專利名稱：熱能梯級復用溶液濃縮再生設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及溶液濃縮和再生、化工萃取和海水淡化等領域，特別地，涉及一種熱能梯級復用溶液濃縮再生設備。
背景技術：
本發明可替代溴化鋰空調的發生器和醫藥生產行業中的多效蒸發器。現有的雙效溴化鋰吸收式制冷機有高壓和低壓兩個發生器，稀釋的溴化鋰吸收劑溶液先到高壓發生器，被通過高壓發生器盤管中較高溫度的蒸汽加熱；在高壓發生器中產生的冷劑蒸汽作為低壓發生器的熱源，加熱低壓發生器的中間溶液，從而使蒸汽的熱能得以利用兩次。在醫藥生產行業中的多效蒸發器多采用三個蒸發罐用管子串聯，采用蒸汽潛熱利用的方法實現節能的目的。它們均因采用管式的熱交換原理和抽蒸汽來維持氣壓差的辦法，導至溫差損失很大，且因隨著效數增多而節能效率快速降低，最終導致無法有效地增加利用次數。另外，它們因為每一效(利用一次)都有一個獨立的灌子，所以整個系統的體積均比較大，管道系統復雜，不利于節約空間，也不利于模塊化生產，不適應現在工業生產的發展趨勢。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種熱能梯級復用溶液濃縮再生設備。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的一種熱能梯級復用溶液濃縮再生設備，其特征在于，它由蒸釜，熱交換系統、外圍管道系統和電子控制系統組成；其中，蒸釜主要由高溫區元件、中間區元件和冷凝區元件組成；所述中間區元件由外壁、外壁保溫層、稀溶液入口、濃溶液出口、感應器安裝口、溶劑出口、排氣口和腔間隔壁構成；所述腔間隔壁由腔間隔壁中板、蒸發室的熱交換肋片和冷凝室的熱交換肋片組成。
進一步地，所述高溫區元件內設置直燃部件，電熱部件或熱交換部件；所述冷凝區元件內設置散熱器或與室外散熱器相通。
進一步地，所述蒸釜的高溫區元件、中間區元件和冷凝區元件通過室間隔板、接墊圈分隔連接而成。
進一步地，所述熱交換系統由稀溶液出口、溶劑入口、濃溶液入口、濃溶液出口、稀溶液入口、保溫層、交換器外殼、熱交換管、溶劑出口組成。
進一步地，所述控制系統主要由抽液機、電子閥、數據采集及分析系統組成。
本發明的有益效果是，本發明有效解決了多效蒸發器等現有技術中，隨著效數增多而節能效率快速降低的問題；還有因主要中間區元件采用刀片式模塊化設計，有效的壓縮整個設備空間，有效的減少熱能損失；并且有利于維修，有利于模塊化生產，減少生產模具數量，降低生產成本。
附件說明
圖1是串聯供料連接法系統結構簡圖；圖2是本發明的蒸釜水平截面圖；圖3是中間區元件單元水平截面圖；圖4是圖3所示的中間區元件單元A-A剖視圖；圖5是圖3所示的中間區元件單元B-B截面圖；圖6是室間隔板構造圖；圖7是鑄件單元間連接墊圈示意圖；圖8是蒸釜主件裝配示意圖；圖9是熱交換器結構示意圖；圖10并聯供料連接法系統結構簡圖；圖中，高溫區1、中間區2、低溫區3、蒸發室4、冷凝室5、冷卻室6、腔間隔壁7、室間隔板8、蒸釜外壁9、電子閥10、熱交換器11、濃溶液管路12、溶劑管路13、稀溶液管路14、防濺網15、保溫層21、加熱設備22、冷卻室23、稀溶液入口24、濃溶液出口25、感應器安裝口26、溶劑出口27、連接管道系統28、冷卻水入口29、冷卻水出口30、腔間隔壁中板31、蒸發室的熱交換肋片32、冷凝室的熱交換肋片33、排氣口51、蒸汽過孔61、螺孔62、接墊圈71、高溫區元件81、中間區元件82、冷凝區元件83、稀溶液出口91、溶劑入口92、濃溶液入口93、濃溶液出口94、稀溶液入口95、保溫層96、交換器外殼97、熱交換管98、溶劑出口99。
具體實施例方式
下面根據附圖和具體實例詳細說明本發明，本發明的目的和效果將更加明顯。
本發明的裝置由蒸釜，熱交換系統、外圍管道系統和電子控制系統組成，按供料管連接方法不同可分為圖1所示的串聯供料連接法系統和圖10所示的并聯供料連接法系統兩種。因為串聯供料連接法系統的外圍設備和管道系統比較簡單，并更具有典型性，先以此為主作如下分析說明。
本裝置采用直熱交換方式，并采用傳熱肋片和表面處理的方法，可以很好地降低傳熱阻，從而提高了傳熱效率。采用本技術還減少了蒸汽管和蒸汽泵等很多中間環節，大大地減少無效熱能損失。在內部每個傳熱環節均采取有效措施，嚴格限制非目標傳熱方式的發生，并使之降到有效熱能的二到三個數量級(除空腔單元間液流自帶外)，以滿足增效目標的實現。有效解決了多效蒸發器等現有技術中，隨著重復利用次數的增加而漸趨失效的問題。主要采取如下技術措施主要通過蒸釜的結構優化來達到減少中間環節，提高傳熱效率，減少無效損失的目的。整個蒸釜結構如串聯供料連接法系統結構簡1和蒸釜水平截面2所示，由一個個空腔單元直接串聯而成，每個空腔分為兩個相隔又局部相通的兩個分室。兩個分室間的傳熱方式以相變傳熱為主，為了減少其它傳熱方式引起的熱能損失，室間隔板8為隔熱材料，并且一直分隔到蒸釜外壁9的外沿，使熱能只有通過溶劑的蒸發、蒸汽的流動、蒸汽的凝結的過程才能順利的把蒸發室的熱能傳到冷凝室內的腔間隔壁中板31和冷凝室的熱交換肋片33。一個個空腔單元緊密相接，相互間直接以傳導方式傳熱。為了提高腔間隔壁的傳熱效率，把腔間隔壁做成帶熱交換肋片的構造，并在表面做拉“V”形處理，以增加熱交換表面積，降低單位截面的表面交換熱阻。兩種方式接力傳遞，直到冷卻腔6為止。整個過程省卻蒸汽管，蒸汽泵等中間環節，不但減少了熱能損失，還大大地提高的溶劑提取的效率。
利用外保溫，絕熱保溫管道系統和熱交換等技術措施以防止熱能外失。外面做保溫層，外接管子采用絕熱材料或有隔熱段的復合管材，防止熱能向系統外散失(除了冷卻室外)和向相鄰單元傳導。外流液體(溶劑和濃溶液)帶走的熱能又通熱交換器分級傳給流入液體(稀溶液)，減少熱能不必要的損失。從而確保利用好每一份進入本系統的熱能。
對由于工藝中必須的液流自帶的無效熱能損耗與有效熱能之比(下稱熱能損耗系數)K1進行分析主要是指溶液從蒸發室4向下一級蒸發室4輸送時，雖然沒有熱能損失，但這部分熱能沒有參加本空腔單元的蒸發過程，對本工藝來說也是一種損失。假設有N個空腔單元，總溫差為T，溶劑的汽化熱為q，溶液的熱容為C，濃縮率為D，則K1的理論測算表達式為K1＝((1-D/(N-1))+(1-2*D/(N-1))+……+(1-(N-1)*D/(N-1)))*C*T/N/(q*D)＝(N-1-N*D/2)*C*T/N/(q*D)。
其中，采用了液體抽取代替汽體抽取，降低的壓差維持能耗的效果如下。每個空腔單元間的溫度差由相應的蒸汽壓差來維持，而蒸汽壓差則由中央蕊片根據采集的數據信息，通過各個相關電子閥控制液體流量來完成，而不是采用抽蒸汽的方法。可以使維持的動力功耗降為傳統的方法的千分之一，只占主體傳熱功率的萬分之一以內。以每單元再生1kg水，平均壓差為0.5個大氣壓為例計算，控制功耗和溶解熱大大少于溶劑汽化熱的比例為1.01*105*0.001*0.5/(1*1000*2253)＝2.24*10-5。
對其它熱能損耗系數K2進行分析利用外保溫，絕熱管和熱交換等技術后還客觀存在的熱能外失(除K1外)。因為采取了上述有效技術措施后，經測算總損失熱能能控制在主體傳熱功率的百分之一之內。
以食鹽溶液，沒有溶解熱溶質為例，對本發明整體運行效率做理論分析如下假設有N個倉室，腔間隔壁7的傳導熱阻為R，腔間隔壁7與蒸汽、液態溶劑的交換熱阻分別為RA、RW，總溫差為T，溶劑的汽化熱為q，參與熱交換的腔間隔壁的計算面積(蒸釜的橫斷面積)為S，則每秒鐘最多可產生的溶劑質量的表達式為M＝(1-K1)(1-k2)*N*ΔT*λ/q＝(1-K1)(1-k2)*N*(T/N)*[S/(RA+R+RW)]/q＝(1-K1)(1-k2)*T*S/(RA+R+RW)/q(1)而在生產相同溶劑時，通過每個單元的每秒熱能需求為Q＝(1-K1)(1-k2)*q*M/N＝(1-K1)(1-k2)*(T/N)*S/(RA+R+RW)＝(1-K1)(1-k2)*[T*S/(RA+R+RW)]/N (2)由公式(1)中可得知每秒鐘產生的溶劑質量與串聯單元數基本無關，而可以通過增大參與熱交換的腔間隔壁的計算面積為S，或降低腔間隔壁7的總傳熱阻(包括腔間隔壁7傳導熱阻為R，腔間隔壁7與蒸汽、液態溶劑的交換熱阻RA、RW)來提高溶劑的提取效率。也就是說應用本技術后，不管串聯多少個倉室，只要系統總溫差和腔間隔壁的計算面積和總熱阻相等，則每秒鐘產生的溶劑質量基本相等，也就是說基本不影響發生器的生產效率。
由公式(2)中可得知，用本技術后，不管用多少個單元，在每秒鐘產生的溶劑質量相同的情況下，整個系統約需要的熱能約為一單元的1/N。
實例測算在k1值取1％，k2的計算條件為T＝80，D＝0.7，溶劑以水為例，與理想狀態、化工中的多效蒸發器效率做對比。經理論測算，每產生單位蒸汽時所需要供熱蒸汽相對量對比如下表
由上表可以看出，采用本技術后，產生單位蒸汽時所需熱能隨看重復利用次數的增加，與理想值的比值趨于1.17，從跟本上解決了多效蒸發器等現有技術中，隨著重復利用次數的增加而與理想值的比值逞F(N)＝0.0075*N2+0.0175*N+1.075漸趨而失效的問題。
本裝置主要中間區元件采用刀片式、模塊化、標準化設計(如圖5是中間元件單元B-B截面5)，有利于壓縮整個設備空間；有利于減少熱能損失的途徑，提高熱利用效率；有利于按需要調整效數N；有利于模塊化生產，減少生產模具數量，降低增加效數N的成本；還有利于使用時維修更換中間區元件和相關配件。
發明的裝置采用并聯供料連接法還可以比較好的消除熱能損耗系數K1引起的損失，經測算可以比串聯法提高約10％效率。但采用并聯供料連接法得為每個空腔單元專配一個熱交換器，而帶來制造成本的增加，且系統變得更為復雜。
綜上所述，采用本技術，不但可以有效地解決現有技術中隨著重復利用次數的增加而漸趨失效的問題；可以有效的降低增加效數的成本，還可以縮減設備的空間，提高使用過程中的可維護性。
下面詳細描述本發明的熱能梯級復用溶液濃縮再生設備的組成。
本發明的裝置主要由蒸釜，熱交換系統、外圍管道系統和電子控制系統組成，按供料管連接方法不同可分為圖1所示的串聯供料連接法系統和圖10所示的并聯供料連接法系統。
蒸釜基本結構如串聯供料連接法系統結構簡1和蒸釜水平截面圖如圖2所示，分為高溫區1、中間區2和低溫區3，高溫區1和中間區2的基本空腔單元均由室間隔板8分隔為蒸發室4和冷凝室5，兩室間理論上應盡量不發生直接地熱傳導，熱能只能通過蒸發室4產生的蒸汽的流動而傳向冷凝室5，具體如串聯供料連接法系統結構簡圖1中大箭頭所示。相鄰空腔間的隔壁7應有盡可能好的傳熱性能，使在相同的熱流強度(凝結速率)下，減少相鄰倉室間的溫差，以提高熱能的利用次數。而在整個組合體系外壁9應有良好的保溫層，以減少熱能的損失，以保證保證熱能利用效率，并形成必要的溫度梯度。
根據上述的工藝流程和鑄造工藝的要求，各鑄造件的分割面定于室間隔板8處，把整個蒸釜分為如蒸釜主件裝配示意8所示的高溫區元件81、中間區元件82、冷凝區元件83三大類。高溫區元件81為受熱區，可根據實際需要，在內膛增加直燃部件，電熱部件或熱交換部件。冷凝區元件83為本系統的散熱區，需要通室外的散熱器，將余熱散發到系統之外而使本系統能維持必要的溫度梯度。中間區元件82為蒸釜的重要主件，詳見中間區元件單元水平截面3及其說明。
中間區元件單元的結構如中間區元件單元水平截面3、中間區元件單元A-A剖視4和中間區元件單元B-B剖視5所示。中間區元件單元由外保溫層、外壁、腔間隔壁7、稀溶液入口24、濃溶液出口25、感應器安裝口26、溶劑出口27和排氣口51構成。其中腔間隔壁中板31、蒸發室的熱交換肋片32、冷凝室的熱交換肋片33合稱為腔間隔壁7。為了降低每個腔間隔壁7總熱阻，腔間隔壁中板31兩側均做成盡可能大地增加表面積的構造，如本圖所示的蒸發室的熱交換肋片32和冷凝室的熱交換肋片33的設計，熱交換肋片表面還可以拉成“V”字形的小凹槽，可以使表面積擴大10～20倍，從而降低交換熱阻。在考慮蒸發區汽泡的上升，蒸發室的熱交換肋片32間距宜適當的寬一點，保證汽泡順利上升。而冷凝室的熱交換肋片33則只要滿足生產工藝的要求下，越密越好。且宜做成N1*L1/RA＝N2*L2/RW(N1，N2分別為兩側的肋板數)，以達到用盡可能少的空間和材料，使總熱阻最小。因為腔間隔壁7總熱阻的構成中表面交換熱阻要大于腔間隔壁中板31傳導熱阻一個數量級以上，所以增大熱交換表面積是降低傳導熱阻的最有效辦法。
如中間區元件單元A-A截面4所示。蒸發區的熱交換肋片的上下端應每間隔一片開洞口，以連通相鄰肋間小室，加長液流的流程，形成較好的濃度梯度。
如中間區元件單元B-B截面5所示。冷凝區的熱交換肋片的下端應開洞口，如圖5所示，以連通各肋間小室，以便于溶劑匯集。并且在蒸發室的熱交換肋片32上端的室間隔板蒸汽過孔61下沿設防濺網15，以阻止溶液沸騰時把小液滴濺入冷凝室，影響再生溶劑的純度。排氣口51主要是在重新起動、長期不運行或檢修時排進空氣時用。
如室間隔板構造6所示。室間隔板應采用絕熱且有較好的耐腐蝕材料做成，起到分隔蒸發室4和冷凝室5的作用，上部開蒸汽過孔61。
如鑄件單元間連接墊圈示意圖7所示，連接墊圈71應采用耐高溫的硅橡膠等密封材料做成，起到各元件的連接密封作用。
蒸釜主件裝配如蒸釜主件裝配示意8所示。室間隔板8、接墊圈71、高溫區元件81、中間區元件82和冷凝區元件83之間采用螺栓的法蘭連接，蒸釜主件上的管口與管道系統的連接采用螺口活接法連接，蒸釜主件上的感應器安裝口26與感應器模塊采用螺口連接，排氣口51上用螺栓封閉。
熱交換器結構如熱交換器結構示意9所示。稀溶液出口91、溶劑入口92、濃溶液入口93、濃溶液出口94、稀溶液入口95、保溫層96、交換器外殼97、熱交換管98、溶劑出口99。稀溶液從稀溶液入口95進入，通過熱交換管，從稀溶液出口91流出，一直在熱交換管內。不同溫度的溶劑分別從溶劑入口92進入熱交換器的左腔，經過熱交換后從溶劑出口99流出。濃溶液從濃溶液入口93進入熱交換器的右腔，經過熱交換后從濃溶液出口94流出。整個熱交換器內的溫度為左高右低，各種溶液分開，采用逆流分級交換的方式把溶劑和濃溶液的余熱交換給稀溶液，使熱能得以最充分的回收利用。
對外圍管道系統連接進行說明熱交換器稀溶液出口91與蒸釜稀溶液入口24，蒸釜的各個溶劑的出口27與熱交換器的溶劑入口91，蒸釜的濃溶液出口25與熱交換器的濃溶液的入口93均用外保溫的隔熱管子和電子閥相連接。
控制系統主要由抽液機、電子閥10、數據采集及分析系統組成。本系統采集每個單元中的壓強、溫度、溶液濃度、液位等數據，送到數據處理蕊片分析，再把相關指令發送給抽液機及電子閥，以便對流量進行調整，從而保證蒸釜能在正常的各個參數下運行。
并聯供料連接法的連接方法如并聯供料連接法系統結構簡10所示。為了減少前面所說的K2損失，在大型的，效數較多(大于5)的設備中可以采用本連接方法。其主要的設備蒸釜和控制設備與串聯供料連接法相同，只是溶液的進出方法和熱交換器的結構不同。溶液的進出方法為在每個空腔單元中稀溶液進入，濃溶液直接出蒸釜，不再進入下一單元進一步濃縮，每個單元都是如此。熱交換器則可采用普通的單腔熱交換器。
在生產時制造材料都應按溶液的化學性質再選用。在各項控制參數在滿足本發明中的相關要求的前提下，根據溶液的物理化學性質選定。
下面詳細說明本發明的運行剛啟動工作時，打開排氣口51，先把空腔內用溶液充滿，并加熱到預定的溫度后關閉排氣口51，再通過控制每個出入口的電子閥和抽液機，控制好每個室的液位，形成一定蒸汽壓梯度，從而形成相等的溫度梯度，使熱能能夠順利地從高溫區流向低溫區，形成穩定的熱流。
形成設計所需的溫度梯度后，高溫區內蒸發區溶液接收外界傳來的熱能，使溶劑蒸發成蒸汽，通過過汽孔63流向冷凝區，經溫度較低一級腔間隔壁7的冷卻，轉變為液態，同時把熱能傳給需要加溫的下一(較低溫度)室中的溶液，而冷凝的溶劑在底部匯聚后經電子閥流到熱交換器，經濃縮過的溶液也經電子閥流向下一級進一步濃縮，就這樣完成了一個空腔內的整個過程。
同理，隨著在著每個倉室中蒸發和凝結過程的進行，熱能也由高溫區向低溫區傳遞，溶液也得到一步一步地濃縮，直到溫度(低溫倉室)低得沒法再利用為止。并且每個倉室中出來的冷凝溶劑和最后出來的濃縮液，又把余熱通過熱交換器11傳給流向高溫區的稀溶液，不但使熱能得到充份利用，還可把自己的溫度降低。在正常運行的過程中只要通過電子閥10控制好液體的流量，就可以保持各個空腔內必要的汽壓差和溫度梯度，而整個控制過程中只需要很少的動力能耗。
在停止工作時則可以通過打開稀溶液入口的電子閥，讓溶液向低溫區流動，充滿腔室，使較高濃度的溶液則匯集到低溫倉，這樣不但可以提高重起動速度，還可以減少倉室的內外壓差，從而防止空氣進入，降低設備的疲勞度。而起動時則可以把最的濃凝室直接用于下一流程，而其它濃凝室中的液體回到稀溶液儲藏罐中。如果是短時間停運，也可以保持蒸釜內的蒸汽壓為一個大氣壓，液位可以不變。
上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種熱能梯級復用溶液濃縮再生設備，其特征在于，它由蒸釜，熱交換系統、外圍管道系統和電子控制系統組成；其中，蒸釜主要由高溫區元件(81)、中間區元件(82)和冷凝區元件(83)組成；所述中間區元件(82)由外壁、稀溶液入口(24)、濃溶液出口(25)、感應器安裝口(26)、溶劑出口(27)、排氣口(51)和腔間隔壁(7)構成；所述腔間隔壁(7)由腔間隔壁中板(31)、蒸發室的熱交換肋片(32)和冷凝室的熱交換肋片(33)組成。
2.根據權利要求1所述的一種熱能梯級復用溶液濃縮再生設備，其特征在于，所述高溫區元件(81)內設置直燃部件，電熱部件或熱交換部件；所述冷凝區元件(83)內設置散熱器或與室外散熱器相通。
3.根據權利要求1所述的一種熱能梯級復用溶液濃縮再生設備，其特征在于，所述蒸釜的高溫區元件(81)、中間區元件(82)和冷凝區元件(83)通過室間隔板(8)、接墊圈(71)分隔連接而成。
4.根據權利要求1所述的一種熱能梯級復用溶液濃縮再生設備，其特征在于，所述熱交換系統由稀溶液出口(91)、溶劑入口(92)、濃溶液入口(93)、濃溶液出口(94)、稀溶液入口(95)、保溫層(96)、交換器外殼(97)、熱交換管(98)、溶劑出口(99)組成。
5.根據權利要求1所述的一種熱能梯級復用溶液濃縮再生設備，其特征在于，所述控制系統主要由抽液機、電子閥、數據采集及分析系統組成。
全文摘要
本發明公開了一種熱能梯級復用溶液濃縮再生設備，它由蒸釜，熱交換系統、外圍管道系統和電子控制系統組成；其中，蒸釜主要由高溫區元件、中間區元件和冷凝區元件組成；所述中間區元件由外壁、稀溶液入口、濃溶液出口、感應器安裝口、溶劑出口、排氣口和腔間隔壁構成；所述腔間隔壁由蒸發室的熱交換肋片、腔間隔壁中板和冷凝室的熱交換肋片組成；本發明可廣泛應用到化工濃縮工藝，溴化鋰空調的發生器等領域。可以大大地節約能源，水資源，降低運行成本和壓縮設備空間，具有重大的環境效益和經濟效應。
文檔編號B01D1/26GK1995872SQ20061005292
公開日2007年7月11日 申請日期2006年8月14日 優先權日2006年8月14日
發明者金愛民 申請人:金愛民