求6的系统，其特征在于，该比值在20和50之间。
8.如权利要求1的系统，其特征在于，形成复合凝结室的那些叶片的内部经在那些叶片的第一轴向端部中形成的第一开口与压缩机出口流体连通。
9.如权利要求8的系统，其特征在于，形成复合凝结室的那些叶片的内部经在那些叶片的第二轴向端部中形成的第二开口与蒸馏物收集容器流体连通。
10.如权利要求9的系统，其特征在于，第一开口沿着那些叶片的内部的基本上整个径向范围延伸，和至少一些第二开口沿着那些叶片的内部的径向范围的仅仅一部分延伸。
11.如权利要求9的系统，其特征在于，还包括设置在外壳内使之基本上垂直于轴线的第一端板，该第一端板包括中心孔和径向延伸的狭槽，该狭槽封住与在那些叶片的至少一些叶片的第一轴向端部中形成的第一开口相邻的那些叶片的外部，和设置在外壳内使之基本上垂直于轴线的第二端板，该第二端板包括中心孔和径向延伸的狭槽，该狭槽封住与在那些叶片的第二轴向端部中形成的第二开口相邻的那些叶片的外部，使得第一端板和第二端板配合而将复合蒸发室与复合凝结室隔离开。
12.如权利要求1的系统，其特征在于，液体入口包括至少一个轴向延伸的喷射管，该喷射管被置于热交换器的径向内部部分中和位于叶片的径向向内处并且具有自轴线沿径向向外方向的开口，从而形成自要蒸馏的液体经过该至少一个喷射管到复合蒸发室的液体流动路径。
13.如权利要求12的系统，其特征在于，复合蒸发室通过在相邻叶片的相对外表面之间的径向通道延伸到外壳的径向范围，其中该至少一个轴向延伸的喷射管的开口和径向通道的入口的大小和形状设计成对于在该至少一个轴向延伸的喷射管中的至少一种液体流动速率，该入口跨过的距离小于从该开口发出的液滴的平均直径。
14.如权利要求12的系统，其特征在于，液体入口包括至少一个供给液体的供给管，其与至少一个轴向延伸的喷射管流体连通并且延伸到限制要蒸馏的液体的贮池中，从而该至少一个供给液体的供给管和该至少一个轴向延伸的喷射管配合而提供在贮池和复合蒸发室之间的液体流动路径。
15.如权利要求11的系统，其特征在于，蒸馏物收集容器被安装到第二端板的内径缘边和外径缘边上，以便收集在复合凝结室中形成的并且通过在那些叶片的第二轴向端部中的第二开口流动的蒸馏物。
16.如权利要求15的系统，其特征在于，蒸馏物收集容器基本上是环形的。
17.如权利要求1的系统，其特征在于，蒸馏物收集容器包括用于收集蒸馏物的区域和用于收集非凝结物的区域，该系统还包括至少一个蒸馏物排出管，其延伸通过外壳和进入蒸馏物收集容器，该至少一个蒸馏物排出管这样定位在蒸馏物收集容器中以便延伸进入用于收集蒸馏物的区域从而由此排出蒸馏物。
18.如权利要求17的系统，其特征在于，该至少一个蒸馏物排出管中的每个在一对相邻叶片的相对的外表面之间轴向延伸。
19.如权利要求17的系统，其特征在于，还包括至少一个非凝结物排出管，其延伸通过外壳并进入蒸馏物收集容器，该至少一个非凝结物排出管这样定位在蒸馏物收集容器中以便延伸进入用于收集非凝结物的区域从而由此排出非凝结物。
20.如权利要求19的系统，其特征在于，该至少一个非凝结物排出管的每个在一对相邻叶片的相对的外表面之间轴向延伸。
21.如权利要求1的系统，其特征在于，热交换器包括具有大于1的轴向伸长比和大于10的径向伸长比的叶片。
22.如权利要求1的系统，其特征在于，每个叶片包括轴向延伸的折叠部分和在与该折叠部分径向相间的轴向延伸的接合部处接合在一起的一对相对缘边。
23.如权利要求2 2的系统，其特征在于，轴向延伸的折叠部分被置于自轴向延伸的接合部径向向外的位置上。
24.如权利要求11的系统，其特征在于，还包括基本上垂直于轴线设置在外壳内的第一和第二框架构件，每个框架构件包括内环和与内环同心的外环，该外环经基本上以相等的角间距设置的径向延伸的支撑件连接到该内环上，其中热交换器安装在第一框架构件和第二框架构件之间，从而第一端板和第二端板被设置在各自的第一框架构件和第二框架构件的内环和外环之间。
25.一种在用于蒸馏液体的系统中使用的热交换器，该系统包括将液体提供给该热交换器的液体入口，具有接受由热交换器产生的在第一蒸汽压力下的蒸汽的压缩机入口和用于将在更高的第二蒸汽压力的蒸汽发射给热交换器的压缩机出口的压缩机，用于收集由热交换器产生的蒸馏物的蒸馏物收集容器，和用于围绕轴线旋转热交换器的旋转动力源，该热交换器包括轴向延伸的叶片，其在径向上是伸长的并且围绕轴线设置使得当叶片被置于外壳中时，叶片的外部和外壳的内表面配合而形成复合蒸发室，该复合蒸发室构造成与用于由此接受要蒸馏的液体的液体入口流体连通并且与向其提供第一蒸汽压力下的蒸汽的压缩机入口流体连通和至少一些叶片的内部形成各自的子凝结室，它们与其它这样的子凝结室流体连通以便形成复合凝结室，该复合凝结室构造成经那些叶片的第一轴向端部中形成的第一开口与由此接受第二蒸汽压力下的蒸汽的压缩机出口流体连通并且构造成经那些叶片的第二轴向端部中形成的第二开口与向其提供蒸馏物的蒸馏物收集容器流体连通，和基本上垂直于轴线设置的第一端板和第二端板，每个端板包括中心孔和径向延伸的狭槽，该狭槽封住与在第一轴向端部和第二轴向端部中形成的第一开口和第二开口相邻的那些叶片的外部，使得第一端板和第二端板配合而使复合凝结室与复合蒸发室隔离开。
26.如权利要求25的热交换器，其特征在于，复合蒸发室通过在相邻叶片的相对的外表面之间的径向通道延伸到外壳的径向范围，其中在至少一些相邻叶片的相对的外表面之间的径向通道的入口跨过的距离小于1.8毫米(70mils)。
27.如权利要求26的热交换器，其特征在于，该距离在0.4毫米(15mils)和0.8毫米(30ms)之间。
28.如权利要求25的热交换器，其特征在于，对于其内部形成子凝结室之一和其外部与外壳的内表面配合形成复合蒸发室的叶片，该叶片的内部的体积与该叶片的外部的表面面积的比值小于1.5毫米(60mils)。
29.如权利要求28的热交换器，其特征在于，该比值在0.25毫米(10mils)和0.5毫米(20mils)之间。
30.如权利要求25的热交换器，其特征在于，对于其内部形成子凝结室之一和其外部与外壳的内表面配合形成复合蒸发室的叶片，该叶片的径向范围与该叶片的周向范围的比值至少为10。
31.如权利要求30的热交换器，其特征在于，该比值在20和50之间。
32.如权利要求25的热交换器，其特征在于，第一开口沿着那些叶片的内部的基本上整个径向范围延伸，和至少一些第二开口沿着那些叶片的内部的仅仅一部分径向范围延伸。
33.如权利要求25的热交换器，其特征在于，每个叶片包括轴向延伸的折叠部分和在与该折叠部分径向相间的轴向延伸的接合部中接合在一起的一对相对缘边。
34.如权利要求33的热交换器，其特征在于，该轴向延伸的折叠部分被置于轴向延伸的接合部的径向向外的位置上。
35.如权利要求25的热交换器，其特征在于，还包括基本上垂直于轴线设置的第一框架构件和第二框架构件，每个框架构件包括内环和与该内环同心的和经以基本上相等的角间距设置的径向延伸的支撑件连接到内环上的外环，其中叶片安装在第一框架构件和第二框架构件之间使得第一和第二端板被置于各自的第一和第二框架构件的内环和外环之间。
36.一种在用于凝结压缩蒸汽的系统中使用的热交换器，该系统包括压缩蒸汽源、用于收集由热交换器产生的蒸馏物的蒸馏物收集容器和用于使热交换器围绕轴线旋转的旋转动力源，该热交换器包括轴向延伸的叶片，其在径向上是伸长的并且被围绕轴线设置使得当叶片被置于外壳中时叶片的内部形成复合凝结室，该复合凝结室构造成与压缩蒸汽源流体连通，以便由此经那些叶片的第一轴向端部中形成的第一开口接受压缩蒸汽并且构造成与蒸馏物收集容器流体连通，以便经那些叶片的第二轴向端部中形成的第二开口向其提供蒸馏物，以及基本上垂直于轴线设置的第一端板和第二端板，每个端板包括中心孔和径向延伸的狭槽，该狭槽封住与在第一轴向端部和第二轴向端部中形成的第一开口和第二开口相邻的那些叶片的外部，使得第一端板和第二端板配合而将复合凝结室与由叶片的外部和外壳的内表面形成的室隔离开。
37.如权利要求36的热交换器，其特征在于，对于至少一些叶片，该叶片的内部的体积与该叶片的外部的表面面积的比值小于1.5毫米(60mils)。
38.如权利要求3 7的热交换器，其特征在于，该比值在0.25毫米(10mils)至0.5毫米(20mils)之间。
39.如权利要求36的热交换器，其特征在于，对于至少一些叶片，该叶片的径向范围与该叶片的周向范围的比值至少为10。
40.如权利要求39的热交换器，其特征在于，该比值在20和50之间。
41.如权利要求36的热交换器，其特征在于，对于至少一些叶片，该叶片的轴向范围与该叶片的径向范围的比值在1和6之间。
全文摘要
一种叶片式热交换器包括相对于旋转轴线轴向延伸的和在径向上伸长的叶片。该叶片围绕轴线布置使得当它们被置于外壳中时，它们形成相互隔开的复合凝结室和复合蒸发室。至少一些叶片的内部形成复合凝结室。叶片的外部和外壳的内表面配合而形成复合蒸发室。
文档编号F04B3/00GK101018594SQ200580019261
公开日2007年8月15日 申请日期2005年6月15日 优先权日2004年6月17日
发明者W·H·泽布尔 申请人:奥维深产品公司