CN1334753A - 旋转板式流体蒸发器和冷凝器 - Google Patents

Abstract

一种用于蒸馏液体、例如水的蒸发－冷凝单元,包括若干布置在箱体(202)内的间隔叠放的板(210)。这些板绕一个公共旋转竖轴线(A－A)水平地布置,相邻板限定了它们相对表面(228)之间的空间,这些空间交替地形成蒸发室(230)和冷凝室(232)。一个出口管(214)将箱体内产生的蒸汽传到压缩机(110),一个进口管(218)将压缩后的蒸汽传给冷凝室。一个盛装要被蒸馏液体的储液槽(226)布置在箱体的底部,一个转动部件(234)延伸进储液槽,将要被蒸馏的液体驱至静止的给液管(238),液体由此被供入内外端开放的蒸发室。每个板还包括至少一个开口,用来将压缩蒸汽供入内外端封闭的冷凝室并从冷凝室中抽出冷凝液。这些开口相互配合形成一个连通各冷凝室、但与相邻蒸发室隔离的大致垂直的流体流道(F)。一个静止的弯头管(250)将在冷凝室内产生的冷凝液排出。

Description

旋转板式流体蒸发器和冷凝器

发明背景

本发明涉及蒸馏系统，更具体地讲，涉及用于蒸汽压缩蒸馏器中的一种改进的、高效的旋转式蒸发器和冷凝器。

蒸馏是从其它不安全水源(如海水和被污染的地下水)获得引用水的常用方法。在蒸馏过程中，水被加热到沸腾，所得的蒸汽(如水蒸汽)被收集和冷凝，产生蒸馏水。当水变成汽相时，在水源中的许多污染物就被留了下来。常规的小型蒸馏器通常使用电加热元件使水箱中的水沸腾。在水箱上部安装冷凝盘管收集蒸汽并冷凝之。然后将蒸馏水送到储水箱或槽。然而，这些沸腾型蒸馏器为生产较少量的蒸馏水要求足够多的电能，效率非常低。过程也非常缓慢，经常为生产几加仑的蒸馏水而花费数小时。因此，沸腾型蒸馏器没有得到广泛的认可和应用。

除了沸腾型蒸馏器外，还提出过薄膜蒸馏器。比如，Peterk等人的名为“多工作段薄膜蒸馏系统和工艺”的美国专利No.4,402,793公开了一种太阳能动力的薄膜蒸馏器。在4402793专利的蒸馏器中，若干平行、间隔布置的板面向太阳。要被蒸馏的水从这些板的顶部引入，并沿着每个板的背面向下流动。太阳光照射第一个板的前面，加热板并使背面向下流动的水部分蒸发。蒸汽沿下一相邻板的前面冷凝，将热量传至背面的水流，并依此类推。在板的前面产生的冷凝液分别被收集在板的底部。

为改进薄膜蒸馏器的效率，还设计出旋转式蒸发器。比如，Porter等人的名为“蒸发器”的美国专利No.4,731,159公开了一种旋转式蒸发器，它具有若干水平叠放的环形板，它们布置在一个箱体内并延一个中心轴转动。交替成对板的边缘被封闭，形成密闭空间。每个封闭空间包括两个面对的内表面和每个内表面背面的两个外表面。进一步讲，这些封闭空间由布置在相邻外表面之间的一系列喷嘴和清洗件相互连接起来。准备蒸馏的液体被引入叠放的旋转环型板中，并通过入口进入每个封闭空间。液体进入后，沿空间相对的内表面流动。可冷凝的蒸汽进入箱体，在板的外表面自由地流动。当然，蒸汽不能进入封闭空间。由于封闭空间内液体的温度低于蒸汽的温度，蒸汽沿板的外表面冷凝。冷凝液被甩出旋转板，聚集在箱体内，并通过箱体底部的出口排出。蒸汽的冷凝使热量通过板传给液体，造成封闭空间内的部分液体蒸发。蒸汽从液体进口流出封闭空间，并从箱体的上部排出。留在空间中的所有未蒸发液体通过相应的喷管/清洗装置沿封闭空间向上流动，也从蒸发器的顶部排出。

尽管具有一些优点，但4731159中蒸发器的设计存在冷凝液被蒸发液体污染的基本风险，这样就不适合生产饮用蒸馏水。换句话说，使用该专利的蒸发器时，被蒸馏的不安全水可能与蒸馏水相混合并污染之。比如，封闭空间的任何泄漏将使封闭空间内的液体进入箱体并与收集在那里的蒸馏液混合。进一步说，由于水源腐蚀的影响以及在该专利的蒸发器中使各封闭空间流体连通所需的大量喷管和清洗件也会使上述情况发生。

我们知道，可对液体蒸发板表面进行某种亲水处理。也就是说，这些板表面被理想地处理成对要蒸发的液体有很强的亲和力，使液体能附着在整个表面上(而不是简单地形成窄窄的液流)。已知有许多公知技术用来在薄金属板上进行亲水处理。比如在4731159专利中提到其中的板可进行化学腐蚀和磨沙处理。另外，简单地使铜板氧化也能使其具有亲水的效果。其它技术还包括在板表面涂一层有机膜。利用许多这类技术，对板片分别进行处理，然后装配在一起形成蒸馏器。然而，在装配过程中，由于装配这些处理后的板所需的高温，经常使亲水处理基本上退化。比如，常规的钎焊和铜焊技术产生的温度在232.2℃(450°F)左右。

多工作段蒸馏系统也是公知的。Hickman的题为“多工作段蒸馏”的美国专利No.2,894,879公开了一种有15个垂直工作段的蒸馏器。每个工作段有一个旋转蒸发器部分和相应的冷凝部分。被蒸馏的液体从位于蒸馏器最顶层的第一级蒸发器部分引入。同样地，将一种热源、如蒸汽提供给第一工作段的冷凝器部分，用来使至少一部分液体蒸发。然后第一级蒸发器部分产生的蒸汽流到第二工作段的冷凝器部分，在此用它来加热来自第一工作段的、依次流入第二工作段蒸发器部分的剩下的液体。在第一工作段冷凝器部分产生的蒸馏液也流向第二工作段的冷凝器部分。这个过程在每一个蒸馏器的工作段重复进行。然后，将各工作段积累的蒸馏液从系统引出。为在每一个工作段中达到理想的流动，2894879专利的蒸馏器有许多转动的管段，用来连接各个蒸发器部分和冷凝器部分，并将液体喷洒到蒸发器部分的表面。因此，这个系统的制造和装配成本相对较高。另外，蒸发器部分的任何泄漏将污染相邻冷凝器部分内聚集的蒸馏液。再者，任何这类泄漏都是非常难于检测的。

我们也知道，蒸汽压缩蒸馏器比常规蒸馏器更有效率。蒸汽压缩蒸馏器所依据的原理是随着蒸汽(例如水蒸汽)压力的上升，其饱和温度也随即上升。在蒸汽压缩蒸馏器中，蒸发器产生的蒸汽被引出、压缩(饱和温度增加)并返回到蒸发器，在此被冷凝产生蒸馏液。进一步地，蒸汽(具有提高了的饱和温度)冷凝所释放出的蒸发热用来加热(并且蒸发)正在被蒸馏的液体。使用动力离心压缩机的大型蒸汽压缩蒸馏器每天能生产成百加仑的蒸馏水。然而，考虑到离心压缩机的运行费用，如果规格不够大，这些蒸馏器会使一天只需要数十加仑蒸馏水的装置不实际。

发明概要

本发明提供一种用在蒸馏器中的旋转式蒸发器和冷凝器，其优点在于减少最终冷凝液被污染的风险。

本发明提供一种易于制造的蒸发器和冷凝器。

本发明还提供一种在装配后保持其亲水特性的多工作段的蒸发器和冷凝器。

本发明总体上涉及一种用在蒸汽压缩蒸馏器中的蒸发-冷凝装置，它包括：马达、有一个压缩机进口和压缩机出口的压缩机、与马达连接使其绕转动轴线旋转的换热器，换热器包括层叠的板，它具有若干间隔开的换热板，它们沿共同的转动轴同轴对齐，每个换热板有两个板表面和相对于转轴的内外边缘，换热板限定了在其相对板表面之间交替形成的蒸发室和冷凝室，使得构成冷凝室的板表面限定了一个总体封闭的、与压缩机出口流体连通的内部冷凝空间，其中限定了冷凝室的每对换热板在其内外边缘处封闭，而限定了蒸发室的每对换热板在其内外边缘处开放，它们相互配合形成了与其限定的蒸发室相隔离、而与冷凝室和其它流道相连构成流道的流体通道，其至少一部分靠近换热板的外缘，冷凝液由此从冷凝室中排出，而向蒸发室供应液体的供液源、盛放换热器的侧壁、形成蒸发室的板表面形成了一个与压缩机进口连通的蒸发空间。

如以下描述的，本发明涉及一种用于蒸馏液体(如水)的一种改进的蒸发器-冷凝器单元。这种蒸发器-冷凝器单元包括置于箱体内的若干叠放但间隔开的换热板。这些板围绕一个公共的竖直旋转轴线水平地布置。相邻的换热板在其相对的表面之间限定了空间，这些空间交替布置成为蒸发室和冷凝室。进一步说，蒸发室内外直径的端部开放而冷凝室内外直径的端部封闭。每个板至少有一个开口用于向冷凝室导入压缩蒸汽并从冷凝室引出冷凝液。具体讲，每个板包括至少一个一般是位于外端部的开口。这些开口相互配合形成一个基本上垂直的流体流道，该流道穿过各冷凝室而与蒸发室隔离，压缩空气由此供入冷凝室，所得的冷凝液由此排出。由于冷凝液是从一个比装载着蒸馏液体的相邻蒸发室压力高的室引出，这就减少了污染冷凝液的可能。一个出口管将箱体中产生的蒸汽引向压缩机而一个进口管将压缩蒸气输送至冷凝室的流体通道。在箱体的底部有一个装载着被蒸馏液体的储液槽，一个转动部件从层叠板延伸至储液槽。第一静止弯头管也在转动部件附近伸进储液槽，该管与沿层叠板内圆端部延伸的给液管相连。给液管具有一个面向蒸发室之开放内圆端部的槽孔，第二静止弯头管延伸进最高冷凝室上部的冷凝液收集空间，从蒸发和冷凝单元引出冷凝液。

在运行中，使层叠板旋转，由此在转动部件中形成旋转的环形液池，迫使液体进入第一静止弯头管，并向上进入给液管。液体从给液管上的槽孔流出，通过开放的内圆端部进入旋转蒸发室。当液体接触每个蒸发室时，板子转动的离心力使液体加速并受到向外的力。这种加速使液体保持沿着每个蒸发室相对表面的层状流动。随着液体沿板表面流动，部分液体蒸发，蒸汽通过开放的蒸发室进入箱体。蒸汽通过出口管从箱体中排出并进入压缩机。蒸发室内留下的液体被甩出相应的板表面，碰撞在箱体的侧壁，落回储液槽。压缩后的蒸汽从进口管进入沿层叠板形成的流体流道，由此向每个冷凝室供应压缩蒸汽。压缩蒸汽沿每个冷凝室相对的表面冷凝，冷凝液被驱使至封闭的冷凝室的外端。来自各冷凝室的冷凝液通过层叠板沿流体流道向上流动，由第二静止弯头管将其引出箱体。

在其它实施例中，蒸发和冷凝单元有多个蒸发和冷凝工作段。更具体地讲，若干蒸发/冷凝工作段通常垂直叠置。每个工作段包括若干叠放的、间隔开的换热板，相邻的板限定了它们相对表面之间的空间，这些空间交替地构成蒸发室和冷凝室。蒸发室内外直径的端部开放而冷凝室内外直径的端部封闭。一个出口管将最高级工作段中产生的蒸汽引向压缩机，经压缩后回到第一级工作段。在箱体的底部有一个装载着被蒸馏液体的储液槽。单个工作段中的每个板至少有一个位于外径处的开口，用以形成通过各冷凝室的大体垂直的流道。一个第一静止弯头管在转动部件附近延伸进储液槽。第一静止弯头管与沿层叠板内端部延伸的给液管相连，给液管上具有一个面向蒸发室之开放内端部的槽孔。第二静止弯头管在第一工作段附近延伸进冷凝液收集空间，引出各工作段产生的冷凝液。在两个工作段之间有一个或多个过渡板，板上有蒸汽阱和至少一个开口。过渡板上的开口与相邻工作段上的相应开口径向在一条直线上，而轴向不重合。具体地说，过渡板上的开口布置在相邻工作段上的相应开口的外侧。多工作段单元还包括一个外壁，其位于板的外端部和箱体侧壁之间，沿着除最高级工作段之外的整个(装置)延伸；一个内壁，其位于板的内端面和转动轴之间，沿除最高级工作段之外的整个(装置)延伸。在每个工作段上至少有一个穿过外壁的开孔。

运行时，在每一工作段中的液体、蒸汽、压缩蒸汽和冷凝液的流动大体上与在单工作段中所描述的一致。比如，板子旋转使第一静止弯头管从储液槽向上吸引液体，并进入给液管传给各工作段的蒸发室。在蒸发室内，液体沿相对的表面流动并部分蒸发。除了最高级工作段外，所有蒸发室中剩下的液体不是进入箱体，而是聚集在外壁内形成环型池。环型池的液体经过开孔进入箱体回到储液槽。环型池的存在阻止了蒸发室产生的蒸汽也通过开孔进入箱体。压缩蒸汽进入第一工作段，而各工作段产生的冷凝液沿流体流道向上流动。相反，蒸汽流向在下一更高级工作段边界上的过渡板。在过渡板上，蒸汽通过开口上的敞开部分进入下一级的冷凝室。每个过渡板上的不重合开口使冷凝液能在各工作段中传递，同时阻止在给定工作段内产生的蒸汽直接地流入此工作段的冷凝室。在最高级工作段，相应蒸发室中产生的蒸汽直接进入箱体，并传送到压缩机。所有未蒸发的液体回到储液槽。每个工作段产生的冷凝液都在第一工作段由第二静止弯头管引出。

附图简要描述

下面结合附图对本发明进行描述，其中：

图1是根据本发明一个实施例的蒸汽压缩蒸馏室的概括性方块图；

图2是根据本发明一个实施例的单工作段旋转式换热器平面断面图；

图3A是换热器板的顶视图；

图3B是沿图3A的3B-3B线的一对换热板的侧视图；

图4是图2所示换热器中若干板的部分截面图；

图5是根据本发明一个实施例的多工作段旋转式换热器的平面截面图；

图6是图5所示换热器的两个工作段界面的平面截面图；

图7是图5所示多工作段旋转式换热器的过渡板的底视图；

图8是图5所示换热器的两个工作段交替界面的平面截面图；

图9A和9B是交替换热板的顶视和侧视图。

图示实施例的详细描述

图1是本发明蒸汽压缩蒸馏系统100的示意图。总体上讲，系统100包括一个用来加热被蒸馏液体如非饮用水的换热器，例如是逆流换热器102。加热过的液体由给液管106传送至蒸发和冷凝单元104。与蒸发和冷凝单元104相连的是一个提供旋转动力的马达108和一个压缩机110，压缩机用来接收单元104产生的蒸汽，压缩蒸汽并送回单元104。一个出口管112将冷凝液、例如是蒸馏水传输到储罐114。

单工作段系统

图2是图1所示的蒸发和冷凝单元104作为单工作段系统的概括性断面图。单元104包括一个箱体202，其有底板204、顶板206和侧壁208。在箱体202中水平地布置了若干层叠的换热板210，它们沿一个公共旋转中心轴A-A对齐。安装在层叠板上方、并穿过箱体202顶板206的是一个通道212，它包括一个凸缘段212a和一个管段212b。蒸汽出口管214将通道212的管段212b连接到压缩机110的进口216上。蒸汽进口管218一般是在顶板206处将箱体202与压缩机110的出口216连接起来。马达108伸出的轴222穿过出口管214，通过转动连接器224连接到通道212上。转动连接器224允许出口管214和通道212有流体传送。在箱体202的底部有接收来自给液管线106的、用来蒸馏的液体的储液槽226。

应该理解，马达108和/或压缩机110也可位于箱体202的底部或其它合适的位置。

每个板210限定两个表面228，相邻板210的相对的表面228之间限定了它们之间的空间。更进一步说，这些空间交替地形成蒸发室230和冷凝室232。图3A是最佳换热器板210的顶视图。图3B是沿图3A中3B-3B线一对板的侧视图(为清楚起见，将这对板分开了)。每一个板210相对转轴A-A有一个内圆边302和一个外圆边304。每个板210还有一个或多个开口306，如下面所描述的，它用来分配压缩蒸汽和从单元104中排出冷凝液。开口306最好靠近外圆边304布置。在最佳实施例中，每个板310有三个开口306。在每个板210的一个板表面228上围绕相应开口306延伸出开口凸台308。每个开口凸台308有一个端部表面310。

当竖向叠放布置时，这些板210(图2)沿开口306形成一个大体垂直的流道，由箭头F表示。这个流道使每个冷凝室323的液体相互连通，但与相邻的蒸发室320隔开。旋转部件234从层叠板延伸到储液槽226。旋转部件234可以是U型槽，其两个侧边大体平行于储液槽226的液体表面，利用带孔支撑臂235旋转部件234从层叠板的最下板210延伸进储液槽226。具有一个弯头236a的第一静止弯头管236也延伸进储液槽226。具体地讲，弯头236a位于U型旋转部件234侧边限定的凹处。第一静止弯头管236与一个静止供液管238相连，该供液管靠近层叠板210的内圆边302向上延伸通过层叠板210。弯头管236和或供液管238可由固定支架240固定在箱体202的底板204上。沿着供液管238的长度方向有一个面向内圆边302的槽孔238a。槽孔238a可以是连续的也可是间断的，供液管238的与弯头管236相对的一端最好是封闭的。

在与储液槽226相反方向安装到层叠板210上的是顶板242，它有一个与通过冷凝室232的流体流道保持连通的冷凝液口244。通常将一个凸缘246安装到对着层叠板210的顶板242的外圆边242a上，以便在与层叠板210相反的方向形成凸缘246与顶板242之间的收集空间248。具有一个弯头250a的第二静止弯头管250穿过箱体202的顶板206，弯头250a设置在收集空间248内。凸缘段212a和顶板242之间的通道与穿过冷凝室232的流道F相配合形成一个封闭的冷凝空间。箱体202中的层叠板210还限定了在板210内圆边内的内蒸汽收集空间252和在板210外圆边与箱体202侧壁208之间的外蒸汽收集空间254。内蒸汽收集空间252、外蒸汽收集空间254和蒸发室230共同组成与冷凝空间相隔离的蒸发空间。另外，通道212的凸缘段212a最好与顶板242相配合，在内外蒸汽收集空间252、254之间形成一个第一液体(如蒸汽)流道256。在空间252、254之间的第二液体流道由带孔的支撑臂235形成。

更进一步地说，构成每个冷凝室232的相邻的板210在其内外圆边302、304处是密封的，而构成每个蒸发室232的相邻的板210在其内外圆边302、304处是开放的。

在最佳实施例中，层叠板210是成对布置的。也就是说，一对换热板210用钎焊、焊接和铜焊等常规手段在它们的内外圆边连接形成一个封闭冷凝室232。每对连接的板210的外表面228(其最终形成相应的蒸发室230)可进行某种形式的亲水处理。比如，用等离子技术将碳氢涂层敷在外表面228上。合适的涂层可由美国马塞诸塞州的Billerica有限公司的先进表面技术获得。用来形成蒸发室230的板表面228经过处理后，相邻的两对板210可连接在一起。具体地讲，是两个相对的开口凸台308的端部表面310用焊接、铜焊、钎焊或其它适用的手段连接到一起。由于只在开口凸台308的端部表面附近进行焊接、铜焊和/或钎焊，因此板210不承受太大的热应力。在最佳实施例中，使用低温(如137.4℃或280F)钎焊技术。总之，本发明的蒸发室230在其层叠板组装之后仍能保持亲水特性，这与大多数常规的板组件不同。

应该理解，诸如粘接、插接等其它方法也可用来连接换热板210。

图4是几个叠放的板210的放大截面图，它表明了蒸发和冷凝单元104运行时的流体流型。层叠板210的旋转使U型旋转部件234的凹部形成一个环型液池。环型液池中的液体被挤入第一静止弯头管236，并被驱动向上流过供液管238，然后通过槽孔238a排出。也就是说，旋转部件234和弯头管236形成一种泵。液体被层叠板210的旋转激发。由于蒸发室230在它的内侧端是开口的，流体进入蒸发室230，还由于板210的旋转以及亲水处理，流体沿每个蒸发室230的相对的板表面形成层状流(而不是单股的流动)。如上所述，由于冷凝室232在它的内侧端是封闭的，来自供液管238的储液槽液体不会进入冷凝室232。

本领域技术人员应能理解，包括常规泵的其它结构也可以从储液槽226向蒸发室230提供液体。

如下所述，来自相邻冷凝室232的热量使沿蒸发室230中的板表面流动的部分液体蒸发形成蒸汽。由于蒸发室230的内侧端和外侧端都是开口的，蒸汽可分别流入内蒸汽收集空间252和外蒸汽收集空间254。未被蒸发的残留液体被甩出板表面228，撞到箱体202的静止侧壁208并向下流回储液槽226。

压缩机110的运行使蒸汽从内蒸汽收集空间252通过箱体202向上运动至蒸汽出口管214。具体地讲，蒸汽通过通道212的管段212b引出。外蒸汽收集空间254中的蒸汽也可通过由凸缘段212a和/或支撑臂的开孔形成的流道256流动至蒸汽出口管214。在压缩机110中，蒸汽被压缩，提高了其温度和压力。压缩后的蒸汽一般沿顶板242和凸缘段212a之间形成的通道402(见图4)流动。然后压缩后蒸汽流过位于凸缘段212a上的开口404。开口404一般与层叠板210的开口306在一条直线上并相通。开口凸台406可同样是绕开口404延伸并与下一个邻近板210的开口凸台308相连。

压缩蒸汽沿流道F运动并通过在板210上形成的各个开口凸台306进入每一个冷凝室232。由于沿相邻蒸发室230的板表面228流动的液体温度(如100℃或212°F)低于压缩蒸汽的温度(如101.1℃或214°F)，使压缩蒸汽沿冷凝室232相对的板表面228冷凝。而且，压缩蒸汽的冷凝造成沿板210的传热，使在蒸发室230内的液体蒸发。在冷凝室232中产生的冷凝液被层叠板210转动产生的离心力驱至冷凝室232的外端。由于冷凝室232的外端是封闭的，冷凝液在每个室323内形成环型液池，由C表示。层叠板210转动产生的离心力很高，数倍于重力，因此，这些液池C的表面的方向垂直于转动轴A-A。随着压缩蒸汽冷凝的增加，这些液池C的表面到达开口306。

冷凝液(其总是寻找相对于A-A轴较低的高度)通过通道212的凸缘段212a上的开口404流动，并溅入收集空间248。更具体地讲，冷凝液流过顶板242上的冷凝液开口244。冷凝液从收集空间248由第二静止弯头管250引走。更具体地讲，在收集空间248中的冷凝液最终要达到第二静止弯头管250的弯头250a，在该点冷凝液被驱入弯头管250，并从蒸发和冷凝单元104中引出。通过从收集空间248中不断地引出冷凝液，建立起了从每个冷凝室通过流道F进入收集空间248的冷凝液流型。进一步讲，冷凝液开口244最好位于开口306相对于A-A轴之外。另外，第二静止弯头管250的弯头250a一般布置在收集空间248中，以使冷凝液开口244充满冷凝液，而开口306只有部分冷凝液。这样，从压缩机110通过通道402流动的压缩蒸汽不会被通过冷凝开口244进入收集空间248的流动而堵塞。而是，压缩蒸汽被从开口404驱入，并沿流道F分别进入冷凝室232。进一步说，末端相连的凸台308将流道F与相邻的蒸发室230隔离。由于通道402中的蒸汽压力大于外部空间254中的压力，使在收集空间248中的冷凝液表面相对于转动轴比通道402外端的冷凝液表面“高”。

本领域技术人员应能理解，其它的布置和结构也可用来从各冷凝室232引出冷凝液，并使压缩蒸汽进入各冷凝室。比如，压缩蒸汽可通过在换热板210上的、独立于开口306的配套的蒸汽开口(未示出)而分配至冷凝室232。进一步讲，这些开口可位于相对于306更靠内的位置。

如上所示，板210的配置和组装有利于并且保护了形成蒸发室230的板表面228的亲水处理物的涂敷。另外，层叠板210内流体的流动形式减少了最终冷凝液被污染的风险。更具体地讲，冷凝液最好从与储液槽226相对的单元104接近顶部的位置引出，这样就减少了储液槽226中的液体污染冷凝液的机会。另外，冷凝室232的任何泄漏，只会造成冷凝液进入箱体202，并落到储液槽226里。在最佳实施例中，在单元104稳定运行时，建立于蒸发室和冷凝室230、232之间的压差约为0.035kg/cm²(0.5psi)，温差约为1.1℃(2°F)。这个压差在饮用蒸馏水的生产过程中提供了额外的保障。具体讲，如果任何两个相邻的室230、232之间发生泄漏，这个压差将使冷凝液流向蒸发室230，从而防止“脏”液体进入冷凝室232。

应该知道，这个系统100最好包括一个或多个用来从系统100中除去空气和其它气体的除气装置(未示出)。

多工作段系统

图5是图1所示的蒸发和冷凝单元104布置成多工作段系统的概括性断面图。单元104包括一个箱体502，其有底板504、顶板506和侧壁508。在箱体202中的若干个水平叠放的、有间隙的换热板510布置成多个工作段(比如，第一、第二和第三工作段)。板510对齐布置，相对于一个公共的中心轴A-A旋转。安装在层叠板上方、并穿过箱体502顶板506延伸的是一个通道512，它包括凸缘段512a和管段512b。在凸缘段512a的外端，有相对于轴A-A是U型的通道512c。蒸汽出口管514将通道512的管段512b与压缩器110的进口相连(图1)。蒸汽进口管518一般在顶板506上将箱体502连接到压缩器110的出口。马达108伸出的轴522穿过出口管514，通过转动连接器524连接到通道512上。转动连接器524允许出口管514和通道512有流体传送。在箱体502的底部有接收来自给液管106的、用来进行蒸馏的液体的储液槽526。

每一个板510限定两个表面528，相邻板510的相对表面528限定了它们之间的空间。这些空间交替地形成蒸发室530和冷凝室532。在每一个工作段内，板510的设计和布置大体近似于图3A和图3B所示的换热器板210。更具体地讲，每一个板510有一个内直径端和一个外直径端，以及在外直径端附近的至少一个开口。在每一工作段内，板510的叠放布置形成一个大体垂直的流道F，其使每个冷凝室523的液体相互连通，但与相邻的蒸发室520隔离。另外，形成每个冷凝室532的相邻板510的内外直径端是封闭的，而蒸发室530的内外直径端是开放的。

通常为U型的旋转部件534从层叠板通过带孔支撑臂535延伸进储液槽526中。有一个弯头536a的第一静止弯头管536布置在储液槽526中，其弯头536a位于U型旋转部件534的凹槽内。第一静止弯头管536与一个静止供液管538相连，该供液管靠近层叠板510的内直径端地向上延伸通过层叠板510。弯头管536和/或供液管538最好固定在箱体502的底板504上。在供液管538的长度方向上有一个面向板510内直径端的槽孔538a。

安装在层叠板510上对着储液槽526的是顶板542，它有一个与冷凝室532的流道F相连通的冷凝液开口544。在顶板542的外端542a对着层叠板510方向一般装有凸缘546，以便在与层叠板510相对的方向形成凸缘546与顶板542之间的收集空间548。具有一个弯头550a的第二静止弯头管550穿过箱体502的顶板506，弯头550a设置在收集空间548内。箱体502中的层叠板510还限定了在板的内直径端之内的内蒸汽收集空间552和在板的外直径端与箱体502侧壁508之间的外蒸汽收集空间554。

在板510的内直径端内侧(相对于转动轴A-A)通常有一个圆柱型内壁560，它从底板504向上延伸到通道512。在与底板504相对的一端，内壁560有一个安装在凸缘段512a的U型通道512c内的凸缘560a。在最高级工作段(如第三工作段)附近的内壁560内形成若干孔和空间，如空间562。除了最高级工作段外，内壁560基本上阻断了在所有蒸发室530内产生的蒸汽进入内蒸汽收集空间552。在层叠板的外直径端外(相对于转动轴A-A)通常有一个圆柱型外壁564，它从顶板542向下延伸过除了最高级(例如第3级)外的所有工作段。如下所述，除了最高级工作段外，具有内表面564a的外壁564基本上阻断了所有蒸发室530内产生的蒸汽进入箱体502的外蒸汽收集空间554。在每个工作段上的外壁564有若干开孔566。

应当理解，在一个其它的实施例中，内壁560可在到达最高级工作段的内直径端之前直接中断。还应当理解，也可利用其它布置来阻断蒸汽在在相邻工作段的蒸发室530之间的流动。

在构成每个工作段的板510之间至少有一个过渡板。也就是说，在第一和第二工作段之间、第二和第三工作段之间等至少有一个过渡板。如图5所示，在各个工作段之间有两个过渡板568a和568b。如下所述，过渡板568a，568b以及壁560和564的布置使每个给定工作段(如第一工作段)的蒸发室530产生的蒸汽流向相邻的较高级工作段(如第二工作段)的冷凝室532。这种布置还使每个工作段的冷凝室530产生的冷凝液通过流道F进入收集空间548，在此冷凝液由第二静止弯头管550排出。

图6是多工作段系统的两个工作段(如第一和第二工作段)界面的截面图。如图所示，两个过渡板568a、568b设置在两个工作段之间。每个过渡板568a、568b具有内直径端570a、570b和外直径端572a、572b以及至少一个流体过渡开口574a，574b。进一步说，过渡板568b的外直径端572b固定到外壁564的内表面564a上，而过渡板568a的外直径端572a与外壁564间隔开。过渡板568b的过渡开口574b在轴向和径向与下一个相邻板510的开口306对齐。在较低级(如第一)工作段中至少有一个换热板(用511表示)、一个开口(用307表示)与该工作段的其余开口306以及下一个高级(如第二)工作段的开口306在轴向不重合(偏置)。具体讲，开口307相对于内壁560比开口306位于径向的更靠外处。进一步讲，过渡板568a的开口574a与最低板511上的偏置开口307轴向对直。

在两个过渡板568a，568b之间延伸的是侧壁576，它靠近内直径端570a、570b布置。侧壁576完全围绕层叠板510的周向延伸，与两个过渡板568a、568b一道限定了一个液槽578。从两个过渡板568a、568b间的内壁560向外延伸的是一个搁板580。搁板580的外端接近侧壁576但与其相分离。搁板580也完全围绕层叠板510的周向延伸。在两个过渡板568a、568b间每对相应开口574a，574b处有一个C型导管582。每个C型导管582并不围绕层叠板510的周向延伸，而是设置来连接开口574a、574b，缺口朝向内壁560的方向。每个过渡开口574a、574b与C型导管582相反方向的周围是过渡开口凸台584a，584b。过渡开口凸台584a与换热板511相应开口307附近的开口凸台311密封连接，而过渡开口凸台584b与下一个邻近板510的相应开口凸台310密封连接。

图7是沿图6中7-7线的过渡板568a的部分底视图。如图所示，C型导管582只部分地围绕过渡板568a的开口574a，开口574a与过渡板568b上的开口574b在径向稍有偏斜。另外，侧壁576和搁板580都完全围绕层叠板510的周向延伸。

参考图1和5-7，在运行中，马达108和压缩机110带动层叠板510转动，从箱体502中带出低压蒸汽，并将高压、高温蒸汽分别带入第一工作段的各冷凝室532。如前所述，旋转部件534形成了一个转动环型给液池，给液被挤入第一静止弯头管536，并向上进入供液管538。液体从槽孔538a中排出，撞击各工作段的旋转层叠板510，由此向各蒸发室530输送液体。来自压缩机110的压缩蒸汽沿凸缘段512a和顶板542之间形成的通道流动，通过开口306进入第一工作段的冷凝室532。在冷凝室532内的冷凝向相邻的蒸发室530传热。这种传热至少使沿蒸发室532的板平面528流动的部分流体蒸发。蒸汽聚集在内壁560和外壁564之间，而未蒸发的液体被甩出板子510并在外壁564的内表面564a形成一个环形池。这个环形池通过外壁564上的开孔566形成一股液流向下流回储液槽526。开孔566的大小最好设计成能在外壁的内侧保持一个环形液池，以阻止在第一工作段蒸发室530内产生的蒸汽从开孔566溢出。相反，蒸汽向下流到将第一和第二工作段分开的过渡板568a、568b。

来自供液管538的液体在两个过渡板568a，568b和侧壁576之间形成的液槽578处形成一个池L。如图6所示，由于较低级蒸汽压力大于较高级的蒸汽压力，较低级(如第一级)的池的表面低于较高级(如第二级)的池的表面。更进一步讲，较高工作级中的池表面通常由过渡板568b的内直径端570b限定。搁板580延伸到液槽578内的最低池表面之下。如前所述，第二过渡板568b与外壁564相连。因此，液槽578中的液体与搁板580形成的流体密封，同过渡板568b的外直径端572b与外壁564之间的密封一道阻止了第一工作段蒸发室530产生的蒸汽流入第二工作段的蒸发室530。相反，蒸汽在C型导管582中流动，通过开口574b如箭头V(见图6)所示，流入下一较高级工作段的冷凝室532。通过开口306蒸汽被分配至较高级工作段的每个冷凝室532。由于较高工作级中的蒸汽压力较低，因此相对于旋转轴来说，较高工作级中的冷凝液的表面高度通常比较低工作级中冷凝液的液位“高”。

在第一工作段中，压缩蒸汽沿冷凝室532内相对的板平面528冷凝，并被离心力驱动流向冷凝室532的外端。冷凝液在冷凝室532封闭的外端处形成环型液池，总的由C表示。象单工作段系统中描述的那样，冷凝液相对于储液槽526向上流动，通过各板510的冷凝液开口306流入收集空间548。再者，由于压缩蒸汽压力较高，因此相对转轴来说，收集空间548中的冷凝液表面“较高”。在第二工作段的冷凝室532中也同样地形成环形冷凝液池。该冷凝液也朝着过渡板568a、568b向上流动。如图6和图7很好地表示的，第二工作段产生的冷凝液从过渡板568b上的开口574b溢出，在转动层叠板离心力的作用下，聚集在环绕上过渡板568a的连接开口574a(图7)外部的C型导管580内。在C型通道580内，冷凝液形成环型池T。从这里，冷凝液流过过渡板568a上的过渡开口574a并流过传热板511的开口307，该开口在径向与开口306偏斜(向外)。如图7所示，C型通道582的凹槽最好围绕在过渡板568a上的过渡开口574a的外部，而其侧壁(在图6中只显示一个)沿过渡板568b上的开口574b的两侧向上延伸。

过渡板568a的偏置开口574a(和在上一个相邻板511上的配合开口307)最好布置成在蒸发和冷凝单元104运行时充满液体。也就是说，池T的表面超过(即离转动轴A-A更近)由过渡开口574a和配合开口307限定的开孔。由于上过渡板568a的开口574a充满冷凝液，这样就阻止了在第一工作段冷凝室532内的压缩蒸汽直接通过开口307和574a流进第一工作段的蒸发室530。另外，下过渡板568b上的开口574b(和在第二工作段换热板510上的配合开口306)最好不充满冷凝液，因此在冷凝液表面上形成一个开放空间，它允许较低级(如第一)工作段蒸发室530产生的蒸汽流向下一个较高级(如第二)工作段的冷凝室。

每个工作段蒸发室530中产生的蒸汽流向下一较高级工作段的冷凝室532。同样，每个工作段的冷凝液传到上一较低级工作段。在最高级工作段(如第三工作段)，蒸汽通过内壁560上的开孔562进入内蒸汽收集空间552。然后，这些蒸汽通过通道512向上流动，经蒸汽出口管514流入压缩机110。在最高级工作段中未被蒸发的残留液体被甩出转动板510，撞到侧壁508并向下流回储液槽526。在第一工作段，各工作段产生的冷凝液通过在顶板542上的冷凝液开口544聚集在收集空间548，在此冷凝液由第二静止弯头管550引走。象单工作段系统中描述的那样，冷凝液开口544被设计得低于收集空间548的环形冷凝池的表面，以阻止压缩蒸汽通过冷凝液开口544进入箱体502。

应当理解，供液管538的设计应使其在换热器运行时充满液体以便阻止蒸汽通过供液管538在各工作段中流动。

图8是图5所示多工作段换热器两个工作段之间另一种过渡板的部分侧视图。在这个实施例中，有一个单过渡板568b。进一步讲，侧壁576和C型导管582从单个过渡板568b直接延伸到邻近的较低级工作段(如第一)的第一传热板511。图8所示其它实施例的运行与以上描述的相似。具体地讲，从储液槽526来的液体充满由侧壁576、过渡板568b和传热板511限定的液槽578。搁板580延伸到液槽578的液面L之下，以阻止在较低级工作段产生的蒸汽直接流到邻近的较高级工作段的蒸发室530。更进一步讲，C型导管582向内壁开口，使蒸汽能流入下一较高级工作段的冷凝室532，并使各工作段的冷凝液向上流动被第二静止弯头管550排出。连接在过渡板568b上的传热板511的开口307与该工作段的其它开口306以及传输板568b上的开口574b在轴向不重合(偏置)。而且，开口307设计成充满冷凝液，以阻止较低级工作段的冷凝室532内的压缩蒸汽流入该工作段的蒸发室530内。另外，在过渡板568b上的开口574b和下一较高级工作段的开口306内有一个空间使来自较低级工作段的蒸发室530内的蒸汽流入下一较高级工作段的冷凝室532。

本领域技术人员应能理解，其它的布置和结构也可用来达到工作段间蒸汽和冷凝液的预期流动。比如，过渡板568b的内直径端570b可密封地顶在内壁560上，这样就不需要搁板580了。

本领域技术人员也应能理解，本发明也可使用其它的换热板设计。图9A和9B分别是一个其它换热板910的顶视和侧视图。板910相对于转动轴A-A有一个内边902和一个外边904以及一个或多个如上所述用于分配蒸汽和排出冷凝液的开口906。在这个最佳实施例中，每一个板910包括三个开口906，开口是从内边902大致延长至外边904的长型孔。开口906的长孔型布置在层叠板的冷凝室之间限定了一个用于压缩蒸汽分配的较大的开放空间。从板910的一个表面928延伸出围绕相应开口906的开口凸台908。如前所述，每一个开口凸台908有一个端部表面910，它与相邻开口凸台的端部表面密封连接。

为了去除在蒸发室板表面928上形成的污垢，在蒸发室内可安装一个或多个刮板935。刮板935可由塑料或金属制成，沿板表面928延伸，并在换热器运行时，同板910一起旋转。在蒸馏了一定体积的液体后，层叠板910停转，刮板935动作。随后，刮板935在板表面上前后摆动，刮掉可能产生的任何污垢。刮板935摆动范围最好严格限制以不损坏从蒸发室板表面928向上延伸的凸缘908。常规的马达、齿轮和制动器可用来使刮板935做所期望的摆动。

以上的描述针对本发明的特殊实施例。然而，很明显，在保留本发明部分和全部优点的情况下，可以对所描述的实施例进行其它的变形和修改。比如，蒸汽和冷凝单元104可由热力驱动。更具体地讲，储液槽中的液体可由不同于换热器102的热源加热到期望的温度，如炉顶燃烧器、太阳能等。因此，所附权利要求的目的是覆盖本发明范围内所有此类变化和改进。

Claims (12)

1.一种用在蒸汽压缩蒸馏器中的的蒸发-冷凝装置，包括：

A.马达；

B.具有一个压缩机进口和压缩机出口的压缩机；

C.与马达连接以便绕转动轴线旋转的换热器，包括：

1.层叠板，它具有若干间隔开的换热板，它们沿共同的转轴线同轴对齐，每个换热板有两个板表面和相对于转轴的内外边缘，换热板在其相对的板表面之间限定出交替形成的蒸发室和冷凝室，使得构成冷凝室的板表面之间限定出一个大体封闭的内部冷凝空间，该空间与压缩机出口流体连通，其中：

a)限定了冷凝室的每对换热板在其内外边缘处被密封；

b)限定了蒸发室的每对换热板在其内外边缘处开放，它们相互配合形成了一个流体通道，该通道与所限定的蒸发室隔离、而与冷凝室和其它流体通道配合形成一个流体流道，通道的至少一部分靠近换热板的外边缘，通过它能将冷凝液从冷凝室中导出；

2.一个供液源，它将给液供至蒸发室；

D.盛放换热器的侧壁与构成蒸发室的板表面之间限定了一个与压缩机进口连通的蒸发空间。

2.如权利要求1所述的装置，其中，冷凝室和流体通道还相互配合用来将压缩蒸汽沿流体流道分配至冷凝室，其中供液源包括：

盛装要被蒸馏液体的储液槽；和

沿换热板内边缘延伸的给液管；和

布置在储液槽内、与给液管相连用来驱动给液沿给液管流动的泵。

3.如权利要求2所述的装置，其中泵包括：

至少部分地伸入储液槽中的转动部件；和

一端布置在储液槽内并贴近转动部件的第一静止弯头管，其中，给液管与弯头管连接，其上具有一个或多个面向邻近的换热板内边缘的槽孔。

4.如权利要求2所述的装置，其中换热板的内边缘还限定了一个与蒸发室连通并与压缩机进口相连的内蒸汽收集空间。

5.如权利要求2所述的装置，其中换热器还包括：

连接到层叠板上的、与储液槽相对着的顶板，顶板包括一个凸缘，它限定了一个与流体流道连通的冷凝液收集空间；和

一端布置在冷凝液收集空间内的一个第二静止弯头管，第二静止弯头管用来从冷凝液收集空间引出冷凝液，其中顶板包括一个开口，它与流体流道配合使冷凝液从冷凝液供给通道流入冷凝液收集空间，但阻止来自压缩机出口的压缩蒸汽进入冷凝液收集空间。

6.如权利要求2所述的装置，其中换热板在靠近其外边缘处具有至少一个开口，层叠板的这些冷凝液开口相互配合形成穿过蒸发室的流体通道，其中，每个换热板具有一个环绕其至少一个开口的开口凸台，每一个开口凸台具有一个末端，给定蒸发室的、相对的开口凸台的末端密封连接。

7.一种用在蒸馏器中的换热器蒸发-冷凝装置，包括一个压缩机、围绕换热器布置的侧壁、与换热器连接使其绕一转动轴线旋转的马达，压缩机包括压缩机进口和压缩机出口，换热器包括：

A.层叠板，它具有若干间隔开的换热板，它们沿共同转轴线同轴对齐，每个换热板具有两个板表面和相对于转轴的内外边缘，换热板在其相对的板表面之间限定出交替形成的蒸发室和冷凝室，使得在之间形成冷凝室的板表面限定了一个大体封闭的内部冷凝空间，该空间与压缩机出口流体连通，其中：

1.限定了冷凝室的每对换热板在其内外边缘处封闭；

2.限定了蒸发室的每对换热板在其内外边缘处开放，它们相互配合形成了流体通道，该通道与所限定的蒸发室相隔离而与冷凝室和其它流体通道配合形成了流体流道，通道的至少一部分靠近换热板的外边缘，冷凝液由此从冷凝室中导出；

B.一个供液源，它将给液供应到蒸发室；其中

所述的侧壁与形成蒸发室的板表面相互配合形成一个与压缩机进口连通的蒸发器空间。

8.如权利要求7所述的装置，其中冷凝室和流体通道还相互配合用来将压缩蒸汽沿流体流道分配至冷凝室，其中供液源包括：

盛装要被蒸馏液体的储液槽；和

沿换热板内边缘延伸的给液管；和

布置在储液槽内、与给液管相连用来驱动给液沿给液管流动的泵。

9.如权利要求8所述的装置，其中泵包括：

至少部分地伸入储液槽内的转动部件；和

一端布置在储液槽内并贴近转动部件的一个第一静止弯头管，其中，给液管与弯头管相连，其上具有一个或多个面向相邻的换热板内边缘的槽孔。

10.如权利要求8所述的装置，其中换热器包括：

连接到层叠板上的、与储液槽相对着的顶板，顶板具有一个凸缘，它限定了与流体流道连通的冷凝液收集空间；和

一端布置在冷凝液收集空间内的一个第二静止弯头管，第二静止弯头管用来从冷凝液收集空间引出冷凝液，其中顶板包括一个开口，它与流体流道相互配合使冷凝液从冷凝液供给通道流入冷凝液收集空间，但阻止来自压缩机出口的压缩蒸汽进入冷凝液收集空间。

11.如权利要求8所述的装置，其中每个换热板包括至少一个开口，开口的至少一部分靠近其外边缘，层叠板的这些开口相互配合形成穿过蒸发室的流体通道，其中，每个换热板包括一个环绕其在各冷凝室内的至少一个开口的开口凸台，每一个开口凸台具有一个末端，使在给定蒸发室中的相对的开口凸台的末端密封地连接起来。

12.一种用在蒸馏器中的多工作段换热器蒸发-冷凝装置，包括一个压缩机、围绕换热器布置的侧壁、与换热器连接使其绕一转动轴线旋转的马达，压缩机包括压缩机进口和压缩机出口，换热器包括：

若干工作段，具有第一和最后工作段，每个工作段包括：

层叠板，它具有若干间隔开的换热板，它们沿共同转轴同轴对齐，每个换热板具有两个板表面和相对于转轴的内外边缘，换热板在其相对的板表面之间限定了交替形成的蒸发室和冷凝室，使得在之间形成冷凝室的板表面限定了一个大体封闭的内部冷凝空间，该空间与压缩机出口的流体连通；

一个内壁，它相对于转轴位于换热板内边缘的内侧，沿除最高级工作段以外的所有工作段延伸；

一个外壁，它位于板的外边缘和侧壁之间，沿除最高级工作段以外的所有工作段延伸；

一个给液管，它沿换热板的内边缘延伸，用来将要蒸馏的液体供给蒸发室；和

布置在一对相邻工作段之间的至少一个过渡板，这对相邻的工作段包括一个较高级工作段和一个较低级工作段，每个过渡板包括内外边缘，其中

1.限定冷凝室的每对换热板在其内外边缘处被密封；

2.限定蒸发室的每对换热板在其内外边缘处开放，它们相互配合形成了一个流体通道，该通道与所限定的蒸发室相隔离而与冷凝室和其它流体通道相互配合形成了流体流道，通道的至少一部分靠近换热板的外边缘，冷凝液由此能从冷凝室中导出；

3.每个过渡板与内外壁配合限定了一个在过渡板内外边缘处的蒸汽密封，这种蒸汽密封能阻止相邻工作段蒸发室之间的蒸汽流动；

4.每个过渡板与相邻工作段蒸发室的流体通道配合，将来自较低级工作段蒸发室的蒸汽传送到较高级工作段的冷凝室；

5.侧壁与在最高级工作段中形成蒸发器的板表面之间形成了与压缩机进口连通的蒸发空间。

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