CN102949856B - 一种自然循环自洁式蒸发装置 - Google Patents
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Abstract
一种自然循环自洁式蒸发装置，上行加热管内安装钢丝螺旋，下行加热管内安装扭带螺旋。循环液中添加流化球，实现0.1％～3.0％低浓度流化球的螺旋流态化高效清洗。沸腾管在加热室的上方，沸腾管喇叭状，采用收敛段和渐扩段来防止流化球阻塞，减低循环阻力和出口动能损失。加热室下管板下端设计有分流裙。向下流动的循环液在分流裙前分成循环主流和循环副流两路，循环副流通过筛板上的筛孔时冲搅拌流化球形成流态化，使流化球比较均匀、顺畅的进入上行加热管，实现流化球的自然循环流动。这种螺旋流态化自动清洗式的蒸发装置，既能够自然循环，又能够高效自动清洗，运行可靠，维护简便，因此可以同时实现大幅度的增产和节能。
Description
技术领域
本发明的一种自然循环自洁式蒸发装置，涉及自然循环列管加热蒸发器和自然循环列管加热再沸器的管内自动清洗防垢和传热强化。它主要适用于加热管内容易生长污垢的自然循环蒸发器和再沸器，对由于加热管内结垢显著影响其产能和能耗的列管加热蒸发器和再沸器尤其适合。
背景技术
现有自然循环蒸发装置的自然循环流速低，加热管内结垢快，需要频繁的停车清洗，为此大多改为高能耗的强制循环。例如，某盐蒸发器的循环泵ACP11-900型160Kw(海湖盐与化工，1998，v27，n6，p24-26)，一套五效蒸发装置每年要耗电600多万度电。但是，采用强制循环泵以后，仍然需要周期性的停车清洗，只是延长了清洗周期，并且强制循环泵的设备费和运行双高。
加热管内自动清洗技术的文献很多。其中以钢丝螺旋类技术(例如，2005.02.23.授权的中国专利ZL2004200351029，传热管内在线自动清洗的流体动力塑包螺旋线)和塑料扭带螺旋类技术(例如，换热器自转螺旋扭带自动阻垢技术应用研究，化学工程，2006/03)结构最为简单，但是在蒸发装置的立式加热管内的硬垢的自动清洗的能力太弱，效果很不明显，不能满足工业生产的基本要求，也未见有成功应用于大工业生产蒸发器的信息报道。
发明内容
本发明提出的一种自然循环自洁式蒸发装置，不仅能够对加热管内的硬垢实现高效的螺旋流态化自动清洗，而且能够在不需要高能耗的强制循环泵的自然循环条件下，实现流化球在设备内随液体的自然循环流动，并且结构简单，容易操作，运行可靠。因此，很适用于蒸发装置通过自然循环、自动清洗、传热强化达到节能和增产的目的。
本发明的技术方案为：一种自然循环自洁式蒸发装置，主要部件有蒸发室、加热室、加热管、螺旋、分流裙、锥形筛网、筛板、流化球、沸腾管、底槽。
加热室内的加热管有两种，一种是管内液流向上的上行加热管，另一种是管内液流向下的下行加热管。加热管内的螺旋也有钢丝螺旋和扭带螺旋两种。上行加热管内的液流与流化球的沉降速度反向，流化球的速度小，经过加热管的时间长，安装流体阻力比扭带小的钢丝螺旋；钢丝直径在0.8～2.5mm范围，加热管内径与钢丝螺旋外径的直径差大于流化球直径的2倍；钢丝螺旋的螺距为加热管内径的(0.5～1.5)倍。下行加热管内的液流向下与流化球的沉降速度同向，流化球的速度大，经过加热管的时间短，为此安装能够延长流化球经过加热管时间的扭带螺旋螺旋。扭带厚度在0.8～2.0mm范围，加 热管内径与扭带螺旋的外径的直径差大于流化球直径的2倍；扭带螺旋的螺距为加热管内径的(3.0～5.0)倍。钢丝螺旋和扭带螺旋的作用都是对管内液流和流化球导向成为螺旋流，不仅实现对流传热强化，而且螺旋自身的振动和摆动就具有一定的自动清洗防垢作用，更重要的是使流化球在螺旋流离心力的作用下富集到管内壁、实现对管内壁有离心压力的硬垢清洗。钢丝螺旋和扭带螺旋均固定在加热管液体入口端的管口架上。管口架的结构特点是整个零件全部设计在管口以内，不突出到管口外，便于流化球的均布和进入管内。加热室管板上方的手孔，方便外围区加热管内的扭带螺旋的拆装。手孔的数量多少与加热室的直径大小有一致性关系。
流化球虽然也有传热强化作用，但是最主要的作用是解决立式加热管内钢丝螺旋和扭带螺旋自动清洗硬垢的能力太弱的根本问题。流化球的直径在0.8～4.0mm范围。加热管内流动的液体中，流化球的体积浓度在0.1‰～3.0％的范围。流化球选用对蒸发料液为惰性的材质制造，例如塑料、填充塑料、不锈钢、瓷球等等。这种螺旋流态化清洗的显著优点是：由于防垢清洗能力强，所以容许加热管内出现沸腾汽化；由于清洗效果好、对流传热幅度高，自然循环推动力大，流体阻力较低，循环流速较高，所以不需要强制循环泵。
加热室下管板与筛板之间设计有分流裙、筛网。筛板上的筛孔均布排列，筛孔面积占筛板总面积的5％～25％。筛孔直径2～6mm。筛网采用8～20目的不锈钢筛网制造，流通面积大，阻力小。分流裙下方的主循环道宽度h在20～120mm范围，加热室直径愈大，h的取值也愈大。向下流动的循环液，在进入上行加热管前，分成循环主流和循环副流两路。循环副流和循环主流之间的流量比，可以通过筛板的筛孔总面积与主循环道宽度流通面积之比的结构设计调节，以保障通过筛板筛孔的液体有必要的流速向上冲搅流化球，既保障比较均匀的流态化状态向中心流动，又能够比较顺畅地进入各加热管下口，而不会在筛板上产生流化球的沉积阻塞。并且，这种循环副流的合理调控能够大幅度减少通过底槽的循环流量，大大缩减环底槽的容积需求，又高倍地降低底槽的循环流速，有助于晶体的长大与粗晶的沉降分离。
沸腾管在加热室的正上方。沸腾管的基本作用，一是加热管出来的液体在此沸腾汽化形成为蒸汽泡和液体的低密度混合物，与沸腾管外循环流道内向下流的、无蒸汽泡的高密度液体之间，产生较大的密度差——静压差——循环推动力；二是保障流化球向上顺畅流动，减低自然循环阻力和出口动能损失。沸腾管的结构有收敛段和渐扩段。收敛段是为了避免自加热管出口后流通截面突然成倍扩大——流速成倍地急剧下降导致流化球滞留——引发流化球高浓度的高阻力、甚至出现堵塞。因此，收敛段对于自然循环流速比较低的蒸发装置显得尤为必要。渐扩段是为了避免沸腾汽化后，汽泡体积高倍膨胀，引起出口段高流速高阻力和高流速动能损失以及蒸发室液沫夹带增多。沸腾管的出口端比蒸发室液面低100～600mm。蒸发室液面到加热室上管板的深度在500～3000mm范围，蒸发压力愈高者深度取值愈大，传热温差愈大时深度取值愈大。渐扩段内可以安装旋流斜板。旋流斜板由两块半椭圆形钢板构成，其斜角α在30～75°的范围，结构非常简单，但是作用不小：能够在旋流斜板的导流作用下形成顶层环流，促进蒸汽泡向中心区流动、液体和流化球向外流动，有助于增大密度差和推动力；有助于加快流化球向外的径向循环流动；有助于蒸发室内形成外高内低的抛物线液面，增大自然循环推动力。
一种自然循环自洁式蒸发装置的真空蒸发的结构方案，是加热室内只有上行加热管，没有下行加热管。加热室直径与沸腾管下口一样大，加热室外为外围循环流道。这一结构措施是考虑到负压蒸发装置的自然循环推动力远低于正压或常压蒸发装置，不设计下行加热管的结构的目的在于成倍减少加热管循环阻力，大幅度减低自然循环总阻力，以便满足流化球自然循环必需的流速。但是，对于较低传热温差或高真空度的蒸发蒸发装置，仅仅不设下行加热管减阻的单一措施，仍然不能满足流化球自然循环的流速要求，需要在筛板下面设计有气罩和送气管，通过吸入少量空气的辅助措施，可以很有效地解决自然循环推动力不足的问题，而且又简便。又经济。气罩的另一作用，是有助于底槽的晶体长大和粗晶沉降分离。
附图说明
图1是本发明的一种自然循环自洁式蒸发装置总图。
图2是本发明的一种自然循环自洁式蒸发装置的真空蒸发结构方案图。
图3、图4是本发明一种自然循环自洁式蒸发装置中，上行加热管内钢丝螺旋和下行加热管内扭带螺旋的组装结构图。
具体实施方式
下面结合附图1、图2、图3、图4，对本发明作进一步详细的描述。
图中的 1加热管 2螺旋 3上行加热管 4下行加热管 5下管板 6循环主流 7筛板 8底槽 9循环副流 10主循环道 11筛网 12放球管 13流化球 14分流裙 15加热室 16出口挡罩 17沸腾管 18旋流斜板 19顶层环流 20蒸发室 21除沫器 22循环流道 23斜导撑板 24环形密封垫 25手孔 26承重筋板 27循环筒体 28喷气孔 29气罩 30送气管 31钢丝螺旋 32扭带螺旋 33管口架 34螺旋固定钢丝
一种自然循环自洁式蒸发装置，主要部件有蒸发室20、加热室15、加热管1、螺旋2、分流裙14、筛网11、筛板7、流化球13、沸腾管17、底槽8。
加热室15内的加热管1有两种，一种是管内液流向上的上行加热管3，另一种是管内液流向下的下行加热管4。加热管1内的螺旋2也有钢丝螺旋31和扭带螺旋32两种。上行加热管3内的液流与流化球13的沉降速度反向，流化球13的速度小，经过加热管1的时间长，安装流体阻力比扭带小的钢丝螺旋31；钢丝直径在0.8～2.5mm范围，加热管1内径与钢丝螺旋31外径的直径差大于流化球13直径的2倍；钢丝螺旋31的螺距为加热管1内径的(0.5～1.5)倍。下行加热管4内的液流向下与流化球13的沉降速度同向，流化球13的速度大，经过加热管1的时间短，因此安装能够延长流化球13经过加热管1时间的扭带螺旋32。扭带螺旋32厚度在0.8～2.0mm范围，加热管1内径与扭带螺旋32 的外径的直径差大于流化球13直径的2倍；扭带螺旋32的螺距为加热管1内径的(3.0～5.0)倍。钢丝螺旋31和扭带螺旋32的作用都是对管内液流和流化球13导向成为螺旋流，不仅实现对流传热强化，而且螺旋2自身的振动和摆动就具有一定的自动清洗防垢作用，更重要的是使流化球13在螺旋流离心力的作用下富集到管内壁、实现对管内壁有离心压力的硬垢清洗。钢丝螺旋31和扭带螺旋32均固定在加热管1液体入口端的管口架33上。管口架33的结构特点是整个零件全部设计在管口以内，不突出到管口外，便于流化球13的均布和进入管内。加热室15管板上方有手孔25，方便下行加热管4内的扭带螺旋32的拆装。手孔25的数量多少与加热室15大小有一致性关系。
流化球13虽然也有传热强化作用，但是最主要的作用是解决立式加热管1内钢丝螺旋31和扭带螺旋32自动清洗硬垢的能力太弱的根本问题。流化球13的直径在0.8～4.0mm范围。加热管1内流动的液体中，流化球13的体积浓度在0.1‰～3.0％的范围。流化球13选用对蒸发料液为惰性的材质制造，例如塑料、填充塑料、不锈钢、瓷球等等。这种螺旋流态化清洗的显著优点是：由于防垢清洗能力强，所以容许加热管1内出现沸腾汽化；由于自动清洗效果好、对流传热幅度高，自然循环推动力大，流体阻力较低，循环流速较高，所以不需要强制循环泵。
加热室15的下管板5与筛板7之间设计有分流裙14、筛网11。筛板7上的筛孔均布排列，筛孔面积占筛板7总面积的5％～25％。筛孔直径2～6mm。筛网11采用8～20目的不锈钢丝筛网制造，流通面积大，阻力小。分流裙14下方主循环道10的宽度h在20～120mm范围，加热室15直径愈大，宽度h的取值也愈大。向下流动的循环液，在进入上行加热管3前，分成循环主流6和循环副流9两路。循环副流9和循环主流6之间的流量比，可以通过筛板7上的筛孔总面积与主循环道10宽度流通面积之比的结构设计调节，以保障通过筛板7筛孔的液体有必要的流速向上冲搅流化球13，既保障比较均匀的流态化状态向中心流动，又能够比较顺畅地进入各加热管下口，而不会在筛板7上产生流化球13的沉积阻塞。并且，这种循环副流9的流量的合理调控能够大幅度减少通过底槽8的循环流量，大大缩减环底槽8的容积需求，又高倍地降低底槽8的循环流速，有助于晶体的长大与粗晶的沉降分离。
沸腾管17在加热室15的正上方。沸腾管17的基本作用，一是加热管1出来的液体在此沸腾汽化形成为蒸汽泡和液体的低密度混合物，与沸腾管17循环流道22内向下流的、无蒸汽泡的高密度液体之间，产生较大的密度差-静压差-循环推动力；二是保障流化球13向上顺畅流动，减低自然循环阻力和出口动能损失。沸腾管17的结构有收敛段和渐扩段。收敛段是为了避免自上行加热管3出口后流通截面突然成倍扩大-流速成倍地急剧下降导致流化球13滞留-引发流化球13高浓度的高阻力、甚至出现堵塞。因此，收敛段对于自然循环流速比较低的蒸发装置显得尤为必要。渐扩段是为了避免沸腾汽化后，汽泡体积高倍膨胀，引起出口段高流速高阻力和高流速动能损失以及蒸发室液沫夹带增多。沸腾管17的出口端比蒸发室20液面低100～600mm。蒸发室20液面到加热 室15上管板的深度在500～3000mm范围，蒸发压力愈高者深度取值愈大，传热温差愈大时深度取值愈大。渐扩段内可以安装旋流斜板18。旋流斜板18由两块半椭圆形钢板构成，其斜角α在30～75°的范围，结构非常简单，但是作用不小：能够在旋流斜板18的导流作用下形成顶层环流19，促进蒸汽泡向中心区流动、液体和流化球13向外流动，有助于增大密度差和推动力；有助于加快流化球13向外的径向循环流动；有助于蒸发室20内形成外高内低的抛物线液面，增大自然循环推动力。
一种自然循环自洁式蒸发装置的真空蒸发的结构方案，是加热室15内只有上行加热管3，没有下行加热管4。加热室15直径与沸腾管18下口一样大，加热室15外为循环流道22。这一结构方案是考虑到负压蒸发装置的自然循环推动力远低于正压或常压蒸发装置，不设计下行加热管4的目的在于成倍减少加热管循环阻力，大幅度减低自然循环总阻力，以求满足流化球13自然循环必需的流速。但是，对于较低传热温差或高真空度的真空蒸发装置，仍然不能满足流化球13自然循环的流速要求，需要在筛板7下面设计有气罩29和送气管30，通过吸入少量空气的辅助措施，很有效地解决自然循环推动力不足的问题，而且又简便。又经济。气罩29的另一作用，是有助于底槽8的晶体长大和粗晶沉降分离。
Claims (7)
1.一种自然循环自洁式蒸发装置，主要部件有蒸发室(20)、加热室(15)、加热管(1)、螺旋(2)、分流裙(14)、筛网(11)、筛板(7)、流化球(13)、沸腾管(17)、底槽(8)，其特征在于：加热室(15)内的上行加热管(3)内安装钢丝螺旋(31)，加热室(15)内的下行加热管(4)内安装扭带螺旋(32)，钢丝螺旋(31)和扭带螺旋(32)均固定在加热管(1)入口端的管口架(33)上；流化球(13)在循环液中的体积浓度范围为0.1％～3.0％，流化球(13)的直径范围为0.8～4.0mm；加热室(15)的下管板(5)与筛板(7)之间有分流裙(14)和筛网(11)，分流裙(14)下方的主循环道(10)的宽度h在20～120mm范围；筛板(7)上的筛孔均布排列，筛孔面积占筛板(7)总面积的5％～25％，筛孔直径2～6mm；沸腾管(17)在加热室(15)的上方，沸腾管(17)的结构含有收敛段和渐扩段，收敛段在沸腾管(17)的入口段，渐扩段在沸腾管(17)出口段。
2.根据权利要求1的一种自然循环自洁式蒸发装置，其特征在于：真空蒸发的加热室(15)内，只有上行加热管(3)，没有下行加热管(4)，加热室(15)直径与沸腾管(18)下口一样大，加热室(15)外为循环流道(22)。
3.根据权利要求1的一种自然循环自洁式蒸发装置，其特征在于：在较低传热温差或高真空度条件下的真空蒸发装置中，筛板(7)下面设计有气罩(29)和送气管(30)。
4.根据权利要求1的一种自然循环自洁式蒸发装置，其特征在于：管口架(33)的结构特点是整个零件全部设计在加热管(1)的管口以内，不突出到管口外。
5.根据权利要求1的一种自然循环自洁式蒸发装置，其特征在于：沸腾管(17)的渐扩段内安装旋流斜板(18)，旋流斜板(18)由两块半椭圆形钢板构成，其斜角α在30～75°的范围。
6.根据权利要求1的一种自然循环自洁式蒸发装置，其特征在于：加热室(15)管板上方有手孔(25)，方便下行加热管(4)内的扭带螺旋(32)的拆装，手孔(25)的数量多少与加热室(15)的直径大小有一致性关系；
7.根据权利要求1的一种自然循环自洁式蒸发装置，其特征在于：筛网(11)采用8～20目的不锈钢丝筛网。
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| CN101108280A (zh) * | 2007-07-05 | 2008-01-23 | 浙江大学 | 蒸发器防结垢防结晶的方法及其装置 |
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2011
- 2011-08-26 CN CN201110246865.2A patent/CN102949856B/zh active Active
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 螺旋纽带自动清洗式高效蒸发器技术可行性研究;俞天兰等;《株洲工学院学报》;20010228;第15卷(第01期);全文 * |
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