处理诸如海水的供给物的板式热交换器、热交换板和方法

文档序号:1966514 发布日期:2021-12-14 浏览:14次 >En<

阅读说明:本技术 处理诸如海水的供给物的板式热交换器、热交换板和方法 (Plate heat exchanger, heat exchanger plate and method for treating a feed such as seawater ) 是由 M·安德尔松 于 2020-04-28 设计创作,主要内容包括:本发明涉及一种用于热交换器的板,该热交换器用于在第一介质与第二介质之间的热交换,该板限定热传递区域,该热传递区域包括交错布置的脊和谷的波纹状热传递图案。热传递区域限定用于第一介质的第一热交换表面和用于第二介质的相反的第二热交换表面。第一热交换表面限定用于第一介质的曲折流径。曲折流径分为在第一热交换表面的上部部分中横向延伸的上部流动通道、在第一热交换表面的下部部分中横向的下部流动通道以及在上部流动通道与下部流动通道之间的在第一热交换表面的中间部分中横向延伸的至少一个中间流动通道。(The present invention relates to a plate for a heat exchanger for heat exchange between a first medium and a second medium, the plate defining a heat transfer area comprising a corrugated heat transfer pattern of alternating ridges and valleys. The heat transfer zone defines a first heat exchange surface for a first medium and an opposite second heat exchange surface for a second medium. The first heat exchange surface defines a tortuous flow path for the first medium. The tortuous flow path is divided into an upper flow channel extending transversely in an upper portion of the first heat exchange surface, a lower flow channel extending transversely in a lower portion of the first heat exchange surface and at least one intermediate flow channel extending transversely in an intermediate portion of the first heat exchange surface between the upper and lower flow channels.)

处理诸如海水的供给物的板式热交换器、热交换板和方法

技术领域

本发明涉及处理诸如海水的供给物的板式热交换器、热交换板和方法。

背景技术

自多年以来,已制造了用于海水脱盐的设备,其中热交换板的一个或若干个板组形成工艺中的主要构件。SE-B-464 938公开此类脱盐设备,其包括设在圆柱形容器中的板组。热交换板不具有用于蒸汽的端口,而替代地,在热交换板外部的空间用作用于蒸汽的流径(取决于工艺的种类)。所使用的工艺基于所谓的降膜技术,其中水膜横跨板的宽度分布且在板上向下延伸。在降膜类型的板式蒸发器中,每隔一个板间隙构成蒸发空间,而其余的板间隙构成用于散热介质的空间。容器是基本圆柱形的压力器皿。在包括若干板组的大设备中,这些可布置在圆柱的纵向方向上。在一定程度上,即使设备中可不包括若干容器,容器对于设备的尺寸成限制。

为改进设备的效率,它可设有多级。US 5133837中可找到多级脱盐设备的一个示例,US 5133837公开一种多级闪蒸器,其中待蒸发的海水进入每级器皿的底部室,其中蒸气向上流过除雾器和通道,与凹坑板进行接触,且冷凝物作为薄膜沿板下降并聚集在冷凝物槽中。US 6635150公开一种蒸馏设备,其由交替地热串联地组装的多个级联的基本单元构成。

至少对于较小或中等尺寸的设备,用于容器的成本是用于设备的总成本的大部分。容器的制造和安装复杂且费时。另外,设备的维护和热交换板的清洁是困难的,例如因为板组和热交换板仅可在容器打开之后接近。

在转让给Alfa Laval Corporate AB的国际申请WO 2006/104443 A1中可找到对上文问题的解决方案。它公开一种用于脱盐的板式热交换器。热交换器具有蒸发区段、分离区段和冷凝区段。上文提到的热交换器的优点在于它不需要任何容器,因为海水的整个处理在板组中执行。

蒸发区段和冷凝区段的板的相反侧分别限定加热区段和冷却区段。加热流体在加热区段中循环,且冷却流体在冷却区段中循环。在加热区段和冷却区段中使用由屏障垫片形成的引导件,以用于引起加热介质和冷却介质分别流过相应加热区段和冷却区段的整个热传递区域。即使入口和出口定位成彼此相邻,引导件引起流在热传递区域内分布。

DE 196 47 185描述一种在流动通道中具有用于引导流的杆的热交换器。

EP 0 611 941 B1描述一种具有设有多个平行肋的板的板式热交换器,该多个平行肋彼此偏移来形成曲折(meander)室。

US 9,228,784 B1描述一种具有流动通道的板式热交换器,该流动通道具有流引导件的流动屏障,其在水平方向上重叠且因此形成蜿蜒的流动通道。

US 2016/0245591描述一种具有至少一个屏障的板式热交换器,该至少一个屏障形成引导件的部分,以用于第一介质在其于入口端口孔与出口端口孔之间通过期间的流动。

WO 2010/013608公开一种具有流引导件的板式蒸发器/冷凝器。

WO 2018/19174公开一种具有用于引导流的垫片条带的热交换器。

本发明的目标是分别改进在加热/冷却体积与相反的蒸发/冷凝区段之间的流动和热传递。

发明内容

上文的目标在第一方面通过一种用于热交换器的板来实现,该热交换器用于在第一介质与第二介质之间的热交换,该板限定:

纵向轴线,该纵向轴线在板的底部边缘与顶部边缘之间延伸,

横向轴线,该横向轴线在板的两个基本平行的侧边缘之间延伸,

热传递区域,该热传递区域包括交错布置的脊和谷的波纹状热传递图案,脊中的第一和第二相邻脊相对于纵向轴线和横向轴线倾斜地延伸,该热传递区域限定用于第一介质的第一热交换表面和用于第二介质的相反的第二热交换表面,

用于第一介质的第一入口,

用于第一介质的第一出口,

用于第二介质的第二入口,以及

用于第二介质的第二出口,

由此第一热交换表面限定在第一入口与第一出口之间的用于第一介质的曲折流径,该曲折流径分为在第一热交换表面的上部部分中沿横向轴线延伸的上部流动通道、在第一热交换表面的下部部分中沿横向轴线延伸的下部流动通道以及在上部流动通道与下部流动通道之间的在第一热交换表面的中间部分中沿横向轴线延伸的至少一个中间流动通道。

热交换器由板组构成,该板组由多个热交换器板组成,该多个热交换器板顺序地布置成组,该组具有对着第一表面的第一表面和对着第二表面的第二表面,在中间具有垫片。相反的第一表面限定第一板间隙,该第一板间隙限定曲折流径,该曲折流径由定位在板中间的垫片表现。板自身限定用于垫片的凹槽。

第一板间隙中的流径限定至少三个行程,意味着由垫片迫使流遵循曲折流径以用于至少三次横向通过。每次横向通过限定流动通道,且每个板限定与入口连通的一个流动通道、与出口连通的一个流动通道,以及在入口流动通道与出口流动通道之间提供流体连通的至少一个流动通道。通道平行且串联连接。通道因此限定上部流动通道、下部流动通道以及在上部流动通道与下部流动通道之间的一个或多个中间流动通道。表述上部、下部等要基于板在使用中时的定向来理解。

第二表面是形成在相反板的第二表面之间的第二板间隙中的蒸发器或冷凝器的部分。蒸发器具有用于供给物(为液体,诸如海水)的入口和用于蒸气(诸如蒸汽)的出口。蒸发器典型地仅蒸发液体的一部分,且因此还具有用于未蒸发的供给物(例如盐水)的出口。冷凝器具有用于蒸气(诸如蒸汽)的入口和用于液体(诸如淡水)的出口。在蒸发器中,因为蒸汽向上流动,当热交换器在它的正常使用位置中时,蒸气出口定位在海水入口上方。类似,因为液体由于重力来向下流动,淡水出口定位在用于冷凝器的蒸气入口下方。

当热交换器在它的正常操作位置中时,纵向轴线理解为基本竖直的。因此当热交换器在它的正常操作位置中时横向轴线是基本水平的,且脊和谷相对于纵向轴线和横向轴线两者横向地突出。相反的脊在接触点处接触,在板间隙中建立热传递图案。

如果所有其它参数保持恒定,使行程数从典型的两个行程增加到三个行程或更多个将增加流动速度,因为热长度增加和流动面积(即,截面)减小。这将产生更多的湍流,其继而将增加热传递。流动速度的增加还将增加在入口与出口之间的压差。在入口与出口之间的小压差将引起在板组的板间隙之间的分布不均。在入口与出口之间的大压差将因此改进沿板组的第一板间隙的流动分布。

根据第一方面的另外的实施例,流动通道定位成沿纵向轴线彼此相邻。

因此可实现曲折流径,通过允许流体除了在通道之间的互连处的小纵向部分外主要在横向方向上流动来允许板的更大利用。

根据第一方面的另外的实施例,第一入口定位成与第一出口相邻。

以该方式,入口导管和出口导管可定位成彼此相邻。

根据第一方面的另外的实施例,板限定

蒸发区段,该蒸发区段布置成允许供给物的至少一部分蒸发,

分离区段,该分离区段布置成使供给物的未蒸发部分与供给物的蒸发部分分离,

冷凝区段,该冷凝区段布置成冷凝供给物的蒸发部分,

由此第二热交换表面形成在蒸发区段和/或冷凝区段中。

通过允许蒸发、分离和冷凝在相同板上进行来实现三合一板。如上文陈述的,第二表面是蒸发器或冷凝器的部分。

根据第一方面的另外的实施例,第一介质是加热介质,且第二介质是待蒸发的供给物。以该方式实现蒸发器。

根据第一方面的另外的实施例,上部通道连接到第一入口且下部通道连接到第一出口。

因此,来自入口的热的加热流体将向蒸气的热部分传递热量,而已经向供给物释放一些热量的在出口处的稍微较冷的加热流体将向较冷的供给物(其在与蒸发区段的底部相邻的供给物入口处引入)传递热量。加热流体也将相对于板的相反侧上的供给物逆流流动。然而,也可能通过切换入口和出口来使加热流体相对于供给物并流流动。

根据第一方面的另外的实施例,第一介质是冷却介质且第二介质是待冷凝的蒸气,下部通道连接到第一入口且上部通道连接到第一出口。

因此,来自入口的冷的冷却流体将向蒸气的冷部分传递热量,而已经向蒸气吸收一些热量的在出口处的稍微较热的冷却流体将向较热的蒸气(其在与冷凝区段的顶部相邻的蒸气入口处引入)传递热量。

根据第一方面的另外的实施例,当板的第一热交换表面与相同板的第一热交换表面并置时形成交叉波纹状图案。

当相邻板面对面放置且相邻脊将在接触点处接触时由脊和谷形成交叉波纹状图案。该流型将增加热传递和流动阻力两者。

根据第一方面的另外的实施例,交叉波纹状图案限定在上部通道中的当与中间通道相比时更高的沿横向轴线的关于第一介质的流动阻力。

以该方式,在第一板间隙中,允许较多的时间用于在蒸发区段的顶部处的大部分蒸发流体与热的加热流体之间的热传递。在第二板间隙中,实现关于蒸气的低压降。

根据第一方面的另外的实施例,交叉波纹状图案限定在下部通道中的当与中间通道相比时更低的沿横向轴线的关于第一介质的流动阻力。

以该方式,在第一板间隙中,允许较少的时间用于在蒸发区段的底部处的大部分液体流体与较冷的加热流体之间的热传递。因为蒸气的部分少,第二板间隙中的压降无关紧要。

根据第一方面的另外的实施例,脊中的第一和第二相邻脊限定在上部通道中的与在中间通道中相比更大的相对于横向轴线的角度。

以该方式,当交叉波纹状图案建立时,在横向方向上实现较高的流动阻力。相反地,在纵向方向上实现较低的流动阻力。

根据第一方面的另外的实施例,脊中的第一和第二相邻脊限定在下部通道中的与在中间通道中相比更小的相对于横向轴线的角度。

以该方式,当交叉波纹状图案建立时,在横向方向上实现较低的流动阻力。相反地,在纵向方向上实现较高的流动阻力。

上文的目标在第二方面通过用于处理诸如海水的供给物的板式热交换器来实现,该板式热交换器包括板组,该板组包括以连续的顺序布置的根据前述权利要求中任一项所述的多个热交换板,其在板中的每个中间具有垫片,由此对于相邻板,第一热交换表面面向彼此且第二热交换表面面向彼此。

其中第一热交换表面面向彼此的第一板间隙中的垫片是限定加热区段、冷却区段和分离区段的第一类型的,而其中第二热交换表面面向彼此的第二板间隙中的垫片是限定蒸发区段、冷凝区段和分离区段的第二类型的。根据第二方面的板式热交换器利用根据第一方面的板。

根据第二方面的另外的实施例,曲折流径由至少一个屏障限定,该至少一个屏障形成引导件的部分,以用于介质在第一入口与第一出口之间的流动。

上文的目标在第三方面通过用于根据第一方面的板的垫片来实现,该垫片限定曲折流径。

附图说明

图1a示出根据本发明的热交换板。

图1b示出图1a的热交换板的相反侧。

图2示出冷却区段的波纹状图案。

图3a示出加热区段的波纹状图案。

图3b示出图3a的热交换板的相反侧。

具体实施方式

图1a示出根据本发明的热交换板10。板10是波纹状的。板10沿纵向轴线(L)和横向轴线(T)延伸,当板在它的使用位置中时该纵向轴线是竖直的,当板在它的使用位置中时该横向轴线是水平的。热交换板10可与相同板堆叠在一起以形成板组。板10限定第一和第二波纹状的相反表面,其在组中布置成使得第一表面面向相邻板的第一表面且第二表面面向相邻板的第二表面,以形成相应的第一和第二类型间隙,第一和第二类型间隙由垫片限定且分别构成板的实用侧和工艺侧。本视图示出第二表面,且第一表面形成在板的相反侧上(这里不可见)。本第二表面限定构成冷凝区段12的上部部分、构成分离区段14的中间部分以及构成蒸发区段16的下部部分。

本板10是三合一板,然而,根据本发明的原理也可应用于其它类型的板。蒸发区段16包括用于将液体供给物引入到蒸发区段的供给物入口28。供给物入口28定位在蒸发区段16的下部部分处。蒸发区段16将定位成与板的相反侧上的加热区段相反。

蒸发的供给物将朝分离区段14上升,该分离区段14定位在板10的两侧上。板10的侧部之间的连通通过孔口30、30'进行。在分离区段14中,板10中的波纹降到彼此中,使得捕集蒸发流中的任何滴。滴朝板的边缘且向下向盐水出口32、32'流动。

蒸发的供给物进入冷凝区段12的上部部分。板10的相反侧形成冷却区段且蒸发的供给物在冷凝区段12中冷凝。冷凝物供给物在冷凝区段12的底部处经由冷凝物出口34流出。

图1b示出根据本发明的热交换板10',其是图1a的热交换板的相反侧。加热区段18定位成与蒸发区段12相反且由垫片20界定。加热区段18限定用于使加热流体引入到加热区段18中的加热流体入口22以及用于使加热流体从加热区段18放出的加热流体出口24。可能切换入口22和出口24的位置以用于允许并流流动。加热流体可为热水,例如来自发动机的夹套水。呈垫片元件形式的屏障26、26'、26''提供成用于引起加热流体流在从入口22到出口24的曲折流径中流动。

在本实施例中,使用四个行程(但也可使用多于四个行程)。因此,屏障26、26'、26''布置成使得在横向方向上形成四个通道。以该方式,与如现有技术中那样使用仅两个行程相比,加热流体的流动速度增加。较高的流动速度增加热传递。

加热流体进入加热区段18的顶部且在横向方向上流动。热量从热的加热流体传递到在相反侧上的供给物,该供给物将包含在蒸发区段的上部部分中的大量蒸气。加热流体继续通过曲折路径且在加热区段的底部处流出,其中热传递在入口28附近的液体供给物与加热流体(其由于与供给物的热传递现在稍微冷却)之间进行。

冷却区段36定位成与冷凝区段12相反。冷却流体经由冷却流体入口440引入且经由冷却流体出口38放出。冷却流体可为冷水,例如海水。呈垫片元件形式的屏障26'''、26''''提供成用于引起加热流体流在从入口40到出口38的曲折流径中流动,类似于加热区段18。

在冷却区段36中,也使用四个行程,类似于加热区段18(但也可使用多于四个行程)。以该方式,与如现有技术中那样使用仅两个行程相比,冷却流体的流动速度增加。较高的流动速度增加热传递。

冷却流体进入冷却区段36的底部且在横向方向上流动。热量从相反侧上的供给物传递到冷的加热流体,该供给物将包含在蒸发区段的下部部分中的大量冷凝物和少量蒸气。冷却流体继续通过曲折路径且在冷却区段36的顶部处流出,其中热传递在入口40附近的蒸发的供给物与冷却流体(其由于与供给物的热传递现在稍微加热)之间进行。

应注意的是,在本实施例中,加热流体入口和出口定位在板10的中心,且加热流体从板的中心在两个相反定位的路径中流动,而冷却流体入口和出口定位在板的边缘处,使得所有的冷却流体在单个路径中流动。然而,入口和出口的位置取决于对应的导管且可被认为是任意的。此外,可使用多于或少于四个行程,诸如五个行程或三个行程。四个行程意味着流在入口与出口之间以基本180度的转动改变方向至少3次。

图2示出冷却区段36的热传递区域的波纹状图案。当两个相反板的波纹状图案并置时,建立交叉波纹状热传递图案。波纹状图案限定脊和谷,且相邻板的相反脊将在板组中接触。冷却流体在横向方向上从入口40进入到入口通道36'中且遵循曲折路径经由均标为36''的两个中间通道到出口通道36'''和出口38。所有通道36'、36''、36'''在横向方向上延伸,且流如由箭头示出的那样遵循横向轴线。

图3a示出用于加热区段18的热传递区域的波纹状图案。由两个并置的板建立的交叉波纹状热传递图案限定在不同通道18'、18''、18'''中的不同图案。热传递和流动阻力取决于在交叉波纹状图案的脊与流动方向之间的角度。流动方向与脊之间的大角度产生高的流动阻力和高的热传递,所谓的高NTU(传递单元数)。流动方向与脊之间的小角度产生较低的流动阻力和较低的热传递,所谓的低NTU。角度理解为大于0度且小于90度。

加热流体从上方进入加热区段18且在横向方向上流动。入口通道18'具有相对于横向流动形成大角度的脊,因此高NTU。高NTU在具有高蒸气含量和低液体含量的供给物与加热流体之间产生高的热传递。出口通道18'''具有相对于加热流体的横向流动形成小角度的脊,因此低NTU。这里低NTU是可接受的,因为在蒸发侧上热传递系数是低的。中间通道18''具有中间NTU图案。

图3b示出用于蒸发区段16(为加热区段18的相反侧)的热传递区域的波纹状图案。液体供给物在蒸发区段16的下部部分中从入口28进入。供给物在纵向方向上流动且作为蒸发的供给物在蒸发区段16的顶部处放出到分离区段14中。

蒸发区段16的波纹对应于加热区段18的波纹,即,脊对应于谷等。然而,因为蒸发区段16中的供给物流垂直于加热区段18中的冷却流体流,加热区段18中的高NTU通道将对应于蒸发区段16中的低NTU通道,且反之亦然。

在最接近于供给物入口28的入口流动通道16'中,供给物将大部分是液体。入口通道16'具有相对于横向流动形成大角度的脊,因此高NTU。这是有利的,因为高NTU允许蒸发更快地开始。在两个中间通道16''中,中间NTU图案限定在两侧上。出口通道16'''定位在蒸发区段16的顶部处。出口通道16''具有相对于供给物的纵向流动形成小角度的脊。低NTU将是有利的,因为供给物在蒸发区段16的顶部处大部分是蒸气且压降应保持低。

本板主要用于淡水发生器,其中供给物是海水且冷凝物是淡水。然而,设想到其它应用,诸如浓缩果汁的生产等。此外,本申请不限于上文的实施例,上文的实施例仅解释为示例。

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