用於海水脫鹽系統的蒸發器管的製作方法
2023-07-06 05:38:21
專利名稱：用於海水脫鹽系統的蒸發器管的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種海水脫鹽系統中所使用的蒸發器管，藉此，特別是在某些缺乏淡水資源的地區，可從海水中分別提取飲用水、家庭或工業用水。
背景技術：
在實踐中，多種通過蒸餾使海水脫鹽的方法已經被接受。用於該目的的已知系統如多級閃蒸系統(MSF)、多效系統(ME)、以及機械蒸汽壓縮(MVC)系統和熱力(TMC)蒸汽壓縮系統。在所有這些系統中，大量的蒸發器管被用於海水的蒸發和蒸發能量的回收利用，其中所述的蒸發器管通常結合成束，例如大約1000個蒸發器管的束。這些蒸發器管可以如同降膜蒸發器一樣豎直安裝，也可以水平安裝。
在操作中，將海水膜設置在管的外側或內側，將如此產生的蒸汽引導至管的另一面使蒸氣在略高的壓力下在此冷凝，所述水汽也因此可以在較高的溫度下凝結。將在此過程中所釋放的冷凝熱通過管壁傳遞到管的另一面，並在此處引起相應數量的海水從海水膜中蒸發。
考慮到操作的條件，所有系統中的蒸發器管都必須能同時抵抗海水和蒸餾水的腐蝕，同時還要具有良好的熱傳導性能。在這樣特殊的條件下，鋁合金及銅、鎳、鐵合金(CuNiFe管)的蒸發器管是迄今為止已知可以接受的蒸發器管。這兩種材料均具有良好的熱傳導性能。鋁管具有更高的成本效率，但只能在最高60～70℃的溫度下經濟地和持久地使用。另一方面，CuNiFe管由於具有較高比例的鎳，因此即使在較高的溫度下也可以獲得改善的抗海水腐蝕性能。然而，隨著鎳比例的增加，這種蒸發器管的價格也隨之增加，從而降低了作為整體的海水脫鹽系統的經濟效率。而且，目前所使用的蒸發器管的壁厚通常為2mm，這對於管的使用壽命具有正面的影響，但也決定了整個海水脫鹽系統的重量相當程度上是來自大量所需的蒸發器管。這樣就顯著地增加了建造這樣的海水脫鹽系統的後勤支出，特別是在偏遠地區。
此外，如果該海水脫鹽系統要在可變的、非恆定的操作條件下運行，則對抗腐蝕性的要求將特別高。在使用根據DE 3613871 A1所述的系統所進行的實際實驗中顯示，用於海水脫鹽的以風能為動力的蒸汽凝結系統與相應的具有恆定能量供應的穩定運行系統相比，其中的鋁管和CuNiFe管均會受到顯著更快的腐蝕作用。值得注意的一點是，在CuNiFe管的蒸餾物一面的腐蝕作用明顯比海水面更強。
另外，在實際條件下發現，在用於海水脫鹽的以風能為動力的蒸汽凝結系統中，在蒸發器管上形成水垢的風險比在穩定運行的系統中要高很多。當蒸發器管在和風或弱風期間幹轉(沒有產出地運轉)時，該現象就更顯著。通常作為對策而使用的防垢劑對於解決該問題並不合適，因為它們不足以延遲水垢的產生。目前唯一可能的防止水垢的有效方法是在海水蒸發前用酸清除碳酸鹽而使其變成二氧化碳。然而，這會產生進一步的問題，即由於在分配酸時的誤差，必須預計存在酸添加量過高的情況，因此甚至在較低的pH值時，蒸發器管也必須具有抗腐蝕性。
發明內容
因此，本發明所基於的目的是，進一步改進用於海水脫鹽系統的蒸發器管，使其能夠克服現有技術的缺陷，同時還適用於間歇操作的海水脫鹽系統。
通過具有權利要求1所述特徵的蒸發器管可以實現該目標。因此，根據本發明，首次提出用鋼來形成蒸發器管，所述鋼既可以抵抗海水腐蝕，同時還可以抵抗酸的腐蝕，所述的蒸發器管的壁厚為0.1mm～0.5mm。
特別是，本發明首次摒棄了目前流行的一種偏見，即鋼不適合用作海水脫鹽系統中蒸發器管的材料。也就是說，目前僅僅認為只有特殊的、高合金的鋼具有在海水脫鹽系統所存在的條件下所要求的抗腐蝕性，但通常這樣的鋼熱傳導性很低。根據本發明，已經認識到這樣的鋼仍然可以使用，因為，當將先前提出的至少2mm的壁厚顯著減少時，也不會明顯地削弱該裝置的穩定性。這樣這種材料所固有的低導熱性的缺點通過減少熱傳導的距離而得到補救。此外，從本發明的結構中可知，對於從蒸餾蒸汽到海水膜的熱傳遞，從蒸發管表面到蒸汽或到海水的熱傳遞明顯要比通過管壁的熱傳導更重要。
根據本發明，對於海水脫鹽系統的經濟運行，現在也是首次可以應用鋼蒸發器管，同時與使用傳統的蒸發器管的情況相比，本發明的鋼蒸發器管還產生了明顯更高的抗腐蝕性。此外由於這樣的鋼對於低pH值更穩定，因此還可以有利地用於在蒸餾步驟前在海水中加入酸的系統中，由此，可以可靠地防止在蒸發器管上形成水垢。這樣本發明的蒸發器管還特別適用於以風能為動力的海水脫鹽系統。
本發明的另一個優點是所述鋼管可以以有競爭能力的價格而獲得。由於所需的機械穩定性，本發明的蒸發器管的壁厚被限定為最小約0.1mm。如此之薄的管特別適用於管腔內壓力高於外部壓力的系統，即餾分凝結在管內側的系統。
由於與例如傳統的CuNiFe材料相比，不鏽鋼之類的材料具有有利的強度性能，因此根據本發明它們也可以用於管腔內壓力低於外部壓力的系統中。特別是在使用降膜蒸發器的情況下。儘管壁厚較小，但根據本發明，可以可靠且持久地避免蒸發器管的壓曲。
本發明另一個優點是，由於本發明所選的蒸發器管的壁厚較小，在海水脫鹽系統中該蒸發器管以及成束的蒸發器管就能保持較低的重量。
這樣本發明的蒸發器管就可以被經濟地提供和使用，具體地說，其特徵在於所述蒸發器管具有較高的抗腐蝕性及由於具有較薄的管壁而產生的良好的熱傳導性。
本發明有益的開發內容正是所附權利要求的主題。
所述蒸發器管可以用根據DIN EN(德國工業標準英文版)10 088-2(美國ASTM/UNS S 34565)的材料號為1.4565S的鋼材製成，這是一種對海水具有極高的耐腐蝕性的鋼。這樣，即使是非常薄的蒸發器管也能具有足以使用許多年的使用壽命。該材料簡稱為X3CrNiMnMoNbN23-17-5-3，且已在實際試用中得到非常良好的結果，所述材料具有800～1000N/mm2的拉伸強度Rm，斷裂伸長率至少為30％，並在至少420N/mm2下具有0.2％的極限永久伸長率Rp 0.2。
進一步發現，如果蒸發器管壁厚在0.2mm和0.3mm之間，則該蒸發器管更適合於通常的應用。這樣的壁厚可以很好地兼顧該蒸發器管的功能要求和處理性能。
如果用金屬板形成蒸發器管並用焊接方法生產則更為有利，因為其生產成本極低。在很低的技術支出下，這樣的鋼板或鋼帶即可根據所需的方式成形，並焊接以形成管狀結構。這裡特別可以採用自動雷射焊接技術來生產高品質的焊接縫，使其具有與管同等的抗腐蝕性，這樣連接處就不會成為本發明的蒸發器管上的薄弱點。這樣即可以用甚至更低的成本來生產本發明所述的蒸發器管。
此外，可以將蒸發器管的管端與由同種鋼材構成的管基部(tubebottom)相連接。這樣所具有的優點為，蒸發器管的安裝和定向所必須的管基部可以具有與蒸發器管相同的熱膨脹係數，且腐蝕電位沒有差別，而在使用兩種不同金屬材料的情況下則會出現該電位差，所述兩種不同金屬在金屬的電化序中具有不同的標準電極電位。在實際實驗中發現，如果管端和管基部通過焊接連接，優選通過雷射焊接，則是特別有利且經濟的。在管壁足夠厚的情況下，管端可以直接焊接到管基部。此外，這裡應進一步理解，管基部不僅僅是用於安裝在蒸發器管的末端，還可以通過該管基部或幾個這樣的管基部，將用於所蒸發的海水的空間與用於凝結出的蒸餾物的空間彼此分隔開。為此目的，在蒸發器管與管基部的凹槽之間，傳統上需要用塑料密封件或橡膠密封件進行密封，但由於根據本發明所提供的對部件的焊接，該密封件可以省略。在實際實驗中還發現，與藉助密封件的情況相比，該焊接可以使海水區與蒸餾物區更好、更可靠地分開。以這種方式，可以顯著降低對故障的敏感性。其附加的優點在於這樣的事實，即由於節省了與海水脫鹽系統中的蒸發器管數量相應的所需的大量密封件，因此可以獲得相當可觀的成本優勢。
如果蒸發器管的橫截面不同於圓環形就會更加有利。換句話說，垂直於管軸的切面或斜切面的相交線可以至少在某些地方不同於圓環形或橢圓環形，這可以通過例如壓印連續的螺旋線以使管成形來實現。這導致了降膜中附加湍流的產生，從而使熱傳遞得到了改善。熱傳遞得以改善的另一個原因是由於通過成形增大了管壁的表面。通過蒸發器管中的該形狀變化，還可以使降膜偏離重力作用的方向，這使得該液膜難以破裂，並減少了形成不被降膜潤溼的乾燥點的可能性。這樣，海水脫鹽系統的效率得以提高，且在蒸發器管壁上形成水垢的危險得以減少。管壁的成形優選在不使蒸發器管的安裝和其與管基部的連接產生問題的情況下進行。例如，如果管的成形區的直徑在任何部位都不大於未成形管的直徑，和/或如果計劃用於連接到管基部的區域沒有成形時，情況就是如此。
本發明的蒸發器管可以極好地應用於已知的海水脫鹽系統中，其選擇性地還可以通過改型進行應用。此外它有助於對該海水脫鹽系統的效率、可靠性和耐久性作出實質性的改善。
除了所述的實施方式，本發明還包括更多的構造方法。
可以使用具有相似性質的鋼來替代根據DIN EN 10 088-2的材料號為1.4565S的鋼。例如根據DIN EN 10 088-2材料號為1.4439(X2CrNiMoN17-13-5，美國UNS S31726)和1.4539(X1NiCrMoCu25-20-5，美國UNSN08904)的鋼。另外，也可以用奧氏體不鏽鋼，例如所謂的6％-Mo鋼，其中包括AL-6XN、1925 hMo SB8、25-6Mo、254 SMO、20Mo-6、YUS 170、2419 MoN、B66、3127 hMo、654 SMO等(UNS號N08367、N08932、N08926、S31254、N08026、N08925、S31266、N08031、S32654)。另外，也可以使用鈦或鈦合金作為蒸發器管的材料。
此外蒸發器管也可通過擠壓成形等方法製造。
權利要求
1.用於海水脫鹽系統的蒸發器管，其特徵在於，所述蒸發器管由具有抗海水腐蝕性和耐酸性的鋼製成，並具有0.1mm～0.5mm的壁厚。
2.如權利要求1所述的蒸發器管，其特徵在於，所述蒸發器管是由根據DIN EN 10 088-2的材料號為1.4565S的鋼製成。
3.如權利要求1或2所述的蒸發器管，其特徵在於，所述蒸發器管具有0.2mm～0.3mm的壁厚。
4.如權利要求1～3中任一項所述的蒸發器管，其特徵在於，所述蒸發器管由金屬板形成，並通過焊接法製得。
5.如權利要求1～4中任一項所述的蒸發器管，其特徵在於，所述蒸發器管的管端與由同種的鋼構成的管基部相連接，兩者特別是通過焊接連接。
6.如權利要求1～5中任一項所述的蒸發器管，其特徵在於，所述蒸發器管的橫截面有別於圓形。
全文摘要
本發明涉及一種海水脫鹽系統中所使用的蒸發器管，藉此，特別是在淡水儲備極少的地區，可從海水中提取出飲用水或工業用水。本發明所述的蒸發器管的特徵在於由同時具有抗海水腐蝕性和耐酸性的鋼製成，並具有0.1mm～0.5mm的壁厚。本發明所述的蒸發器管可以經濟地製造和使用，其特徵在於，在具有高抗腐蝕性的同時，由於具有較薄的壁，因而還具有良好的熱傳遞性，同時對於較低的pH還具有較高的抗腐蝕性。此外，還可以可靠地防止蒸發器管上水垢的形成。因此，它適用於在間歇式運行的海水脫鹽系統例如以風能為動力的海水脫鹽系統中經濟地運行。
文檔編號C02F1/04GK1659103SQ03812734
公開日2005年8月24日 申請日期2003年4月4日 優先權日2002年4月5日
發明者烏爾裡希·普朗蒂科 申請人:Wme風力驅動海水淡化有限公司