一種中、高壓板式換熱裝置的製作方法

2023-07-10 05:14:46

專利名稱：一種中、高壓板式換熱裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種板式換熱設備的製備方法，特別是板程工作壓力處在1.OMpa-lO. OMpa之間的板式蒸發器的蒸發元件一換熱元件的製備方法，以及用這種方法製備的換熱元件和蒸發裝置。本實用新型所述的製備方法仍屬於一種用焊接法進行製造的方法。板式蒸發器是一種先進的低壓蒸發濃縮設備之一，是目前世界上比較先進的蒸發濃縮設備，自從上世紀80年代末引入我國至今，歷經不斷的升級完善，被廣泛應用於各種工業領域，以滿足各工業領域生產工藝流程的需要。近些年來，由於造紙工業鹼回收和食品、醫藥、飲料、啤酒等行業的迅速發展以及各國節能減排的環保要求，板式蒸發器的應用更為廣泛。儘管板式蒸發器與管式蒸發器等其他蒸發設備相比有效率高、使用簡單、清洗維修方便等諸多優點，但是，其應用範圍仍然受到很大的限制，在承受中、高壓力的情況下依然主要使用管式蒸發器，其主要原因是板式蒸發器的結構和製造工藝的原因導致的板式換熱元件承壓能力不高、可靠性差等無法克服的缺點。通常使用的板式蒸發器的工作壓力一般不超過O. 6Mpa，極限承壓能力也不會超過1. OMpa，而且在使用過程中由於氣體的振動、汽錘衝擊等作用，容易造成焊點開裂、周邊破損等破壞形式發生，設備使用可靠性較差。造成以上現象的原因是傳統板式蒸發器的承壓和換熱的核心元件即換熱元件的製備方法。現有的板式換熱元件製備方法是先將兩張相同尺寸規格的薄板材料四周邊緣採用氬氣保護焊縫焊，形成一個四邊焊合而中空的元件，再焊接一個進水管，然後送入專用成型模具內，模具上有等間距布置的圓柱形壓頭，緊緊將兩薄板壓在一起，再向兩板料中間注水加壓，在上下模具圓柱形壓頭接觸部位約束局部變形，以外的其它部分被鼓脹隆起，形成流線型空腔表面。在成型之後控幹水分，再將圓柱形壓頭壓緊的部分用點焊機焊接，使之在工作過程中焊點處能承受一定的壓力而不致張開。再接著按設計要求的開口位置和幾何尺寸割開四周某焊合處，並擴出一個開口，焊接用於通入蒸汽和排出冷凝水的集箱，再按設計要求將已開口的一定數量的各加熱元件焊合，組成換熱器。為提高板式換熱元件承壓能力，現採用的主要方法和途徑大致有三種，其一，減小點焊點的間距，這從理論上很容易得到驗證，因為減小點焊點的間距便意味著增加點焊點的數量，如果每一個點焊點的承載能力都相同，那麼點焊點數量多則意味著承載能力強；其二，增加點焊點的直徑，因為點焊點實際受力的部位其實就是焊接形成的圓形焊接界面的最外側，直徑大就意味著受力部分延長；其三，改變換熱元件的進汽和冷凝水出水方式，提高結構承壓能力。但就實際生產情況而言，只有改變換熱元件的進汽和冷凝水出水方式這種辦法切實可行，前兩種辦法在實際生產過程中都很難實現。前述兩種技術措施所存在的問題是一、採用電阻點焊結構及焊接方式形成的焊點成為蒸發器中的危險斷面焊接換熱元件時點焊的焊接方式為壓力電阻焊的一種，其焊接過程大致分為1、上下焊接電極移動將工件牢牢壓緊，2、兩電極放電，使重疊在一起的兩板料從接觸位置熔化，持續放電直至兩板料整個厚度基本熔化，3、電極停止放電，持續保證壓緊狀態，使被放電熔化的兩板料粘接在一起，形成焊縫。不難看出，在一臺蒸發器中，數以千萬計的點焊焊縫其本質上是一個鑄態形式，在其焊接過程中由於上下電極的壓力作用，當鋼材被放電熔化後被擠壓變形而局部減薄，由於局部的形狀突變會形成應力集中區，同時，點焊造成的熱影響區域面積較大，使這些焊點處成為整個蒸發器中最薄弱的部分。二、點焊點間距不可調整不同的焊點間距就意味著需要有不同的成型模具，改變點焊點的間距就需要重新製作大量的鼓脹成型模具，使得成型機的加工、維修費用成倍增加，致產品經濟性大大降低。由於模具製造的局限性和生產效率的原因，一般情況下圓柱形壓頭壓緊部分的間隔是不改變的。三、增大點焊點直徑無法實現增加點焊點的直徑就意味著焊接能量消耗增大，因為焊接能量是和點焊點半徑的平方成正比，目前點焊機所能焊接的點焊點直徑也不會超過8mm，如再增加，則需要研發和配備大功率的焊機，現有工廠配電系統容量也無法滿足，更不符合科技進步和節能降耗的社會形勢。四、換熱元件的四周採用氬氣保護焊進行縫焊的方式存在結構缺陷現有技術採用的這種焊接方式焊接後，焊接接頭部分的焊肉薄弱，本身強度不高，加之受力方式為交變的彎應力，很容易造成疲勞破損，同時在板片內部受壓時，周邊封邊焊縫部分極易撕裂。由於上述原因，使用現有技術所得到的板式蒸發器換熱元件的承壓能力不可能有進一步的提高，形成板式換熱裝置使用的瓶頸。
發明內容本實用新型提供一種可以解決現有技術存在的不足的中高壓板式蒸發裝置的製備方法，以及所製備的裝置。本實用新型的中、高壓板式蒸發裝置的換熱元件的製備方法是首先將兩張板片的周邊採用雷射焊縫焊形成一個周邊焊合的中空元件，然後按設計要求分別在中空元件的進水位置和出水位置切去部分焊道，再將兩段管節分別設置於切去焊道的部分，將管節外壁和板片焊接並使管節內部與兩張板片的內部連通，分別形成蒸汽入口管與冷凝水出口管，再在中空元件平面上按設計要求確定的陣列用雷射焊出由多個圓圏形焊道組成的陣列，且在圏形焊道處將上下兩個板片焊合在一起，再進行消除焊接應力的處理，然後將高壓水通過蒸汽入口管與冷凝水出口管送入中空元件內進入鼓脹成型，製成換熱元件。採用本實用新型的方法製備的換熱元件，因為是利用雷射焊，其周邊焊道的寬度可以進行調節，而且可以焊接一道以上，能大大提高板片間的抗撕裂能力。其次，本實用新型是先用雷射焊焊出圓圏形焊道將上下兩張板片在局部焊合，並以這些圓圏形焊道的直徑與寬度極容易進行調整，因此可很容易的增加焊點處的受力面積，提高其抗張力。第三，本實用新型是先進行焊接再進行脹鼓形變，而且形變是通過液力形成，在變形過程中無模具壓頭的外力作用，因此其變形將比現有技術更為均勻，可以基本上不存在應力集中的區域。同時，由於雷射焊焊道狹窄，焊接能量小，焊接形成的熱影響區域也較小，使得材料受力情況大為改善。用本實用新型所述的中高壓板式蒸發裝置的換熱元件的製備方法製備的換熱元件，其特徵在於換熱元件的周邊內有至少有一道縫焊的焊道，換熱元件的界面為由一個個鼓包和一個個由圓圈形焊接凹陷組成的陣列構成的具有流線型外表的界面。本實用新型由於其換熱元件的兩個板片周邊內採用縫焊形成至少一道焊道，這種焊道要比現有技術的在板材四周側面邊緣採用氬氣保護焊縫焊形成的焊接區域受理方式更為合理，使原有彎曲受力改變為受拉力作用，因此其抗張度大於現有技術形成的焊道的抗張度。本實用新型的中、高壓板式蒸發裝置，由殼體、設置於殼體內的安裝支架上的換熱元件、換熱元件間的空間構成的蒸發介質腔、分配器、除沫器、二次蒸汽出口接管、蒸發介質入口、冷凝水出口接管和蒸汽入口接管組成，其中所用的換熱元件為用本實用新型的方法製備的換熱元件，即換熱元件的界面為由一個個鼓包和一個個由圓圈形焊接凹陷陣列組成的具有流線型外表的界面。本實用新型的中、高壓板式蒸發裝置中，其各換熱元件上的蒸汽入口管與冷凝水出口管位置間隔布置，即相鄰的兩個換熱元件的蒸汽入口管與冷凝水出口管分別設置於兩個方向。這樣可以節省空間，克服所有的換熱元件上的蒸汽入口管與冷凝水出口管均設置於同一側時，佔用較大的空間的不足。也使得蒸發介質流動更為順暢，安裝維修空間加大。本實用新型可以完全解決現有技術存在的不足，能大大提高板式蒸發裝置的承壓能力。
附圖1為本實用新型換熱元件四邊採用雷射封邊焊接的示意圖。附圖2為本實用新型換熱元件切除局部焊接封邊的示意圖。附圖3為本實用新型換熱元件焊接蒸汽入口、冷凝水出口無縫鋼管後的示意圖。附圖4為本實用新型換熱元件採用雷射焊接承壓焊點後的示意圖。附圖5為本實用新型換熱元件雷射焊接圓圈陣列的局部放大示意圖。附圖6為附圖5截面剖切示意圖。附圖7為本實用新型換熱元件鼓脹成型後的截面示意圖。附圖8為本實用新型中高壓板式降膜蒸發器整體結構剖視示意圖。 附圖9為附圖8的左視位置示意圖。圖中I為循環液出口，2為冷凝水出口接管,3為汽液混合管,4為檢修人孔,5為換熱元件安裝支架，6為設備殼體，7為換熱元件，8為分配器，9為分配器安裝支架，10為蒸汽入口接管，11為除沫器，12為二次蒸汽出口，13為循環液入口， 14為蒸汽入口無縫鋼管，15為分配器底板，16為冷凝水出口無縫鋼管，17為不凝氣出口接管。
具體實施方式
本實用新型
以下結合附圖和實施例進行解說。本實用新型的換熱元件製備方法如下首先將卷料矯正平整後剪切成相同尺寸規格的板片。再將兩張板片疊合在一起，然後沿板片的四周周邊採用雷射焊接的方式將四邊用直線細焊道封焊起來，形成一個四邊焊合而中空的元件，參見附圖1。如此形成的工件焊縫在使用過程中主要的受力方式為承受拉力作用，由於受力方式的改變，提高了承力能力，增加了設備可靠性。同時本實用新型形成的焊道由於是一條細實線，所以在焊接時電量消耗小，節能效果明顯。由圖1還可見，本實用新型中在板片的四周採用了雙焊道縫焊，這可以進一步提高設備的可靠性。在完成前一工序後，再將已經四周封焊兩板料的長邊兩端封焊焊道按使用要求或設計要求切割去除一部分，切去的部分作為進汽和冷凝水出口使用，見圖2。再將加工帶有缺口的無縫鋼管管節外壁和板片焊接在切割去除焊道的部位，使管節內部與兩張板片的內部連通，分別形成蒸汽入口管與冷凝水出口，參見圖3，圖3中右小角的局部小圖是出水管部分的剖面示意圖。然後再根據使用要求確定換熱元件焊點直徑和間距，將由前面工序處理過的板片放置到雷射焊機進行焊點焊接，所焊接的焊點為一個圓圈，形成如圖4所示的焊點陣列。本實用新型的這種加工方法不受成型模具和電阻焊機的約束，所以各焊點之間的間距和焊點圓的直徑可以任意調整。通過減小焊點間距或增大焊點圓的直徑都可以大大提高換熱元件的使用承壓能力。本實用新型採用雷射焊接形成的焊道為細線，所以形成的焊點結構為一圈細線圓焊道，其內部仍保持材料原始形態，焊點內部無需整體熔合，既減少了能量消耗，又使焊接所造成的熱影響區大大減小。通過理論計算計算，當焊點間距調整為50mm，焊點直徑調整為0 20mm時，換熱元件理論承壓能力將可達到10. OMpa。本實用新型的焊點結構參見附圖5和附圖6。在完成焊點焊接後將已經焊接完畢的換熱元件採用機械方式矯正平整，並進行消除焊接應力與形變的處理，如進行時效震動處理。將換熱元件送進水壓鼓脹成型機進行鼓脹成型作業。此時封堵換熱元件一側的管口，從另一側管中慢慢注入高壓水，在水力的作用下，隨著水壓升高，逐漸達到材料的屈服強度，換熱元件兩板料相互離開，向兩側隆起，水壓不斷升高，隆起高度不斷增加，並形成具有一定高度的空腔，但是，換熱元件四周在上下模和直線焊道的共同作用下，緊貼在一起，不能被水力隆起。同理，由於受到各圓圈焊點的約束，在焊點處的兩板料仍然緊貼在一起，也不能被水力隆起，這樣兩板料將最終形成截面如圖7的局部被隆起，其他局部仍然緊貼在一起的由一個個鼓包和一個個凹陷組成的陣列構成的流線型外表，即換熱元件。本實用新型的方法與傳統加工方式所不同的是無需再用上下模具上的圓柱形壓頭緊緊壓住點焊點部位，而是讓其完全自由，只在換熱元件四周封焊部位使用上下模具緊緊壓住，約束其周邊起皺變形。這樣就無需再大量使用圓柱形壓頭，大大簡化了成型機的結構，使其附件減少、結構簡單、維修方便，使用成本也大大降低。由附圖3可見，本實用新型中在每個換熱元件上獨立設置蒸汽入口和冷凝水出口，可實現換熱元件的單片組裝、拆卸和更換，完全克服和解決了現有組成形式的不足和缺陷，同時，由於蒸汽入口、冷凝水出口均採用在無縫鋼管上開槽與換熱元件焊接的形式，相比較現有的連接底板及箱式結構，本實用新型的換熱元件能承受更大的工作壓力，而且設備的安全性可得到有效提聞。本實用新型中每相鄰的換熱元件安裝時將用於蒸汽進入和排放冷凝水的水管一側左右交錯安裝，即相鄰的兩個換熱元件的蒸汽入口管與冷凝水出口管分別設置於兩個方向，例如第一個換熱元件上的蒸汽入口管與冷凝水出口管的方向設置於左邊，則相鄰下一個換熱元件上的蒸汽入口管與冷凝水出口管的方向設置方向朝右邊，如此交錯安裝放置。這种放置結構既可以減小各換熱元件之間的安裝間距，又能提供一定的焊接操作清洗空間，提高了設備使用的經濟性。附圖8和9為採用本實用新型的換熱元件組裝的高壓板式降膜蒸發器整體結構圖。其中所用的換熱元件為前述的用本實用新型的方法製備的換熱元件。本實用新型的這種高壓板式降膜蒸發器向各換熱元件提供蒸汽的無縫鋼管14穿過分配器，匯集到蒸汽入口接管10中，並與其焊接；經換熱後產生的冷凝水自冷凝水無縫鋼管16中排出，匯集到汽液混合管3中。由於從冷凝水無縫鋼管中排出的冷凝水中夾帶有空氣、不凝性氣體和其他有機揮發物，需要使用真空分離出去，否則會影響下一效蒸發的正常進行。在汽液混合管3的上部開設有孔洞，並連接不凝氣出口接管17 ;下部開設孔洞，連接冷凝水出口接管2，通過這種結構設置，可以有效地將冷凝水與不凝性氣體分離，分別排放。在本實用新型中，蒸汽供熱系統和冷凝水排放、不凝氣出口系統均完全採用無縫鋼管連接相焊，其承壓能力顯著提高，擯棄和放棄了傳統蒸發器中採用框式箱體形式用於進汽、排水的結構，使得設備整體性加強、結構緊湊，零部件使用大為減少，有效降低了設備成本，維護和修理費用大大降低。採用本實用新型可將中高壓板式降膜蒸發器作為熱裂解裝置和傳統蒸發設備雙重使用。由於傳統板式蒸發器承壓能力和可靠性差得的原因，熱裂解根本無法在蒸發器內完成，但是本實用新型的中高壓板式蒸發器完全能夠實現這一要求。本實用新型在製備好換熱元件後，再依次加工如殼體、分配器、除沫器等其他零部件，按照要求整體組裝，連接各工藝接管，使其成為一臺完整的高中壓板式蒸發器。在本實用新型中將每一個換熱元件單片獨立設置蒸汽入口、冷凝水出口，實現了單片組裝、拆卸和更換的連接形式。本實用新型的板式降膜蒸發器作業過程是開啟系統循環泵，將需要被蒸發濃縮的液體從循環液入口 13進入到分配器8內，由分配器8平均分配到各換熱元件7的表面，形成薄膜向下流動，同時向蒸發器內通入熱源蒸汽，由蒸汽入口接管10進入到設備內部，並經蒸汽入口無縫鋼管14進入到各個換熱元件7內，與換熱元件7外的待蒸發液體充分換熱，待蒸發液體被不斷加熱繼而達到沸點，並產生二次蒸汽經除沫器11進行氣液分離，得到純淨、高品質的二次蒸汽後由二次蒸汽出口 12排出，作為其他設備的熱源重複利用。熱源蒸汽在蒸發器換熱元件7內產生熱交換而發生相變，成為冷凝水，由冷凝水出口無縫鋼管16排送到汽液混合管3內。由於從冷凝水出口無縫鋼管16中排出的冷凝水中夾帶有空氣、不凝性氣體和其他有機揮發物，需要使用真空分離出去，否則會影響下一效蒸發的正常進行，因此經過汽液混合管3後，由於系統真空作用，空氣、不凝性氣體和其他有機揮發物從不凝氣出口接管17中排出，冷凝水從冷凝水出口接管中排出。往復循環，完成蒸發過程。蒸發器連接到工藝系統後由各電控閥門、變頻器、液位控制器、差壓變送器等電控元件和電氣、儀表、控制電腦及程序組成的智能化DCS控制系統按預定程序進行工作，完成連續、有效的蒸發工藝。升高通向蒸發器內的熱源蒸汽，使其達到中壓程度，繼續加熱至黑液溫度達到18(T19(TC，並保持蒸發器殼體壓力達到1. 2MPa，在此溫度壓力下黑液中樹枝狀的長分子鏈被打斷，形成小分子物質，有效減小分子間的內摩擦力使其粘度大大降低，且不可逆轉，形成一個蒸發和裂解的共同過程。本實用新型中每相鄰的換熱元件安裝時將用於蒸汽進入和排放冷凝水的無縫鋼管一側左右交錯安裝，即如果換熱元件上一片無縫鋼管方向朝左，則下一片無縫鋼管方向朝右，如此交錯安裝放置。這种放置結構既可以減小各換熱元件之間的安裝間距，又能提供一定的焊接操作清洗空間，提高了設備使用的經濟性。本實用新型中用於向各換熱元件提供蒸汽的無縫鋼管14穿過分配器，匯集到蒸汽入口接管10中，並與其焊接；經換熱後產生的冷凝水自冷凝水無縫鋼管16中排出，匯集到汽液混合管3中。由於從冷凝水無縫鋼管中排出的冷凝水中夾帶有空氣、不凝性氣體和其他有機揮發物，需要使用真空分離出去，否則會影響下一效蒸發的正常進行。在汽液混合管3的上部開設有孔洞，並連接不凝氣出口接管17 ;下部開設孔洞，連接冷凝水出口接管2，通過這種結構設置，可以有效地將冷凝水與不凝性氣體分離，分別排放。在本實用新型中，蒸汽供熱系統和冷凝水排放、不凝氣出口系統均完全採用無縫鋼管連接相焊，其承壓能力顯著提高，擯棄和放棄了傳統蒸發器中採用框式箱體形式用於進汽、排水的結構，使得設備整體性加強、結構緊湊，零部件使用大為減少，有效降低了設備成本，維護和修理費用大大降低。
權利要求1.一種中、高壓板式換熱裝置，由殼體、設置於殼體內的安裝支架上的換熱元件、換熱元件間的空間構成的蒸發介質腔、分配器、除沫器、二次蒸汽出口接管、蒸發介質入口、冷凝水出口接管和蒸汽入口接管組成，其特徵在於換熱元件為兩張板片的周邊採用雷射焊縫焊形成一個周邊焊合的中空元件，然後按設計要求分別在中空元件的進水位置和出水位置切去部分焊道，再將兩段管節分別設置於切去焊道的部分，將管節外壁和板片焊接並使管節內部與僅兩張板片的內部連通，分別形成蒸汽入口管與冷凝水出口管，再在中空元件平面上按設計要求確定的陣列用雷射焊出由多個圓圏形焊道組成的陣列，且在圏形焊道處將上下兩個板片焊合在一起，再進行消除焊接應力處理，然後將高壓水通過蒸汽入口管與冷凝水出口管送入中空元件內進入鼓脹成型。
2.權利要求1所述的中、高壓板式換熱裝置，其特徵在於換熱元件的周邊內有至少有一道縫焊的焊道，換熱元件的界面為由一個個鼓包和一個個由圓圈形焊接凹陷組成的陣列構成的具有流線型外表的界面。
專利摘要本實用新型公開一種中、高壓板式換熱裝置，特別是用焊接法進行製造的、板程工作壓力處在1.0MPa-10.0MPa之間的板式蒸發裝置。本實用新型的換熱元件的製備方法是首先將兩張板片的周邊採用雷射焊縫焊形成一個周邊焊合的中空元件，然後切去部分焊道，將兩段管節分別設置於切去焊道的部分並進行焊接形成蒸汽入口管與冷凝水出口管，再在中空元件平面上按設計要求確定的陣列用雷射焊出由多個圓圏形焊道組成的陣列，且在圏形焊道處將上下兩個板片焊合在一起，然後在橫挑鼻子豎挑眼間通入高壓水進入鼓脹成型，製成換熱元件。
文檔編號B01D1/00GK202892929SQ201220463360
公開日2013年4月24日 申請日期2012年9月13日 優先權日2012年9月13日
發明者張培洲, 邵琿, 張舒 申請人:蘭州節能環保工程有限責任公司, 九江九洲節能環保工程有限公司