Пластинчатый теплообменник, теплообменная пластина и способ обработки подаваемого вещества, такого как морская вода
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках для обработки подаваемого вещества. Пластинчатый теплообменник включает в себя пакет пластин, содержащий множество теплообменных пластин, и определяет нагревающий объем, охлаждающий объем и множество технологических объемов. Каждый из технологических объемов включает в себя испарительную секцию для испарения части подаваемого вещества, отделительную секцию для отделения неиспарившейся части подаваемого вещества от испарившейся части подаваемого вещества и конденсационную секцию для конденсации испарившейся части подаваемого вещества. Каждая теплообменная пластина определяет первую поверхность теплового раздела между нагревающим объемом и испарительной секцией первого технологического объема, вторую поверхность теплового раздела между охлаждающим объемом и конденсационной секцией второго технологического объема и по меньшей мере одну дополнительную поверхность теплового раздела между испарительной секцией и конденсационной секцией двух смежных технологических объемов. Технический результат – создание пластинчатого теплообменника для опреснения, не нуждающегося в контейнере. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 14 ил.
Данное изобретение относится к пластинчатому теплообменнику, теплообменной пластине и способу обработки подаваемого вещества, такого как морская вода.
ВВЕДЕНИЕ
Оборудование для опреснения морской воды, где один или несколько пакетов пластин, являющихся теплообменными пластинами, образуют основные компоненты в процессе, изготавливается уже много лет. В документе SE-B-464938 раскрыта такая опреснительная установка, содержащая пакет пластин, предусмотренный в цилиндрическом контейнере. Теплообменные пластины не имеют окон для водяного пара, а вместо этого пространство снаружи теплообменных пластин используется в качестве путей протекания водяного пара, в зависимости от вида процесса. Используемый процесс основан на так называемой технологии падающей пленки, при осуществлении которой пленка воды распределяется по ширине пластин и сбегает вниз по пластинам. В пластинчатом испарителе с падающей пленкой каждый второй межпластинный промежуток представляет собой испарительное пространство, тогда как остальные межпластинные промежутки представляют собой пространства для теплоизлучающей среды. Контейнер представляет собой, по существу, цилиндрический сосуд высокого давления. В крупной установке, включающей в себя несколько пакетов пластин, они могут быть расположены в продольном направлении цилиндра. В некоторой степени, контейнер являются ограничивающим размер установки, если в состав установки не могут входить несколько контейнеров.
Чтобы повысить кпд установки, в ней можно предусмотреть несколько ступеней. Один из примеров многоступенчатой опреснительной установки можно найти в документе US 5133837, где раскрыт многоступенчатый испаритель мгновенного вскипания, при осуществлении которого морская вода, подлежащая испарению, пропускается в нижнюю камеру сосуда каждой ступени, и при этом пар протекает вверх через каплеуловители и каналы, вступая в контакт с ячеистыми пластинами, а конденсат выпадает с пластин тонкой пленкой вниз и собирается в лотке для конденсата. В документе US 6635150 раскрыта опреснительная установка, которая состоит из нескольких каскадов элементарных ячеек, собранных в чередующемся порядке в тепловом ряду.
По меньшей мере, для установок меньшего или среднего размера, стоимость контейнера представляет собой большую часть общей стоимости установки. Как изготовление, так и монтаж контейнера являются сложными и времяемкими. Кроме того, техническое обслуживание установки и очистка теплообменных пластин затруднены, например - потому, что после открывания контейнера доступны лишь пакет пластин и теплообменные пластины.
Решение вышеупомянутой проблемы можно найти в международной заявке WO 2006/104443 A1, выданной Alfa Laval Corporate AB. В ней раскрыт пластинчатый теплообменник для опреснения. Этот теплообменник имеет испарительную секцию, отделительную секцию и конденсационную секцию. Преимущество вышеупомянутого теплообменника заключается в том, что ему не нужен никакой контейнер, поскольку вся обработка морской воды осуществляется в пакете пластин.
Вышеупомянутая технология предусматривает использование лишь одной ступени. Вместе с тем, кпд теплообменника можно повысить за счет использования нескольких ступеней. Таким образом, задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать пластинчатый теплообменник для опреснения, не нуждающийся в контейнере, а включающий в себя несколько ступеней.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Решение вышеупомянутой задачи в первом аспекте достигается посредством пластинчатого теплообменника для обработки подаваемого вещества, такого как морская вода, причем пластинчатый теплообменник включает в себя пакет пластин, содержащий множество теплообменных пластин, расположенных в последовательном порядке, при этом пакет пластин определяет нагревающий объем для приема теплоносителя, охлаждающий объем для приема хладоносителя и множество технологических объемов, каждый из которых отделен по текучей среде от другого такого же в пакете пластин, причем каждый из технологических объемов включает в себя:
испарительную секцию, выполненную допускающей испарение, по меньшей мере, части подаваемого вещества;
отделительную секцию, выполненную отделяющей неиспарившуюся часть подаваемого вещества от испарившейся части подаваемого вещества; и
конденсационную секцию, выполненную конденсирующей испарившуюся часть подаваемого вещества,
причем каждая теплообменная пластина определяет первую поверхность теплового раздела между нагревающим объемом и испарительной секцией первого технологического объема множества технологических объемов, вторую поверхность теплового раздела между охлаждающим объемом и конденсационной секцией второго технологического объема множества технологических объемов, и, по меньшей мере, одну дополнительную поверхность теплового раздела между испарительной секцией и конденсационной секцией двух смежных технологических объемов.
Данный теплообменник применяется для обработки подаваемого вещества. Подаваемое вещество в типичных случаях представляет собой жидкое вещество. В преимущественном варианте подаваемое вещество представляет собой морскую воду, а обработку в типичных случаях проводят в форме опреснения морской воды, достигая получения пресной воды; вместе с тем, не исключаются другие связанные приложения, и некоторые такие приложения будут обсуждаться в разделе «Подробное описание». Пакет теплообменных пластин содержит множество теплообменных пластин, по существу, одинакового размера, которые размещены последовательно грань к грани, в типичных случаях - вдоль горизонтального направления. Каждая теплообменная пластина определяет, по существу, всю высоту и ширину пакета теплообменника, а горизонтальное направление является направлением глубины пакета теплообменника. Края теплообменных пластин взаимно герметизированы, чтобы установить параллельные межпластинные промежутки между пластинами. Теплообменные пластины определяют поверхности разного типа, а в сборе оказываются обращенными друг к другу два вида межпластинных промежутков, т.е., первые и вторые межпластинные промежутки предусмотрены в чередующемся порядке, иными словами, первый межпластинный промежуток находится рядом с двумя вторыми межпластинными промежутками, конечно - за исключением первого и последнего межпластинных промежутков вдоль горизонтального направления.
Технологические объемы также являются, по существу, герметизированными друг относительно друга и заключенными в межпластинных промежутках. Технологические объемы представляют собой отдельные пространства в пределах межпластинных промежутках. Все технологические объемы сформированы на каждой пластине. Конечно же, в технологических объемах существуют впуски и выпуски, например - для введения подаваемого вещества с целью его испарения и удаления пресной воды и водного раствора соли высокой концентрации, соответственно. Термин «водный раствор соли высокой концентрации» здесь понимается как означающий воду, имеющую соленость, более высокую, чем у морской воды. Пластины в типичных случаях скреплены друг с другом болтами в пакете пластин, чтобы можно было снимать пластины для технического обслуживания. Теплообменные пластины в типичных случаях изготовлены из теплопроводных, стойких к коррозии материалов, таких как нержавеющая сталь, алюминий или титан.
Подаваемое вещество, которое в типичных случаях представляет собой морскую воду, вводят в пакет пластин в испарительной секции каждого технологического объема, где, по меньшей мере, часть подаваемого вещества испаряют, используя горячую текучую среду, находящуюся на противоположной стороне теплообменных пластин. отделительная секция, которая находится рядом с испарительной секцией или над ней, отделяет испарившуюся часть подаваемого вещества от остающейся части, которая, в сущности, состоит из неиспарившегося подаваемого вещества, т.е., водного раствора соли высокой концентрации. Отделительная секция в типичных случаях содержит стержни, колосники или гофры, и т.д., на которых неиспарившееся подаваемое вещество улавливается и выводится из отделительной секции. Конденсационная секция обеспечивает конденсацию испаренного подаваемого вещества для получения конденсата с использованием холодного вещества, находящегося на противоположной стороне теплообменных пластин. Конденсировавшееся подаваемое вещество, такое как пресная вода, выводят из пакета теплообменника.
Каждая теплообменная пластина в пакете пластин определяет поверхности теплового раздела для теплообмена между пространствами на каждой стороне теплообменной пластины. Поверхность теплового раздела обеспечивает тепловой контакт через пластину за счет использования такого металла, как нержавеющая сталь, алюминий или титан; вместе с тем, смешивание текучих сред предотвращается. Испарительная секция первого технологического объема принимает тепло, поступающее из нагревающего объема, через первую поверхность теплового раздела. В нагревающем объеме циркулирует теплоноситель. Теплоноситель может быть, например, жидкостью, такой как оборотная вода из судового двигателя или аналогичная вода, нагретая от любого другого источника тепла, такого как горячее масло. Теплоноситель также может быть газом, таким как водяной пар и иной пар. Конденсационная секция второго технологического объема получает охлаждение от охлаждающего объема через вторую поверхность теплового раздела на теплообменной пластине. В охлаждающем объеме циркулирует хладоноситель. Хладоноситель в типичных случаях представляет собой жидкость, такую как естественным образом охлажденная вода, предпочтительно - морскую воду. В альтернативных вариантах можно применять другие хладоносители. Таким образом, каждая пластина находится в контакте и образует барьер между всеми различными объемами пакета пластин, а все стадии процесса можно проводить на одной и той же пластине. Это обеспечивает компактную конструкцию.
Каждая теплообменная пластина также определяет, по меньшей мере, одну дополнительную поверхность теплового раздела между испарительной секцией и конденсационной секцией двух смежных технологических объемов. Например, в случае двух технологических объемов, конденсационная секция первого технологического объема находится рядом с испарительной секцией второго технологического объема и в тепловой связи с ней. В случае, если количество технологических объемов больше двух, конденсационная секция находится рядом с испарительной секцией следующего, вышерасположенного технологического объема и в тепловой связи с ней, так что энергию конденсации нижерасположенного технологического объема можно использовать в качестве энергии испарения для следующего, вышерасположенного технологического объема. Таким образом, происходит сохранение энергии. Каждый технологический объем можно рассматривать как представляющий собой стадию процесса.
Давление в технологических объемах можно регулировать, чтобы обеспечить испарение подаваемого вещества в испарительных секциях и конденсацию в конденсационных секциях при подходящих температурах.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления первого аспекта, пакет пластин определяет по меньшей мере, два технологических объема, предпочтительно - 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 технологических объемов, располагаемых так, что два смежных технологических объема определяют поверхность теплового раздела между соответственными смежными конденсационной и испарительной секциями.
Таким образом, технологические объемы оказываются в тепловой связи в тепловом ряду, а это означает, что конденсационная секция находится в тепловой связи с испарительной секцией соседнего технологического объема. В принципе, количество технологических объемов может быть бесконечным; вместе с тем, поскольку все технологические объемы на практике работают в разных диапазонах температуры и давления, количество технологических объемов ограничено. На практике, это количество может быть ограничено вышеупомянутыми значениями. Каждый технологический объем, за исключением первого, использует энергию из смежного технологического объема, и поэтому происходит увеличение энергосбережения за счет количества добавляемых объемов.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления первого аспекта, теплообменные пластины получены методом компрессионного формования.
Таким образом, структуру поверхности пластин можно сделать гофрированной, чтобы увеличить площади поверхностей и тем самым - теплопередачу.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления первого аспекта, давление и температура во втором технологическом объеме ниже, чем в первом технологическом объеме.
Чтобы конденсационная секция первого технологического объема оказалась способной нагревать испарительную секцию второго технологического объема и способной испарять подаваемое вещество во втором технологическом объеме при конденсации подаваемого вещества в первом технологическом объеме, давление и температура в первом технологическом объеме должны быть выше, чем давление и температура во втором технологическом объеме.
Тот же самый принцип имеет место при использовании более двух технологических объемов, т.е., при использовании процесса, в котором больше двух стадий. Давление и температура в смежном, вышерасположенном технологическом объеме ниже, чем в смежном, предыдущем, нижерасположенном технологическом объеме. Иными словами, давление и температура уменьшаются от первого технологического объема через предусматриваемые по выбору промежуточные технологические объемы ко второму технологическому объему. Тем самым формируется состояние равновесия.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления первого аспекта, технологические объемы отделены по текучей среде друг от друга посредством прокладки.
За счет использования прокладок, например - резиновых прокладок, пакеты пластин можно герметизировать надлежащим образом, обеспечивая при этом легкое отделение индивидуальных теплообменных пластин, принадлежащих пакету пластин, т.е., обеспечивая удаление одной или нескольких теплообменных пластин для очистки и/или технического обслуживания. Кроме того, использование прокладок исключает необходимость емкости для заключения в ней пластин.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления первого аспекта, испарительная секция содержит впуск для подаваемого вещества, находящийся наверху испарительной секции.
Вышеупомянутая конфигурация подразумевает использование так называемого метода падающей пленки, при воплощении которого подаваемое вещество подают сверху в испарительную секцию каждой поверхности раздела.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления первого аспекта, испарительная секция содержит впуск для подаваемого вещества, находящийся внизу испарительной секции.
Вышеупомянутая конфигурация подразумевает использование так называемого метода поднимающейся пленки, при воплощении которого подаваемое вещество подают снизу в испарительную секцию каждой поверхности раздела. Таким образом, в типичных случаях, впуск для подаваемого вещества представляет собой малое отверстие в нижней части испарительных секций. Часть подаваемого вещества испаряется и поднимается в конденсационную секцию, где и конденсируется.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления первого аспекта, каждый из технологических объемов содержит впуск для подаваемого вещества, находящийся внизу испарительной секции, и выпуск для неиспарившегося подаваемого вещества, находящийся под отделительной секцией, когда пакет пластин оказывается в нормальном рабочем положении.
Впуск для подаваемого вещества применяется для введения подаваемого вещества, например - морской воды, в испарительную секцию. Таким образом, подаваемое вещество можно эффективно вводить в испарительные секции каждого технологического пространства. Выпуск для неиспарившегося подаваемого вещества применяется для удаления неиспарившегося подаваемого вещества, представляющего собой водный раствор соли высокой концентрации или другой концентрат, из отделительных секций каждого из технологических пространств.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления первого аспекта, впуск для подаваемого вещества находится рядом с центральной осью каждой теплообменной пластины, по меньшей мере, для одного технологического объема, принадлежащего множеству технологических объемов, не являющегося первым технологическим объемом.
Центральная ось простирается, по существу, по центру между двумя боковыми краями каждой теплообменной пластины и, по существу, вертикально, когда пакет пластин находится в нормальном рабочем положении. Таким образом, в качестве используемого в первом технологическом объеме, вместо двух отдельных трубок на противоположных краях пластины можно использовать одну-единственную центральную трубку для подаваемого вещества для каждого технологического объема, не являющегося первым. В первом технологическом объеме впуск и выпуск нагревательной секции обычно располагаются по центру, делая расположенную по центру впускную трубку нецелесообразной. Следовательно, для технологического объема, не являющегося первым, имеет место экономия одной трубки. Кроме того, отсутствие впуска для подаваемого вещества на краю пластины обеспечивает большее пространство для испарения.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления первого аспекта, выпуск для неиспарившегося подаваемого вещества находится рядом с центральной осью каждой теплообменной пластины, по меньшей мере, для одного технологического объема, принадлежащего множеству технологических объемов, не являющегося первым технологическим объемом.
Центральная ось простирается, по существу, по центру между двумя боковыми краями каждой теплообменной пластины и, по существу, вертикально, когда пакет пластин находится в нормальном рабочем положении. Располагающийся по центру выпуск для неиспарившегося подаваемого вещества может оказаться выгодным для удаления водного раствора соли высокой концентрации из-за бортовой качки судна. Кроме того, отсутствие выпуска для неиспарившегося подаваемого вещества на краю пластины обеспечит большее пространство на пластине для прохождения испарившегося подаваемого вещества.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления первого аспекта, по меньшей мере, одна теплообменная пластина определяет одно или более отверстий в отделительной секции, по меньшей мере, одного технологического объема.
Таким образом, подаваемое вещество может течь на обеих сторонах пластины, увеличивая таким образом активную площадь поверхности для разделения испарившейся части подаваемого вещества и неиспарившийся части подаваемого вещества.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления первого аспекта, испарительная секция и конденсационная секция расположены в одном и том же межпластинном промежутке, по меньшей мере, для одного технологического объема и/или испарительная секция и конденсационная секция расположены в противоположных межпластинных промежутках, по меньшей мере, для одного технологического объема.
Межпластинный промежуток определяется как пространство, огороженное двумя смежными теплообменными пластинами. Положение испарительной и конденсационной секций можно изменять.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления первого аспекта, во время эксплуатации конденсационная секция второго технологического объема располагается над испарительной секцией первого технологического объема, и в пределах каждого технологического объема испарительная секция располагается под отделительной секцией, а отделительная секция располагается под конденсационной секцией.
Морская вода подается в испарительную секцию через впуск для подаваемого вещества. Морскую воду, предназначенную для впуска для подаваемого вещества, можно брать из охлаждающей воды с целью подогрева подаваемого вещества. Поэтому для нагрева подаваемого вещества используется меньшая энергия. Предусмотренное на выпуске для конденсата соединение отделительной секции принимает неиспарившуюся часть подаваемого вещества. На выпуске для пресной воды конденсировавшаяся пресная вода со стадии конденсации накапливается и направляется наружу из установки.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления первого аспекта, количество теплообменных пластин находится в диапазоне 4—1000 теплообменник пластин, предпочтительно - в таком, как диапазон 10—100.
Количество пластин можно изменять в зависимости от требуемой производительности теплообменника.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления первого аспекта, теплообменник дополнительно содержит пару торцевых плит, накрывающих обе противоположные стороны пакета пластин.
Торцевые плиты используют вместе с болтами, чтобы удержать внутреннее давление пакета пластин и гарантировать, что достигается и поддерживается правильная длина сборки. Они также вносят вклад в достижение дополнительной устойчивости. Их можно сделать толще и жестче, чем теплообменные пластины, которые делают тонкими для увеличения теплопередачи.
Пакет пластин может включать в себя противоположные торцевые плиты для повышенной устойчивости.
Вышеупомянутая задача решается во втором аспекте посредством способа изготовления теплообменника для обработки подаваемого вещества, такого как морская вода, причем способ, заключается в том, что:
обеспечивают множество теплообменных пластин, причем каждая теплообменная пластина определяет первую поверхность теплового раздела, вторую поверхность теплового раздела и, по меньшей мере, одну дополнительную поверхность теплового раздела; и
формируют пакет пластин, располагая множество теплообменных пластин в последовательном порядке, причем пакет пластин определяет нагревающий объем для приема теплоносителя, охлаждающий объем для приема хладоносителя и множество технологических объемов, причем каждый из этих объемов отделен по текучей среде от другого такого же в пакете пластин, при этом каждый из технологических объемов включает в себя:
испарительную секцию, выполненную допускающей испарение, по меньшей мере, части подаваемого вещества;
отделительную секцию, выполненную отделяющей неиспарившуюся часть подаваемого вещества от испарившейся части подаваемого вещества; и
конденсационную секцию, выполненную конденсирующей испарившуюся часть подаваемого вещества,
причем первую поверхность теплового раздела определяют между нагревающим объемом и испарительной секцией первого технологического объема множества технологических объемов, вторую поверхность теплового раздела определяют между охлаждающим объемом и конденсационной секцией второго технологического объема множества технологических объемов, а, по меньшей мере, одну дополнительную поверхность теплового раздела определяют между испарительной секцией и конденсационной секцией двух смежных технологических объемов.
Вышеупомянутый способ, соответствующий второму аспекту, предпочтительно можно применять вместе с любым из вышеупомянутых вариантов осуществления пластинчатого теплообменника, соответствующего первому аспекту.
Вышеупомянутая задача решается в третьем аспекте посредством пластины для пластинчатого теплообменника для обработки подаваемого вещества, такого как морская вода, причем пластинчатый теплообменник включает в себя пакет пластин, содержащий множество теплообменных пластин, расположенных в последовательном порядке, при этом пакет пластин определяет нагревающий объем для приема теплоносителя, охлаждающий объем для приема хладоносителя и множество технологических объемов, каждый из которых отделен по текучей среде от другого такого же в пакете пластин, при этом каждый из технологических объемов включает в себя:
испарительную секцию, выполненную допускающей испарение, по меньшей мере, части подаваемого вещества;
отделительную секцию, выполненную отделяющей неиспарившуюся часть подаваемого вещества от испарившейся части подаваемого вещества; и
конденсационную секцию, выполненную конденсирующей испарившуюся часть подаваемого вещества,
причем каждая теплообменная пластина определяет первую поверхность теплового раздела между нагревающим объемом и испарительной секцией первого технологического объема множества технологических объемов, вторую поверхность теплового раздела между охлаждающим объемом и конденсационной секцией второго технологического объема множества технологических объемов, и, по меньшей мере, одну дополнительную поверхность теплового раздела между испарительной секцией и конденсационной секцией двух смежных технологических объемов.
Таким образом, реализуется теплообменная пластина для теплообменника для обработки подаваемого вещества, такого как морская вода, причем теплообменная пластина определяет первую поверхность теплового раздела для разделения нагревающего объема и испарительной секции первого технологического объема, вторую поверхность теплового раздела для разделения охлаждающего объема и конденсационной секции второго технологического объема, и, по меньшей мере, одну дополнительную поверхность теплового раздела между испарительной секцией и конденсационной секцией двух смежных технологических объемов.
Вышеупомянутую теплообменную пластину, соответствующую третьему аспекту, предпочтительно можно применять вместе с любым из вышеупомянутых вариантов осуществления пластинчатого теплообменника, соответствующего первому аспекту, и/или с любым из вышеупомянутых вариантов осуществления способа, соответствующего второму аспекту.
Пакет пластин можно сделать из пластин одного-единственного типа. Тогда каждая вторая пластина в пакете пластин повернута на 180 градусов для установления двух межпластинных промежутков разного типа. В альтернативных вариантах пакет пластин можно сделать из пластин множества типов, скажем, пластин двух типов, которые собраны в чередующемся порядке в пакет пластин.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показан пакет пластин, соответствующий данному изобретению, полученный методом поднимающейся пленки.
На фиг.2 показано поперечное сечение вышеупомянутого пакета пластин.
На фиг.3A показан вид спереди одной пластины вышеупомянутого пакета пластин.
На фиг.3B показан вид сзади вышеупомянутой пластины пакета пластин.
На фиг.4A показан принцип действия нагревающего объема.
На фиг.4B показан принцип действия первого технологического объема.
На фиг.4C показан принцип действия охлаждающего объема.
На фиг.4D показан принцип действия второго технологического объема.
На фиг.5A показан вид спереди альтернативной пластины, не имеющей центрального выпуска, на тепловом пересечении между двумя смежными технологическими объемами.
На фиг.5B показан вид сзади вышеупомянутой альтернативной пластины.
На фиг.6A показан вид спереди пластины пакета пластин, которая включает в себя четыре технологических объема.
На фиг.6B показан вид сзади вышеупомянутой пластины пакета пластин, которая включает в себя четыре технологических объема.
На фиг.7A показан вид спереди стороны А теплообменной пластины опреснительного аппарата в форме теплообменника, который эксплуатируют в соответствии с принципом падающей пленки.
На фиг.7B показан вид спереди противоположной стороны В теплообменной пластины согласно фиг.7A.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показан пакет пластин, соответствующий данному изобретению. Этот пакет пластин включает в себя множество теплообменных пластин 43. Пластины 43 могут быть изготовлены, например, из нержавеющей стали, алюминия или титана. Стрелками схематически показаны окна. Окно 44 представляет собой впускное окно для хладоносителя. Окно 45 представляет собой выпускное окно для хладоносителя. Окно 46 представляет собой впускное окно для теплоносителя. Окно 47 представляет собой выпускное окно для теплоносителя. Окно 48 представляет собой впускное окно для подаваемого вещества. Подаваемое вещество преимущественно является морской водой, когда пакет пластин используется в опреснительной установке; вместе с тем, возможны другие подаваемые вещества, такие как необработанный фруктовый сок в случае установки для производства фруктового концентрата. Подаваемое вещество можно также брать из выпускного окна 45 для хладоносителя. Окно 49 представляет собой выпускное окно для обработанного подаваемого вещества, такого как пресная вода в случае опреснительной установки.
На фиг.2 показано поперечное сечение пакета 42 пластин. Горячая текучая среда, такая как оборотная вода в случае установки, находящейся на судне, циркулирует в нагревающем объеме 50. Пластины 43 образуют поверхность 51 теплового раздела между нагревающим объемом 50 и смежной испарительной секцией 52 первого технологического объема 53. Подаваемое вещество 54 вводится в нижнюю часть испарительной секции 52 первого технологического объема 53. Подаваемое вещество нагревается теплоносителем в нагревающем объеме 50 через поверхность 51 теплового раздела, так что часть подаваемого вещества 54 испаряется, образуя пар, как правило, являющийся водяным паром в случае водного подаваемого вещества, например, в опреснительной установке. Водяной пар движется вверх, как показано стрелками, и поступает в отделительную секцию 55 первого технологического объема 53. В отделительной секции 55 происходит удаление любого неиспарившегося подаваемого вещества. Затем водяной пар поступает в конденсационную секцию 56 первого технологического объема 53. В конденсационной секции 56 водяной пар конденсируется, превращаясь в конденсат 57, который представляет собой пресную воду. Пресная вода выводится через выпускное окно для пресной воды. Сквозь пластину 43 в отделительной секции 55 проделаны протоки 58a/b.
В конденсационной секции 56 первого технологического объема 53 пластины 43 образуют поверхность 59 теплового раздела со смежной испарительной секцией 52’ второго технологического объема 53’. Подаваемое вещество 54’ вводится в нижнюю часть испарительной секции 52’ второго технологического объема 53’. Во втором технологическом объеме 53’ давление и температура ниже, чем в первом технологическом объеме 53. Таким образом, подаваемое вещество 54’ во втором технологическом объеме 53’ будет испаряться (и конденсироваться) при температуре, которая ниже, чем у подаваемого вещества 54 в первом технологическом объеме 53. Подаваемое вещество 54’ нагревается конденсационной секцией 56 первого технологического объема 53 через поверхность 59 теплового раздела, так что подаваемое вещество 54’ испаряется, превращаясь в водяной пар, при этом водяной пар в конденсационной секции 56 первого технологического объема 53 конденсируется, превращаясь в воду.
Водяной пар во втором технологическом объеме 53’ движется вверх, как показано стрелками, и поступает в отделительную секцию 55’ второго технологического объема 53’. В отделительной секции 55’ любое неиспарившееся подаваемое вещество удаляется. Затем водяной пар поступает в конденсационную секцию 56’ второго технологического объема 53’. В конденсационной секции 56’ водяной пар конденсируется, превращаясь в конденсат 57’, который представляет собой пресную воду. Пресная вода выводится через выпускное окно для пресной воды. Сквозь пластину 43 в отделительной секции 55 проделаны протоки 58a/b.
Наверху пакета пластин предусмотрен охлаждающий объем 60. В охлаждающем объеме 60 циркулирует хладоноситель. Хладоноситель охлаждает конденсационную секцию 56’ второго технологического объема 53’ через поверхность 61 теплового раздела в пластинах 43.
Неиспарившееся подаваемое вещество представляет собой водный раствор соли высокой концентрации, который обладает повышенной соленостью и которые выводится из пакета пластин. В других приложениях неиспарившееся подаваемое вещество может быть продуктом; например, в случае установки для производства концентрата сока, подаваемое вещество представляет собой необработанный фруктовый сок, а неиспарившееся подаваемое вещество представляет собой концентрат сока.
Толстые черные линии 62 обозначают прокладки, которые огораживают межпластинные промежутки и отдельные объемы. Окна и протоки взаимно соединяют межпластинные промежутки, так что каждый из межпластинных промежутков нагревающего объема, охлаждающего объема, первого технологического объема и второго технологического объема образует соответственные взаимно соединенные пространства.
На фиг.3A показан вид спереди одной пластины 43 пакета пластин. Окна 44, 45 для хладоносителя и окна 46, 47 для теплоносителя герметизированы с данной стороны пластины, ограничивая первый межпластинный промежуток. Подаваемое вещество из окна 48 поступает в испарительную секцию 52 через впускное отверстие 48 в первом технологическом объеме. Водяной пар, получившийся в результате испарения, течет в отделительную секцию 55, находящуюся над испарительной секцией 52, и по пластине 43 через протоки 58a/b в соседний межпластинный промежуток. Тем самым проток 58а гарантирует, что испаренное подаваемое вещество достигает обеих сторон пластины 43, тогда как протоки 58b предусмотрены там для направления пара в промежуток, где имеет место конденсация. Неиспарившееся подаваемое вещество вытекает через выпускное окно 63 для неиспарившегося подаваемого вещества. Неиспарившееся подаваемое вещество представляет собой водный раствор соли высокой концентрации в опреснительной установке, а в альтернативных вариантах может представлять собой концентрат продукта, такой как концентрат сока. Конденсационная секция первого технологического объема находится на противоположной стороне пластины и поэтому на данном виде не показана.
Испарение также имеет место в испарительной секции 52’ второго технологического объема с использованием тепла из противоположной конденсационной секции первого технологического объема (описываемого в связи с фиг.4B). Подаваемое вещество вводится в испарительную секцию 52’ второго технологического объема через окно 48’ и отверстие 48a’. Водяной пар, получившийся в результате испарения, течет через отделительную секцию 55’ второго технологического объема в конденсационную секцию 56’ второго технологического объема, где водяной пар конденсируется, превращаясь в воду. Пресная вода покидает конденсационную секцию 56’ через окно 49’.
Окно 48’ для введения подаваемого вещества во втором технологическом объеме располагается по центру на пластине 43. Таким образом, количество соединений на впуске для подаваемого вещества во втором технологическом объеме сокращается с 2 до 1 по сравнению с первым технологическим объемом. Это приводит к снижению затрат на перекачивание и резание, а это обеспечивает лучшее использование площади пластины. Кроме того, отсутствие впуска для подаваемого вещества на краю пластины обеспечивает большее пространство для испарения.
Кроме того, по центру на пластине 43 также располагается выпускное окно 63’ для неиспарившегося подаваемого вещества для второго технологического объема. Таким образом, количество соединений на выпуске для неиспарившегося подаваемого вещества во втором технологическом объеме тоже сокращается с 2 до 1 по сравнению с первым технологическим объемом, а отсутствие выпуска для неиспарившегося подаваемого вещества на краю пластины обеспечит большее пространство на пластине, чтобы получить большее пространство для испарения и проток испарившегося подаваемого вещества. Располагающийся по центру выпуск для неиспарившегося подаваемого вещества может оказаться выгодным благодаря бортовой качке судна.
На фиг.3B показан вид сзади вышеупомянутой пластины 43’ пакета пластин. В данном случае, теплоноситель циркулирует в нагревающем объеме 50 для нагрева противоположной испарительной секции первого технологического объема, а хладоноситель циркулирует в охлаждающем объеме 60 для охлаждения противоположной конденсационной секции второго технологического объема.
Конденсационная секция 56 нагревает испарительную секцию второго технологического объема, находящуюся на противоположной стороне пластины. Водяной пар из испарительной секции первого технологического объема принимается через протоки 58b в отделительную секцию 55 первого технологического объема. Пресная вода покидает конденсационную секцию 56 через окно 49. Толстой черной линией отображена прокладка 62.
На фиг.4A показан пакет 42 пластин, соответствующий еще одному варианту осуществления данного изобретения. Данный вид иллюстрирует стрелками введение теплоносителя в пакет пластин и циркуляцию теплоносителя в межпластинных промежутках в нагревающем объеме 50.
На фиг.4B показан пакет 42 пластин согласно фиг.4A. Данный вид иллюстрирует стрелками введение подаваемого вещества в пакет пластин в окне 48 в первом технологическом объеме. Подаваемое вещество поступает в испарительную секцию 52 первого технологического объема и испаряется благодаря теплу из противоположного нагревающего объема. Испаренное подаваемое вещество продолжает поступать в отделительную секцию 55, где удаляются неиспарившиеся части. Остающийся водяной пар или иной пар конденсируется в конденсационной секции, а получающаяся вода или иная жидкость выводится через окно 49. Неиспарившееся подаваемое вещество (водный раствор соли высокой концентрации или концентрат) выводится через выпускное окно 63 для неиспарившегося подаваемого вещества.
На фиг.4C показан пакет 42 пластин согласно фиг.4A. Данный вид иллюстрирует стрелками введение хладоносителя в пакет пластин и циркуляцию хладоносителя в межпластинных промежутках в охлаждающем объеме 60.
На фиг.4D показан пакет 42 пластин согласно фиг.4A. Данный вид иллюстрирует стрелками введение подаваемого вещества в пакет пластин в окне 48’ во втором технологическом объеме. Подаваемое вещество поступает в испарительную секцию 52’ второго технологического объема и испаряется благодаря теплу из противоположной конденсационной секции первого технологического объема. Давление и температура в испарительной секции второго технологического объема ниже, чем в конденсационной секции первого технологического объема, так что могут иметь место конденсация и испарение. Испаренное подаваемое вещество продолжает поступать в отделительную секцию 55’, где удаляются неиспарившиеся части подаваемого вещества. Остающийся водяной пар или иной пар конденсируется в конденсационной секции 56’, а получающаяся вода или иная жидкость выводится через окно 49. Неиспарившаяся часть подаваемого вещества, например - водного раствора соли высокой концентрации или концентрата, выводится через выпускное окно 63’ для неиспарившегося подаваемого вещества.
На фиг.5A показан вид спереди альтернативной пластины для альтернативного пакета пластин. Единственное различие между передом данной пластины и передом предыдущей пластины заключается в том, что в первом технологическом объеме имеются протоки 58a/b, расположенные на пластине по центру, при этом пресная вода собирается в двух окнах 49, находящихся на краю пластины. Таким образом, можно избежать наличия одного окна в тепловом пересечении между двумя смежными технологическими объемами пакета пластин. Наличие окна, находящегося там, потребовало бы отверстия в торцевой плите, которое ослабило бы торцевую плиту.
На фиг.5B показан вид сзади вышеупомянутой альтернативной пластины альтернативного пакета пластин. Принцип функционирования задней стороны данной пластины идентичен характерному для задней стороны предыдущей пластины.
На фиг.6A и фиг.6B показаны, соответственно, виды спереди и сзади пластины 43 пакета пластин, которая включает в себя четыре технологических объема 53, 53’, 53’’, 53’’’ (или более), как показано на чертеже. Принцип функционирования является таким же, как характерный для предыдущей пластины, за исключением того, что в тепловом ряду соединены четыре технологических объема 53, 53’, 53’’, 53’’’ (или более) вместо двух.
Таким образом, нагревающий объем находится в тепловом соединении через поверхность раздела пластин с испарительной секцией первого технологического объема. Конденсационная секция первого технологического объема находится в тепловом соединении с противоположной испарительной секцией второго технологического объема. Конденсационная секция второго технологического объема находится в тепловом соединении с противоположной испарительной секцией третьего технологического объема. Конденсационная секция третьего технологического объема находится в тепловом соединении с противоположной испарительной секцией четвертого технологического объема. И наконец, конденсационная секция четвертого технологического объема находится в тепловом соединении с охлаждающим объемом.
Тепловые соединения установлены через поверхности теплового раздела по пластине. Давление и температура уменьшаются от первого технологического объема к четвертому технологическому объему.
На фиг.7A показан вид спереди стороны А теплообменной пластины опреснительного аппарата согласно альтернативному варианту осуществления, эксплуатируемого в соответствии с принципом падающей пленки, тогда как на фиг.7B показан вид спереди противоположной стороны B теплообменной пластины.
Пластины в пакете пластин смонтированы в чередующейся конфигурации, а путем простого поворота пластины на 180 градусов можно сформировать одну из двух разных поверхностей пластины - A или B. На противоположных сторонах пластины используются разные прокладки, так что достигается желаемая комбинация каналов и секций.
На каждом из противоположных коротких концов пластины присутствуют три больших окна 1-6, а между окнами 1-6 в пластинах предусмотрены восемь поверхностей 7-14 теплового раздела, скомпонованные в горизонтальной последовательной конфигурации. Окно 1 представляет собой впуск для теплоносителя, предпочтительно - воды, такой, как оборотная вода, или - в альтернативных вариантах - можно использовать газ, такой как водяной пар или обычный пар. Окно 2 представляет собой выпускное окно для теплоносителя. Окна 3 и 4 представляют собой впускные окна для подаваемого вещества, такого как морская вода, а окна 5 и 6 представляют собой впускное и выпускное окна, соответственно, для хладоносителя, предпочтительно - воды, такой как морская вода.
На поверхности 7 теплового раздела теплоноситель протекает в нагревающем объеме на одной стороне теплообменной пластины, а в испарительной секции 17 на противоположной стороне теплообменной пластины происходит испарение подаваемого вещества, поступающего из впуска для подаваемого вещества через отверстия 19. Испаренное подаваемое вещество образует водяной пар, который течет в конденсационную секцию 15a, где он конденсируется благодаря более низкой температуре в конденсационной секции 15a. Водяной пар проходит через отделительную секцию 20, где капли и неиспарившееся подаваемое вещество собираются и направляются в окно 21, обеспечивающее удаление избыточного водного раствора соли высокой концентрации. Конденсационная секция 15a ограничена прокладкой. Прокладки изображены более толстой линией. Для откачивания неконденсируемых газов можно предусмотреть отверстия 23. Конденсировавшийся водяной пар вытекает через выпуск 24а для конденсата. Испарительная секция 17, отделительная секция 20 и конденсационная секция 15a образуют первый технологический объем.
Когда водяной пар конденсируется в конденсационной секции 15a, тепло передается подаваемому веществу, находящемуся в испарительной секции 14a, что вызывает испарение подаваемого вещества и течение его в конденсационную секцию 15b. Испарительная секция 14a и конденсационная секция 15b вместе с находящейся между ними отделительной секцией (не пронумерована) образуют дополнительный технологический объем. Тот же самый процесс повторяется на остальных поверхностях раздела вплоть до заключительной конденсационной секции 18. В конденсационной секции 18 между окнами 4 и 6 есть камера 25 откачивания, имеющая окно 26 для откачивания неконденсируемых газов. Впуски 3 и 4 для подаваемого вещества взаимно соединены посредством распределительных каналов 27, 28abcdef, 29, которые взаимно соединены посредством отверстий 30.
Данный теплообменник имеет пять технологических объемов, каждый из которых имеет испарительную секцию, отделительную секцию и конденсационную секцию; вместе с тем, жизнеспособным может оказаться любое их количество от двух и более. Большее количество технологических объемов даст больший тепловой кпд; вместе с тем, увеличатся также стоимость и сложность теплообменника, и поэтому выбираемое, например - наиболее экономичное, количество технологических объемов будет изменяться от случая к случаю, и вполне возможен теплообменник, имеющий лишь два технологических объема в дополнение к нагревающему объему и охлаждающему объему. В таком случае, одна поверхность теплового раздела предусмотрена для теплообмена между конденсационной секцией первого технологического объема и испарительной секцией второго технологического объема.
Предполагается, что, хотя пакет пластин, соответствующий данному изобретению, применяется преимущественно для опреснения морской воды в опреснительной установке, существует несколько других областей применения. Эти области включают в себя - но не в ограничительном смысле - осветление сточных вод и приложения, в которых применяется концентрат вместо конденсата, такие как производство фруктовых соков, и т.д., причем в таких приложениях в качестве подаваемого вещества предусматривается необработанный фруктовый сок и обеспечивается испарение части воды, содержащейся в необработанном соке. Остающийся концентрат собирают на выпуске для неиспарившегося подаваемого вещества. Аналогичные процессы можно использовать для неводных подаваемых веществ, например - при очистке этилового спирта, и т.д.
1. Пластинчатый теплообменник для обработки подаваемого вещества, такого как морская вода, причем пластинчатый теплообменник включает в себя пакет пластин, содержащий множество теплообменных пластин, расположенных в последовательном порядке, при этом пакет пластин определяет нагревающий объем для приема теплоносителя, охлаждающий объем для приема хладоносителя и множество технологических объемов, каждый из которых отделен по текучей среде друг от друга в пакете пластин, причем каждый из технологических объемов включает в себя:
испарительную секцию, выполненную с возможностью обеспечения испарения по меньшей мере части подаваемого вещества;
отделительную секцию, выполненную с возможностью отделения неиспарившейся части подаваемого вещества от испарившейся части подаваемого вещества; и
конденсационную секцию, выполненную с возможностью конденсирования испарившейся части подаваемого вещества,
причем каждая теплообменная пластина определяет первую поверхность теплового раздела между нагревающим объемом и испарительной секцией первого технологического объема из множества технологических объемов, вторую поверхность теплового раздела между охлаждающим объемом и конденсационной секцией второго технологического объема из множества технологических объемов и по меньшей мере одну дополнительную поверхность теплового раздела между испарительной секцией и конденсационной секцией двух смежных технологических объемов.
2. Пластинчатый теплообменник по п.1, в котором пакет пластин определяет по меньшей мере два технологических объема, предпочтительно 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 технологических объемов, располагаемых так, что два смежных технологических объема определяют поверхность теплового раздела между соответственными смежными конденсационной и испарительной секциями.
3. Пластинчатый теплообменник по любому из предыдущих пунктов, в котором давление и температура во втором технологическом объеме ниже, чем в первом технологическом объеме.
4. Пластинчатый теплообменник по любому из предыдущих пунктов, в котором упомянутые объемы отделены по текучей среде друг от друга посредством прокладки.
5. Пластинчатый теплообменник по любому из предыдущих пунктов, в котором каждый из технологических объемов содержит впуск для подаваемого вещества, находящийся внизу испарительной секции, и выпуск для неиспарившегося подаваемого вещества, находящийся под отделительной секцией, когда пакет пластин расположен в нормальном рабочем положении.
6. Пластинчатый теплообменник по п.5, в котором впуск для подаваемого вещества находится рядом с центральной осью каждой теплообменной пластины для по меньшей мере одного технологического объема из множества технологических объемов, не являющегося первым технологическим объемом.
7. Пластинчатый теплообменник по п.5, в котором выпуск для неиспарившегося подаваемого вещества находится рядом с центральной осью каждой теплообменной пластины для по меньшей мере одного технологического объема из множества технологических объемов, не являющегося первым технологическим объемом.
8. Пластинчатый теплообменник по любому из предыдущих пунктов, в котором испарительная секция содержит впуск для подаваемого вещества, находящийся наверху испарительной секции.
9. Пластинчатый теплообменник по любому из предыдущих пунктов, в котором по меньшей мере одна теплообменная пластина определяет одно или более отверстий в отделительной секции по меньшей мере одного технологического объема.
10. Пластинчатый теплообменник по любому из предыдущих пунктов, в котором испарительная секция и конденсационная секция расположены в одном и том же межпластинном промежутке для по меньшей мере одного технологического объема и/или в котором испарительная секция и конденсационная секция расположены в противоположных межпластинных промежутках для по меньшей мере одного технологического объема.
11. Пластинчатый теплообменник по любому из предыдущих пунктов, в котором во время эксплуатации конденсационная секция второго технологического объема располагается над испарительной секцией первого технологического объема и в пределах каждого технологического объема испарительная секция располагается ниже отделительной секции, а отделительная секция располагается ниже конденсационной секции.
12. Пластинчатый теплообменник по любому из предыдущих пунктов, в котором количество теплообменных пластин находится в диапазоне 4-1000 теплообменных пластин, предпочтительно в таком, как диапазон 10-100.
13. Пластинчатый теплообменник по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий пару торцевых плит, покрывающих обе противоположные стороны пакета пластин.
14. Способ изготовления теплообменника для обработки подаваемого вещества, такого как морская вода, содержащий этапы, на которых:
обеспечивают множество теплообменных пластин, причем каждая теплообменная пластина определяет первую поверхность теплового раздела, вторую поверхность теплового раздела и по меньшей мере одну дополнительную поверхность теплового раздела; и
формируют пакет пластин, располагая множество теплообменных пластин в последовательном порядке, причем пакет пластин определяет нагревающий объем для приема теплоносителя, охлаждающий объем для приема хладоносителя и множество технологических объемов, причем каждый из этих объемов отделен по текучей среде друг от друга в пакете пластин, при этом каждый из технологических объемов включает в себя:
испарительную секцию, выполненную с возможностью обеспечения испарения по меньшей мере части подаваемого вещества;
отделительную секцию, выполненную с возможностью отделения неиспарившейся части подаваемого вещества от испарившейся части подаваемого вещества; и
конденсационную секцию, выполненную с возможностью конденсирования испарившейся части подаваемого вещества,
причем первая поверхность теплового раздела определена между нагревающим объемом и испарительной секцией первого технологического объема из множества технологических объемов, вторая поверхность теплового раздела определена между охлаждающим объемом и конденсационной секцией второго технологического объема из множества технологических объемов, а по меньшей мере одна дополнительная поверхность теплового раздела определена между испарительной секцией и конденсационной секцией двух смежных технологических объемов.
15. Пластина для пластинчатого теплообменника для обработки подаваемого вещества, такого как морская вода, причем пластинчатый теплообменник включает в себя пакет пластин, содержащий множество теплообменных пластин, расположенных в последовательном порядке, при этом пакет пластин определяет нагревающий объем для приема теплоносителя, охлаждающий объем для приема хладоносителя и множество технологических объемов, каждый из которых отделен по текучей среде друг от друга в пакете пластин, при этом каждый из технологических объемов включает в себя:
испарительную секцию, выполненную с возможностью испарения по меньшей мере части подаваемого вещества;
отделительную секцию, выполненную с возможностью отделения неиспарившейся части подаваемого вещества от испарившейся части подаваемого вещества; и
конденсационную секцию, выполненную с возможностью конденсации испарившейся части подаваемого вещества,
причем каждая теплообменная пластина определяет первую поверхность теплового раздела между нагревающим объемом и испарительной секцией первого технологического объема из множества технологических объемов, вторую поверхность теплового раздела между охлаждающим объемом и конденсационной секцией второго технологического объема из множества технологических объемов и по меньшей мере одну дополнительную поверхность теплового раздела между испарительной секцией и конденсационной секцией двух смежных технологических объемов.
