CN107875658B

CN107875658B - 波流阀自动清洗式竖管降膜蒸发器

Info

Publication number: CN107875658B
Application number: CN201711042017.3A
Authority: CN
Inventors: 俞天翔; 俞天兰; 俞秀民; 彭德其; 陈康; 吴金香; 张治坤; 冯修燕
Original assignee: Individual
Current assignee: Zhejiang Construction and Installation Engineering Technology Research Co.,Ltd.
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2019-09-10
Anticipated expiration: 2037-10-30
Also published as: CN107875658A

Abstract

本发明公开了一种波流阀自动清洗式竖管降膜蒸发器，波流阀、耦合弹簧和清洗螺旋组成加热管内污垢的自动清洗机构。波流阀的大管段与小管段是实现流量大小交替变化的功能段，凭借流量大小的交替变化，带动清洗螺旋行程为30～300mm的上下运动、正反方向角度为150°～1000°的自转和频繁的径向振动，实现自动清洗。这种结构简单，加热管内污垢的清洗能力强，而且比较均匀，能够大幅度、甚至成倍的提高加热管内容易生长污垢的降膜式蒸发器的效率，节能效果显著。

Description

波流阀自动清洗式竖管降膜蒸发器

技术领域

本发明涉及一种波流阀自动清洗式竖管降膜蒸发器，主要涉及竖管降膜蒸发装置的加热管内污垢的自动清洗和液流均匀布膜。它特别适用于立式加热管内容易生长污垢的降膜蒸发装置，对易垢溶液的热泵竖管降膜式蒸发装置能够大幅度的提高产能和节能效益。

背景技术

降膜蒸发器，由于液膜很薄，实际液膜流动的流速快，传热效率很高，传热系数可以高达2000～3000(w/m℃)。但是液膜很薄，很容易发生干壁，比强制循环蒸发器更容易结垢。因此，在容易长垢的蒸发生产中比较少应用。

近十多年布膜器技术研究取得较大进展后，竖管降膜蒸发器逐渐用于处理这种容易结垢溶液的蒸发生产。其中应用得比较成功的是氧化铝蒸发生产。例如，河南一个大型氧化铝生产公司，按值班记录的实际生产数据计算，传热系数也不高，只有735(w/m².℃)。可见，加热管内的污垢相当严重地影响着蒸发生产的效率。

对降膜蒸发器污垢自动清洗的文献很少。文献[自动清洗式降膜蒸发器研究，石油化工设备，2002年31卷第5期]介绍了一种板式蒸发器的在线清洗技术，机构太复杂，工程化难度大，并且工程中竖管降膜蒸发器更多，但又不适合应用。

发明内容

本发明提出的波流阀自动清洗式竖管降膜蒸发器，推出一种加热管入口的波流阀，使得进入加热管的流量大小能够自动交替变化，带动耦合弹簧—清洗螺旋的自动清洗机构产生大行程的上下往复运动、正反方向的慢速自转和频繁的径向振动，实施对加热管内污垢的自动清洗，并且波流阀和清洗螺旋对加热管内的液膜流动螺旋起导流作用，有比较好的全管程周向布膜作用与管内侧的对流传热强化作用。

本发明的技术方案为：

波流阀自动清洗式竖管降膜蒸发器，主要部件有波流阀、耦合弹簧、清洗螺旋、加热管、机头室、加热室、底室、淋降筛板、循环泵。

波流阀、耦合弹簧和清洗螺旋组成加热管内污垢的自动清洗机构。波流阀和耦合弹簧组成自动清洗机构的机头，清洗螺旋是污垢清洗的工作元件。

波流阀自上而下有档液管段、大管段、小管段和螺旋片段。大管段与小管段是波流阀实现流量大小交替变化的功能段。波流阀上下运动过程中，大管段与小管段在不同的时段里，与加热管进口段内壁之间构成的入口截面大小的交替变化，使得进入加热管内的流量大小和作用在清洗螺旋上的冲力大小也跟随交替变化，以此引发耦合弹簧伸缩，带动波流阀—清洗螺旋整个自动清洗机构的上下运动和慢速的正反方向自转以及频繁的径向振动。这种清洗运动的快慢和强度变化有显著的随机性，上下行程为30～300mm，正反方向的自转角度为150°～1000°，周期同为3～15秒次；径向振动每分钟100～300次。这种上下往复运动擦洗、正反方向的自转擦洗和频繁的径向振动对加热管内壁的敲击，达到了自动清洗的目标。波流阀除了是进入加热管的流量大小交替变化的核心功能外，还有使进入各加热管内流量均布的重要作用，原理是靠蓄积在管板上的液面近似为水平面、因而每个加热管入口流都有大体相同的一个静压差。

进入蒸发器的总流量，按加热管内充满截面的平均流速0.05～0.25(m/s)设计，对自动清洗功能要求强者，选择较高的设计流速。大管段的外径D2与加热管内径D0之间的入口截面积大小，按平均流速0.5～1.0(m/s)设计；小管段的外径D3与加热管内径D0之间的入口截面积，按加热管内充满截面的平均流速0.3～0.6(m/s)设计。对自动清洗功能要求强者取其较高值。

大管段H2和小管段H3的长度，分别控制着小流量时段和大流量时段的时间长短，直接影响清洗螺旋往复行程的大小。两者长度范围均为60～180mm。自动清洗功能要求高者取值也高，加热管长度愈大取值也愈大。

大管段的上部设计有下行卡，是波流阀向下行程的最低位的限位结构。大管段的外壁可以开设有径流槽，用来防止料液中的结晶颗粒堵塞。径流槽的深度和最窄处的宽度都要求大于3mm。

档液管段的功能是波流阀运动到最低位时，防止机头室内积蓄的料液溢流到平衡管内短路，恶化传热效率。档液管段的高度H1为100～300mm，加热管内的设计流量愈大，高度选取也愈大。档液管段的顶部的悬挂孔，用于与耦合弹簧的连接组装。

螺旋片段的功能是对加热管内的液膜流动实施导流周向均布。螺旋片的螺旋角在15°～45°的范围内，流量愈大，螺旋角选取就愈小。螺旋片的数量2～5片，周向均布，全部螺旋片的周向总包角在360°左右即可。

波流阀阀体的中心部分是空心的、上下气体贯通的压力平衡管，用来保障机头室内的料液能够凭借液位差自流通过波流阀，进入加热管。平衡管的下部设计有悬挂清洗螺旋的挂杆。

耦合弹簧是给波流阀和清洗螺旋能够自动向上运动提供回复力的动力元件。采用不锈钢弹簧钢丝制造。弹性系数要求60～200(N/m)，加热管愈长，取值愈高；自动清洗的行程要求较大，取值较低。耦合弹簧的结构参数设计，须进行疲劳寿命校核计算。

加热管内安装的清洗螺旋主要是自动清洗元件，也是全管程避免干壁的液膜周向均布元件，还有一定的对流传热强化作用。清洗螺旋采用不锈钢丝制造，钢丝直径1.6～3.0mm；清洗螺旋的外径比加热管内径小3.0～7.0mm，清洗螺旋的螺距25～55mm。

机头室的上方有淋降筛板，主要功能是对进入各加热管的料液量能够实施初步均布，其次是安装耦合弹簧的固定板。淋降筛板上开设的耦合弹簧组装孔位，与下方的加热管一一对应，孔径3～6mm。淋降筛板上均布开设的淋降孔的孔径8～15mm,料液中悬浮的固体物含量高者取其较大值；淋降孔的总面积按加热管流通总面积的3～10％计算，加热管内设计流量较大和料液中悬浮的固体物含量高者取其较高的比例。

蒸发器生产运行时，循环泵来的料液，从顶部进入蒸发器后，先经过淋降筛板均布，再淋降到下方的机头室内，通过波流阀流到加热管内，在螺旋片的导流下实现入口段的周向成膜。向下流动过程中，频繁地受到清洗螺旋时断时续的螺旋导流作用，不仅实现了自上而下全管程的周向成膜、避免干壁的目的，而且螺旋导流后液膜相对于加热管内壁的流动速度的加大和扰流，又有管内侧对流传热强化的作用，有利于降膜蒸发效率的进一步提高。

蒸发器生产运行时，加热管内的截面平均流速虽然很低，通常只有0.1～0.2(m/s)，但是实际的液膜流动大多是1.5(m/s)以上的高流速。因此，清洗螺旋承受液膜流动的冲击作用力比较大，其大小近似正比于加热管内的流量大小和加热管的长度。

当波流阀的小管段位于加热管口时，耦合弹簧是伸长量比较小时，耦合弹簧对清洗螺旋的拉力也比较小，但此时通过波流阀的流量相反却比较大，清洗螺旋受到的液膜冲击力会逐渐增大，自然会自动地拉动波流阀下移。当波流阀下移到大管段进入加热管口后，耦合弹簧的伸长量变大了，耦合弹簧对清洗螺旋的拉力也变大，但此时通过波流阀的流量相反却变得比较小了，清洗螺旋受到的液膜冲击力相应的也逐渐减小，又会自动地拉动波流阀上移。波流阀如此自动地上下往复运动，周期性地交替变化加热管内的流量，带动清洗螺旋大行程的上下往复运动、正反方向的慢速自转和频繁地径向振动，实施自动清洗，成功地控制管内壁污垢厚度，达到大幅度、甚至成倍提高降膜蒸发效率的目标。

附图说明

图1为本发明一实施例中的波流阀自动清洗式竖管降膜蒸发器的总体结构示意图；

图2为本发明一实施例中的波流阀结构示意图；

图3为本发明一实施例中的波流阀剖视结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，以下结合附图及实施例，对本发明的技术方案进行进一步详细说明，显而易见地，下面描述仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的实施例。

下面结合附图1、图2、图3，对本发明作进一步详细的描述。

图中的：1淋降筛板 2圆钢 3筛板堰 4耦合弹簧 5视镜手孔 6波流阀 7机头室 8清洗螺旋 9加热管 10加热室 11加热蒸汽管 12档液板 13二次蒸汽口 14完成液 15底室16循环泵 17进料管 18档液管段 19下行卡 20径流槽 21大管段 22小管段 23螺旋片 24平衡管 25挂杆

波流阀自动清洗式竖管降膜蒸发器，主要部件有波流阀6、耦合弹簧4、清洗螺旋8、加热管9、机头室7、加热室10、底室15、淋降筛板1、循环泵16。

波流阀6、耦合弹簧4和清洗螺旋8组成加热管9内污垢的自动清洗机构。波流阀6和耦合弹簧4组成自动清洗机构的机头，清洗螺旋8是污垢清洗的工作元件。

波流阀6自上而下有档液管段18、大管段21、小管段22和螺旋片23。大管段21与小管段22是波流阀6实现流量大小交替变化的功能段。波流阀6上下运动过程中，大管段21与小管段22在不同的时段里，与加热管9进口段内壁之间构成的入口截面大小的交替变化，使得进入加热管9内的流量大小和作用在清洗螺旋8上的冲力大小也跟随交替变化，以此引发耦合弹簧4伸缩，带动波流阀6—清洗螺旋8的整个自动清洗机构的上下运动和慢速的正反方向自转以及频繁的径向振动。这种清洗运动的快慢和强度变化有显著的随机性，上下行程为30～300mm，正反方向的自转角度为150°～1000°，周期同为3～15秒次；径向振动每分钟100～300次。这种上下往复运动擦洗、正反方向的自转擦洗和频繁的径向振动对加热管9内壁的敲击，达到了自动清洗的目标。波流阀6除了是进入加热管9的流量大小交替变化的核心功能外，还有使进入各加热管9内流量均布的重要作用，原理是靠蓄积在管板上的液面近似为水平面、因而每个加热管9入口流都有大体相同的一个静压差。

进入蒸发器的总流量，按加热管9内充满截面的平均流速0.05～0.25(m/s)设计，对自动清洗功能要求强者，选择较高的设计流速。大管段21的外径D2与加热管9内径D0之间的入口截面积大小，按平均流速0.5～1.0(m/s)设计；小管段22的外径D3与加热管9内径D0之间的入口截面积，按平均流速0.3～0.6(m/s)设计。对自动清洗功能要求强者取其较高值。

大管段21的H2和小管段22的H3的长度，分别控制着小流量时段和大流量时段的时间长短，直接影响清洗螺旋8往复行程的大小。两者的长度范围均为为60～180mm，自动清洗功能要求高者取值也高，加热管9长度愈大取值也愈大。

大管段21的上部设计有下行卡19，是波流阀6向下行程的最低位的限位结构。大管段21的外壁可以开设有径流槽20，用来防止料液中的结晶颗粒堵塞。径流槽20的深度和最窄处的宽度都要求大于3mm。

档液管段18的功能是波流阀6运动到最低位时，防止机头室7内积蓄的料液溢流到平衡管24内短路，恶化传热效率。档液管段18的高度H1为100～300mm，6内的设计流量愈大，高度选取也愈大。档液管段18的顶部的悬挂孔，用于与耦合弹簧4的连接组装。

螺旋片23的功能是对加热管9内的液膜流动实施导流周向均布。螺旋片23的螺旋角在15°～45°的范围内，流量愈大，螺旋角选取就愈小。螺旋片23的数量2～5片，周向均布，全部螺旋片23的周向总包角在360°左右即可。

波流阀6阀体的中心部分是上下气体贯通的压力平衡管24，用来保障机头室7内的料液能够凭借液位差自流通过波流阀6，进入加热管9。平衡管24的下部设计有悬挂清洗螺旋8的挂杆25。

耦合弹簧4是给波流阀6和清洗螺旋8能够自动向上运动提供回复力的动力元件。采用不锈钢弹簧钢丝制造。弹性系数要求60～200(N/m)，加热管9愈长，取值愈高；自动清洗的行程要求较大，取值较低。耦合弹簧4的结构参数设计，须进行疲劳寿命校核计算。

加热管9内安装的清洗螺旋8主要是自动清洗元件，也是全管程避免干壁的液膜周向均布元件，还有一定的对流传热强化作用。清洗螺旋8采用不锈钢丝制造，钢丝直径1.6～3.0mm；清洗螺旋8的外径比加热管内径小3.0～7.0mm，清洗螺旋8的螺距25～55mm。

机头室7的上方有淋降筛板1，主要功能是对进入各加热管9的料液量能够实施初步均布，其次是安装耦合弹簧4的固定板。淋降筛板1上开设的耦合弹簧4组装孔位，与下方的加热管9一一对应，孔径3～6mm。淋降筛板1上均布开设的淋降孔的孔径8～15mm,料液中悬浮的固体物含量高者取其较大值；淋降孔的总面积按加热管9流通总面积的3～10％计算，加热管9内设计流量较大和料液中悬浮的固体物含量高者取其较高的比例。

蒸发器生产运行时，循环泵16来的料液，从顶部进入蒸发器后，先经过淋降筛板1均布，再淋降到下方的机头室7内，通过波流阀6流到加热管9内，在螺旋片23的导流下实现入口段的周向成膜。向下流动过程中，频繁地受到清洗螺旋8时断时续的螺旋导流作用，不仅实现了自上而下全管程的周向成膜、避免干壁的目的，而且螺旋导流后液膜相对于加热管9内壁的流动速度的加大和扰流，又有管内侧对流传热强化的作用，有利于降膜蒸发效率的进一步提高。

蒸发器生产运行时，加热管9内的截面平均流速虽然很低，通常只有0.1～0.2(m/s)，但是实际的液膜流动大多是1.5(m/s)以上的高流速。因此，清洗螺旋8承受液膜流动的冲击作用力比较大，其大小近似正比于加热管9内的流量大小和加热管9的长度。

当波流阀6的小管段22位于加热管9入口时，耦合弹簧4的伸长量比较小，耦合弹簧4对清洗螺旋8的拉力也比较小，但此时通过波流阀6的流量却比较大，清洗螺旋8受到的液膜冲击力会逐渐增大，自然会自动地拉动波流阀6下移。当波流阀6下移到大管段21进入加热管9口后，耦合弹簧4的伸长量变大了，耦合弹簧4对清洗螺旋8的拉力也变大，但此时通过波流阀6的流量相反却变得比较小了，清洗螺旋8受到的液膜冲击力相应的也逐渐减小，又会自动地拉动波流阀6上移。波流阀6如此自动地上下往复运动，周期性地交替变化加热管9内的流量，带动清洗螺旋8大行程的上下往复运动、正反方向的慢速自转和频繁地径向振动，实施自动清洗，成功地控制管内壁污垢厚度，达到大幅度、甚至成倍提高降膜蒸发效率的目标。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.波流阀自动清洗式竖管降膜蒸发器，主要部件有波流阀(6)、耦合弹簧(4)、清洗螺旋(8)、加热管(9)、机头室(7)、加热室(10)、底室(15)、淋降筛板(1)、循环泵(16)，其特征在于：波流阀(6)自上而下由档液管段(18)、下行卡(19)、径流槽(20)、大管段(21)、小管段(22)、螺旋片(23)、平衡管(24)、挂杆(25)构成，大管段(21)与小管段(22)是波流阀(6)实现流量大小交替波动变化的功能段，螺旋片(23)的功能是对加热管(9)内的液膜流动实施导流周向均布，档液管段(18)的功能是防止机头室(7)内积蓄的料液溢流到平衡管(24)内短路，平衡管(24)使得加热管(9)与机头室(7)上下蒸汽贯通压力平衡，挂杆(25)用来悬挂清洗螺旋(8)，径流槽(20)用来防止料液中的结晶颗粒堵塞，下行卡(19)是波流阀6向下行程的最低位的限位结构；波流阀(6)、耦合弹簧(4)和清洗螺旋(8)组成加热管(9)内污垢的自动清洗机构，波流阀(6)和耦合弹簧(4)组成自动清洗机构的机头，清洗螺旋(8)是污垢清洗的工作元件；波流阀(6)的大管段(21)外径、小管段(22)外径与加热管(9)进口段内壁之间的入口截面积大小变化，来实现流量大小的交替变化，以此带动清洗螺旋(8)产生行程为30～300mm的上下运动、正反方向150°～1000°的自转和频繁的径向振动，进行自动清洗；进入蒸发器的总流量，按加热管(9)内充满截面的平均流速0.05～0.25m/s设计，对自动清洗功能要求强者，选择较高的设计流速；大管段(21)的外径D2与加热管(9)内径D0之间的入口截面积，按截面平均流速0.50～1.0m/s计算，小管段(22)的外径D3与加热管(9)内径D0之间的入口截面积，按截面平均流速0.30～0.6m/s计算；大管段(21)的轴向长度H2和小管段(22)的轴向长度H3的长度范围均为60～180mm，自动清洗功能要求强者取较高值，加热管(9)长度愈大取值也愈大；耦合弹簧(4)是给波流阀(6)和清洗螺旋(8)能够自动向上运动提供回复力的动力元件，采用不锈钢弹簧钢丝制造，弹性系数要求60～200N/m，加热管(9)愈长，取值愈高，自动清洗的行程要求较大，取值较低。

2.根据权利要求1的波流阀自动清洗式竖管降膜蒸发器，其特征在于：加热管(9)内安装的清洗螺旋(8)主要是自动清洗元件，也是全管程避免干壁的液膜周向均布元件，还有一定的对流传热强化作用；清洗螺旋(8)采用不锈钢丝制造，钢丝直径1.6～3.0mm；清洗螺旋(8)的外径比加热管(9)内径小3.0～7.0mm，清洗螺旋(8)的制造螺距的25～55mm。

3.根据权利要求1的波流阀自动清洗式竖管降膜蒸发器，其特征在于：波流阀(6)的螺旋片(23)的功能是对加热管9内的液膜流动实施周向导流均布，螺旋片(23)的螺旋角在15°～45°的范围内，流量愈大，螺旋角选取就愈小；螺旋片(23)的数量2～5片，周向均布，全部螺旋片(23)的周向总包角在360°左右即可。

4.根据权利要求1的波流阀自动清洗式竖管降膜蒸发器，其特征在于：大管段(21)的外壁开设有径流槽(20)，径流槽(20)的深度和最窄处的宽度都要求大于3mm。

5.根据权利要求1的波流阀自动清洗式竖管降膜蒸发器，其特征在于：机头室(7)上方设有淋降筛板(1)，淋降筛板(1)上均布开设的淋降孔的孔径8～15mm,料液中悬浮的固体物量多者取其较大值；淋降孔的总面积按加热管(9)流通总面积的3～10％计算，加热管(9)内设计流量较大和料液中悬浮的固体物量多者取其较高的比例。