CN113056648A - 用于处理诸如海水的进料的板式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于处理进料的板式换热器。板式换热器包括形成交替的第一和第二板间隙的板组。每个第一板间隙限定冷凝区段，该冷凝区段限定上边界、下边界、入口和出口。每个换热板设有在相反的方向上延伸的峰和谷。冷凝区段限定延伸在上边界和出口之间的距离的至少一部分的通道。在通道外每个换热板的峰延伸到接触平面，以允许相对的换热板在接触平面中在接触点处邻接，而在通道内每个换热板的峰与接触平面间隔开，以在通道中阻止在相对的换热板之间的接触。

Description

用于处理诸如海水的进料的板式换热器

技术领域

本发明涉及处理诸如海水的进料的板式换热器、换热板和方法。

背景技术

自从多年前就已经生产了用于海水脱盐的设备，其中换热板中的一个或多个板组形成该过程中的主构件。可在国际申请WO 2006/104443 A1(转让给阿法拉伐股份有限公司(Alfa Laval Corporate AB))中找到这样的用于脱盐的板式换热器的一个示例。该换热器具有定位在换热板的板间隙中的蒸发区段、分离区段和冷凝区段。上文所提及的换热器的优点是：它不需要任何容器，因为在板组的板间隙中执行海水的全部处理，即蒸发、分离和冷凝发生在相同的板组中。这允许紧凑的设计。

此类换热器通过在蒸发区段中蒸发进料(典型地为海水)、在分离区段中将进料分离成蒸发的进料和盐水液滴并且在冷凝区段中将蒸发的进料冷凝成冷凝的进料来操作。蒸发、分离和冷凝以连续过程同时发生，并且冷凝的进料经由定位在冷凝区段的下区域中的出口从冷凝区段连续地移除。

在WO 2006/104443 A1中所描述的技术仅使用单级。然而，可通过使用多级来改善换热器的效率。在尚未公开的专利申请号为EP 18176540.5的欧洲专利申请中找到了用于脱盐的多级换热器的示例。多级换热器利用从第一级的冷凝区段获得的能量以用于蒸发在相同板组中的接续级的蒸发区段的进料。下文所描述的技术可用在单级和多级脱盐装置两者中。

换热板组包括具有基本上相同尺寸的多个换热板，所述多个换热板典型地沿水平方向面对面地接连地放置。板形成波纹，即峰和谷。峰和谷在相反的板上相反地定向并且一起限定交叉形状图案以通过提高板的表面面积且通过促使板间隙中的流成为湍流来提高通过板的热传递。每个换热板基本上限定换热器组的全高度和宽度，并且水平方向构成换热器组的深度。换热板的边缘相互密封以在板之间建立平行的板间隙。

换热板限定不同类型的表面，并且在面向彼此组装时，以交替的顺序提供两类板间隙(即第一和第二板间隙)，即第一板间隙邻近两个第二板间隙定位，当然除了沿水平方向的第一和最后板间隙。典型地，换热板由导热的耐腐蚀的材料诸如不锈钢、铝或钛制成。这允许穿过板的热接触，由此阻止流体混合。

典型地构成海水的进料被引入到蒸发区段中，在该蒸发区段中至少部分进料被蒸发。进料的蒸发的部分被引导到分离区段，该分离区段将蒸发的进料与构成未蒸发的进料的剩余部分分离。分离区段典型地包括棒、杆或波纹等，未蒸发的进料被捕获在所述棒、杆或波纹上并且被引导离开分离区段。然后，蒸发的进料被引导到冷凝区段，在该冷凝区段中在换热板的相反侧上使用冷却流体来使蒸发的进料冷凝。冷凝的进料(典型地为淡水)被引导离开换热器组。冷却流体典型地为液体，诸如自然凉水，优选地为海水。备选地，可使用其它冷却介质。

已经意识到的是，进料的蒸发的部分还典型地包括少量的不可冷凝的气体。不可冷凝的气体可包括未冷凝的蒸气和/或存在于进料中的惰性气体。不可冷凝的气体作为蒸发的进料的一部分进入冷凝区段。蒸发的进料将以连续的过程进入冷凝区段，冷凝成液体，形成液滴并且经由位于冷凝区段的下区域中的出口流出冷凝区段。然而，不可冷凝的气体(其按照定义不能在存在于冷凝区段中的压力和温度下冷凝成液体)相反地将聚集在冷凝区段的上区域中。在上区域中不存在出口，那么不可冷凝的气体将作为冷凝的进料通过下区域中的相同出口排出。在本文的上下文中，冷凝区段的上区域和下区域应该关于在操作期间板组的常规的定向来理解。重力将导致具有低密度的蒸气和气体朝向上区域移动，而具有更高密度的液体和液滴将向下朝向下区域移动。

因为冷凝区段的出口定位在下区域中并且典型地定位在冷凝区段的最下点处以便有效地提取冷凝的液体，所以存在未冷凝的气体长时间保持在上区域中的风险。意在增加热传递的换热板的峰和谷的交叉形状图案将对于未冷凝的气体形成流阻。因此，未冷凝的气体可保持在上区域中，并且占用本可用于使进料的蒸发的部分冷凝的空间。因此，未冷凝的气体在上区域中的聚集使蒸发的进料的冷凝不太有效。

因此，本发明的目标是避免不可冷凝的气体在冷凝区段的上区域中的聚集。

发明内容

根据第一方面，本发明涉及用于处理进料的板式换热器，该板式换热器包括板组，该板组包括多个换热板，所述多个换热板以连续的顺序布置以形成交替的第一和第二板间隙，每个第一板间隙限定用于冷凝蒸发的进料的冷凝区段，每个冷凝区段限定上边界、下边界、用于将蒸发的进料在上边界和下边界之间引入到冷凝区段中的入口和用于在下边界处从冷凝区段移除冷凝的进料的出口，每个换热板在冷凝区段中设有波纹以形成在相反的方向上延伸的峰和谷，相对的换热板的峰在第一板间隙中形成交叉形状图案，由此冷凝区段限定延伸在上边界和出口之间的距离的至少一部分的通道，在通道外每个换热板的峰延伸到接触平面，以允许相对的换热板在接触平面中在接触点处邻接，而在通道内每个换热板的峰与接触平面间隔开，以在通道中阻止相对的换热板之间的接触。

由于在板的相反侧处与冷凝区段相反定位的另外流体的低温，进入冷凝区段的蒸发的进料将冷凝。板的另一侧上的流体因而吸收冷凝的热量，并且蒸发的进料将形成液滴，所述液滴将朝向出口向下流动。在另一方面，不可冷凝的气体将倾向于保持在冷凝区段的上区域中。波纹的交叉形状图案由相对的峰和谷形成，所述相对的峰和谷具有相反的方向并且因此通过使每隔一个板关于竖直轴线翻转来一起形成交叉波纹状图案。峰延伸到第一距离，并且相对的峰在接触平面中接触点处邻接。然而已经发现，换热板的交叉形状图案对于不可冷凝的气体穿过在冷凝区段的下区域中的出口的排出形成阻碍。

通过形成延伸在冷凝区段的上边界和下边界处的出口之间的距离的至少一部分的通道，不可冷凝的气体将更容易排出，因为没有阻碍阻止气体穿过出口流出。通道允许在冷凝区段的上区域中的不可冷凝的气体在未受阻碍的通道中流向出口。

通过使峰在通道中延伸较短的距离来形成通道，并且由于形成在波纹状板的峰中的缺口，所述峰在通道中不到达接触平面。由此在通道处阻止了在相对的板之间的任何接触，并且在通道中实现了更大的、不太受阻碍的流道。接触平面限定在板间隙的中心处。因此，在否则将由相对的峰阻碍的位置处相对的板将在本身之间形成间隔。相比于冷凝区段，通道应该为窄的，以便保持热传递和湍流，并且阻止换热器的结构稳定性的降低。通道将阻止不可冷凝的气体被捕获在冷凝区段的上区域和出口之间。

根据第一方面的另一实施例，板组限定在第二板间隙中定位在冷凝区段之间的冷却区段，冷却区段适于处理冷却流体。由于与冷凝区段相反定位的冷却区段中的冷却流体的低温，进入冷凝区段的蒸发的进料将冷凝，并且形成将朝向出口向下流动的液滴。因此冷却流体被加热。在一级换热器中，冷却流体可为海水，然而在多级换热器中，冷却区段可为另一级的蒸发区段。

根据第一方面的另一实施例，通道从邻近上边界(优选地与入口相反)的位置延伸。有利地，通道从上边界延伸，因为不可冷凝的气体由于重力将朝向上边界聚集。优选地使入口和通道之间的距离最大化，从而减少使可冷凝的蒸发的进料经由通道流出而未液化的风险。

根据第一方面的另一实施例，通道延伸上边界和出口之间的距离的至少50%，通道优选地延伸在上边界和出口之间距离的75%至100%。有利地，通道至少基本上延伸到出口，因为在上区域和出口之间对于不可冷凝的气体的很少或没有阻碍将简化不可冷凝的气体的排出。通道应该延伸冷凝区段的上区域和出口之间的距离的至少较大部分，以便有效地移除不可冷凝的气体。

根据第一方面的另一实施例，通道基本上是笔直的。笔直的通道将在其本身中形成较小的流阻，并且因此为可优选的，因为它将允许不可冷凝的气体更容易地到达出口。

根据第一方面的另一实施例，在通道中，在相对的换热板的相对的谷之间的距离大约为在相对的换热板的相对的峰之间的距离的两倍。形成通道的缺口优选地在板中形成半个平面，即板在通道处的冲压深度在峰和谷之间。以此方式，在通道的位置处在两个板间隙中在相对的板之间大约相同的空间，即在与冷凝区段相反定位的冷却区段中。

根据第一方面的另一实施例，板间隙另外包括蒸发区段和分离区段，该蒸发区段由加热体积加热，其布置成允许进料的至少一部分蒸发，该分离区段布置成将未蒸发的进料与蒸发的进料分离，该分离区段与冷凝区段连通以用于将蒸发的进料供给到入口。以该种方式，可实现用于脱盐的3合1板组，在其中蒸发、分离和冷凝发生在相同的板组中。

根据第一方面的另一实施例，另一过程级的蒸发区段与冷凝区段相反定位。以该种方式，可实现用于脱盐的多级板组。通过冷凝回收的能量被传递到其它过程级的蒸发区段的进料，并且用于蒸发该进料。

根据第一方面的另一实施例，换热板为压缩模制(compression moulded)的。以此方式，板的表面结构可被制成波纹状的以增加表面面积并且从而增加热传递。

根据第一方面的另一实施例，上边界和下边界由密封垫形成，优选地，除了在入口和出口的位置处，冷凝区段由密封垫环绕地包封。通过使用密封垫，例如橡胶密封垫，可恰当地密封板组，同时仍然允许板组的单独换热板容易地分开，即允许移除多个换热板中的一个以用于清洁和/或保养。此外，密封垫的使用消除了对于用于容纳板的箱体的需要。

根据第一方面的另一实施例，入口和出口设置在冷凝区段的相反的端部处。以此方式，冷凝区段中允许冷凝蒸发的进料的板面积最大化。

根据第一方面的另一实施例，出口在中心定位在板组中。

以此方式，入口可定位在板的相反的端部处，以便允许端口孔关于中心出口对称。

根据第一方面的另一实施例，通道的宽度大于邻近的峰之间的距离。

通道应当为细长的，即宽度应当被限制成在板上的两个邻近的峰之间的距离。

根据第一方面的另一实施例，在相对的换热板之间在通道内，峰将主要地与谷相反地定位。

这意味着将不会由于提供通道而损失接触点。

根据第二方面，本发明涉及一种用于为处理进料所用的板式换热器的板，所述板限定用于冷凝蒸发的进料的冷凝区段，该冷凝区段限定上边界、下边界、用于将蒸发的进料在上边界和下边界之间引入到冷凝区段中的入口和用于从冷凝区段移除冷凝的进料的出口，换热板在冷凝区段中设有波纹以形成在相反的方向上延伸的峰和谷，由此该冷凝区段限定延伸在上边界和下边界之间的距离的至少一部分的通道，峰在该通道外延伸到接触平面，而在该通道内峰与接触平面间隔开。

优选地，根据第二方面的板与第一方面的板式换热器一起使用。

附图说明

图1示出了用于脱盐的多级换热器板的主视图。

图2示出了板的特写主视图。

图3示出了板在通道处的特写透视图。

图4示出了板在通道处的特写截面图。

图5示出了两个相反的板在通道处的特写截面图。

具体实施方式

图1示出了用于脱盐的多级换热器的板10的一侧。端口12是用于冷却介质的入口，并且端口14是用于冷却介质的出口。此外，端口16是用于加热介质的入口，并且端口18是用于加热介质的出口。蒸发发生在与加热区段20相反的相反的板间隙中的蒸发区段中(因此蒸发区段在此是不可见的)。蒸发的蒸气流动到定位在第二板间隙中的蒸发区段之上(并且定位在第一间隙中的加热区段之上)的分离区段22，并且经由孔24a/b穿过板10流动到第一板间隙。因此孔24a确保蒸发的进料到达板10的两侧，然而孔24b在该处将蒸气引导到间隙中，在该间隙中在冷凝区段28中发生冷凝。未蒸发的进料经由浓缩物出口端口26流出。未蒸发的进料在脱盐装置中构成盐水，但是备选地可构成产品浓缩物，诸如果汁浓缩物。

冷凝区段28热连接到定位在板10的相反的第二侧上的第二级的蒸发区段。冷凝的淡水经由出口端口30离开冷凝区段28。密封垫32由粗黑线代表，并且作用为在区段之间的不透流体屏障，并且还使板相对于彼此和板组的周围密封。

在与冷凝区段28相反的蒸发区段中也正发生蒸发。蒸发的蒸气穿过第二级的分离区段22'流动到与冷却区段34相反的第二级的冷凝区段，在该冷凝区段中蒸气冷凝成水。淡水经由端口30'离开该冷凝区段。第二级的冷凝区段也可像第一级那样设有通道。

尽管本实施例描绘了多级换热器，但是对于本领域技术人员显而易见的是，本技术对于单级换热器也是有用的。在单级换热器中，冷凝区段不与另一级的蒸发区段相反，而是与冷却区段相反，在该冷却区段中类似于本实施例的第二级处理冷却流体。

图2示出了包括冷凝区段28的板10的特写图。冷凝区段28限定峰和谷的波纹状图案以用于优化在板10的相对的板间隙之间的热传递。当将两个板以相对的关系安装时，峰和谷形成交叉形状图案，在其中相对的峰邻接。淡水出口端口30定位在冷凝区段28的底部处。蒸发的进料(例如蒸气)进入冷凝区段28并且被冷凝成液体，因为其由在板10的相反侧上的流体冷却。因此形成的液滴将聚集并且流向出口端口30。

除了水蒸汽，蒸发的进料还包括不可冷凝的气体，诸如O₂、CO₂、N₂等。这些气体也将与冷凝的进料一起经由出口端口30移除。然而，换热板的交叉形状图案可形成流阻，进而阻止不可冷凝的气体从冷凝区段28的上区域移除。不可冷凝的气体可因此聚集在上区域中。这样的聚集的不可冷凝的气体占用冷凝区段28中的空间，该空间不可被用于进料冷凝以及在相反侧上的蒸发，并且因此使板10不太有效。

通过在冷凝区段28的上部分和出口端口30之间在峰中结合形成为缺口36的通道，对于不可冷凝的气体的流阻将减小，并且不可冷凝的气体在上区域中聚集的风险将减小。板10的冷凝性能将因此增加。

在本视图中，热传递发生在冷凝区段28和相对的蒸发区段之间，然而，同样可行的是，在冷凝区段与冷却区段相对的构造中(诸如在单级板组中)采用通道。

图3示出了板10在通道处的特写透视图，其示出波纹状冷凝区段的部分。波纹形成峰38和谷40。通道由在邻近的峰38中的缺口36a/b/c形成，从而形成笔直的通道。

图4示出了板10的特写截面图。峰38中的缺口36的深度在此示出为在峰38和谷40之间的总冲压深度的一半，然而，取决于在上区域和出口之间的流阻，可选择在峰38和谷40之间的深度之间的任何其它冲压深度。缺口36的宽度也可变化。宽的通道将减少流阻，然而，优选地通道保持尽可能小以用于允许在板之间的更好的热传递。

图5示出了两个相对的板10/10'的特写截面图。峰38/38'在交叉波纹状图案中邻接，而谷40/40'在本身中间形成间隔。缺口36/36'允许在板10/10'之间形成通道36''，其中峰38/38'通常将延伸到邻接的平面。优选地，两个板的峰设有缺口，然而，可行的是，板中的仅一个设有缺口。由缺口形成的通道优选地形成直线。

对于本领域技术人员显而易见的是，对于以上实施例的大量改型是可能的。

Claims (15)

1.一种用于处理进料的板式换热器，所述板式换热器包括板组，所述板组包括多个换热板，所述多个换热板以连续的顺序布置以形成交替的第一和第二板间隙，每个第一板间隙限定用于冷凝蒸发的进料的冷凝区段，每个冷凝区段限定上边界、下边界、用于将蒸发的进料在所述上边界和所述下边界之间引入冷凝区段中的入口和用于在所述下边界处从所述冷凝区段移除冷凝的进料的出口，每个换热板在所述冷凝区段中设有波纹以形成在相反的方向上延伸的峰和谷，相对的换热板的峰在所述第一板间隙中形成交叉形状图案，由此所述冷凝区段限定延伸所述上边界和所述出口之间的距离的至少一部分的通道，在所述通道外每个换热板的峰延伸到接触平面，以允许相对的换热板在所述接触平面中在接触点处邻接，而在所述通道内每个换热板的峰与所述接触平面间隔开，以在所述通道中阻止在相对的换热板之间的接触。

2.根据权利要求1所述的板式换热器，其特征在于，所述板组限定在所述第二板间隙中定位在所述冷凝区段之间的冷却区段，所述冷却区段适于处理冷却流体。

3.根据前述权利要求中任一项所述的板式换热器，其特征在于，所述通道从邻近所述上边界优选地与所述入口相反的位置延伸。

4.根据前述权利要求中任一项所述的板式换热器，其特征在于，所述通道延伸所述上边界和所述出口之间的距离的至少50%，所述通道优选地延伸所述上边界和所述出口之间的距离的75%至100%。

5.根据前述权利要求中任一项所述的板式换热器，其特征在于，所述通道基本上是笔直的。

6.根据前述权利要求中任一项所述的板式换热器，其特征在于，在所述通道中，在相对的换热板的相对的谷之间的距离大约为在相对的换热板的相对的峰之间的距离的两倍。

7.根据前述权利要求中任一项所述的板式换热器，其特征在于，板间隙此外包括蒸发区段和分离区段，所述蒸发区段由加热体积加热，其布置成允许所述进料的至少一部分蒸发，所述分离区段布置成将未蒸发的进料与蒸发的进料分离，所述分离区段与所述冷凝区段连通以用于将蒸发的进料供给到所述入口。

8.根据前述权利要求中任一项所述的板式换热器，其特征在于，另一过程级的蒸发区段与所述冷凝区段相反地定位。

9.根据前述权利要求中任一项所述的板式换热器，其特征在于，所述换热板为压缩模制的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的板式换热器，其特征在于，所述上边界和所述下边界由密封垫形成，优选地，除了所述入口和出口的位置处，所述冷凝区段由密封垫环绕地包封。

11.根据前述权利要求中任一项所述的板式换热器，其特征在于，所述入口和出口设置在所述冷凝区段的相反的端部处。

12.根据前述权利要求中任一项所述的板式换热器，其特征在于，所述出口在中心定位在所述板组中。

13.根据前述权利要求中任一项所述的板式换热器，其特征在于，所述通道的宽度大于邻近的峰之间的距离。

14.根据权利要求13所述的板式换热器，其特征在于，在相对的换热板之间在所述通道内，峰将主要地与谷相反地定位。

15.一种用于为处理进料所用的板式换热器的板，所述板限定用于冷凝蒸发的进料的冷凝区段，所述冷凝区段限定上边界、下边界、用于将蒸发的进料在所述上边界和所述下边界之间引入到所述冷凝区段中的入口和用于从所述冷凝区段移除冷凝的进料的出口，换热板在所述冷凝区段中设有波纹以形成在相反的方向上延伸的峰和谷，由此所述冷凝区段限定延伸在所述上边界和所述下边界之间的距离的至少一部分的通道，在所述通道外所述峰延伸到接触平面，而在所述通道内所述峰与所述接触平面间隔开。

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