小型真空蒸餾裝置的製作方法
2023-06-09 01:29:26 2
專利名稱：小型真空蒸餾裝置的製作方法
背景-發明領域本發明涉及真空蒸餾裝置，具體涉及小型、內含致冷循環、使用低能耗零件的該類裝置。
背景-先有技術蒸餾工藝在潔淨的水及其它液體的生產中已應用了很長時間。水進入鍋爐並在其中蒸發。然後水蒸汽經過冷卻室冷凝形成純水滴，然後流向蒸餾液出口。蒸餾是唯一的能夠確保除去供水中所含任何固體的水淨化工藝。
水在212華氏度下沸騰的簡單蒸餾系統中存在若干公認的缺點。首先是使水沸騰並從冷凝液中去除多餘熱量所需的能耗。另一個實際的缺點是在較高溫度下有結水垢的可能。在大型蒸餾系統中，已開發出若干種解決方案。例如多級蒸餾，其中從某一蒸餾級回收蒸發過程的部分潛熱來為下一級供熱，使每級的壓力並因而使沸騰溫度依次降低。
另一種解決方案是採用蒸氣壓縮蒸餾裝置，它使大型蒸餾系統所需的能耗降至更低。在蒸氣壓縮蒸餾中，通過沸騰將水蒸發，然後壓縮所產生的蒸氣，這樣使蒸氣壓力並因而使溫度升高。
然後利用該蒸氣加熱鍋爐中的水，並且以此方式回收潛熱。一旦開始進行蒸氣壓縮蒸餾循環，則只需很少的進一步加熱，且只有蒸氣壓縮機本身需要能量。
在小規模蒸餾系統即量級為每天250加侖或更少的情況下，多級蒸餾和蒸氣壓縮蒸餾的基本投資使這些可選方案難以接受。因此所有小規模蒸餾系統都使用在大氣壓力及溫度下的簡單蒸餾法。
本發明包含對傳統簡單蒸餾法的多項改進，例如採用致冷循環進行熱回收。此外本發明能在不使用昂貴的機械泵的情形下形成真空，並且將通常分離的鍋爐和冷凝器合併成一個整體單元。
這些創新其成果是一套能夠批量生產高純度蒸餾水的系統，與簡單蒸餾相比較，其能耗相當低。此外，低溫蒸餾的另一個優點是能消除水中通常存有的雜質所形成的水垢。
發明的目的和優點因此，除了在我的上述專利中所說明的真空蒸餾系統的目的和優點外，本發明的若干目的和優點是(a)本發明的主要目的和優點在於一種新穎的用於生產高純度水的真空蒸餾工藝，它所用能量少於傳統的簡單蒸餾系統。
(b)本發明的另一目的和優點在於一種創新的在系統中形成真空的方法，該方法減免了對機械式真空泵的使用需求。
(c)本發明的另一目的和優點在於使用加熱真空形成裝置，可在低溫下進行水的蒸餾。
(d)本發明的另一目的和優點在於由於所用沸點較低，鍋爐和冷凝器單元上結垢減少，因此減免了除垢及使用除垢劑的需求。
(e)本發明的另一目的和優點在於由於該裝置的運行溫度較低，可使用較低成本的材料。
(f)本發明的另一目的和優點在於較低的沸騰溫度使該裝置的處理和運行更加安全。
(g)本發明的另一目的和優點在於將通常分離的沸騰與冷凝功能合併在單一容器中。
(h)本發明的另一目的和優點在於一種採用增強式循環傳熱裝置的創新方法，使鍋爐的總體積顯著減小。
(i)本發明的另一目的和優點在於易於將本發明合併在標準冰箱系統的設計中，其中冰箱的冷凝器和蒸發器元件可以與該裝置的相同元件製成一體。
附圖簡要說明
圖1a為典型的獨立式批量處理蒸餾單元的簡圖。
圖1b為獨立式批量處理蒸餾單元的局部截面，圖示出該設計的各個部件。
圖2a為典型的標準家用冰箱的示意圖，圖示出批量處理水蒸餾單元的位置。
圖2b為批量處理蒸餾單元的局部截面，該單元本身帶有致冷劑蒸發器並且集成在標準家用冰箱中。
圖2c為批量處理蒸餾單元的局部截面，該單元本身不帶致冷劑蒸發器並且集成在標準家用冰箱中。附圖標記列表4外殼6支承底座8冰箱箱體10致冷劑壓縮機11電源線12致冷劑排出管線，水蒸發器的起點14致冷劑冷凝器，水蒸發器16冰箱冷凝器隔罩18水蒸發器的終點20散熱器21強制通風風扇22致冷劑壓力降低裝置Ⅰ24致冷劑蒸發器Ⅰ和蒸汽冷凝器26蒸汽冷凝器終點，熱交換器起點28熱交換器29致冷劑壓縮機的抽吸管線30蒸氣發生裝置的供液連接管32真空形成裝置的加熱器元件34真空形成裝置的蒸氣分離器36進水閥38排水閥40蒸餾液收集器42蒸餾器容器43容器絕緣襯44蒸餾液／空氣出口閥46蒸餾器容器與蒸餾液儲罐之間的連接管48空氣排放孔50蒸餾液儲罐52蒸餾液排放閥54三通電磁閥Ⅰ56三通電磁閥Ⅱ58致冷劑壓力降低裝置Ⅱ60致冷劑蒸發器Ⅱ62三通電磁閥Ⅲ附圖靜態描述圖1a示出了用於水蒸餾的本發明典型實施裝置。該實施裝置包含壓縮機(10)；如圖1b所示的蒸餾器容器(42)，該容器把水蒸發器(14)、真空形成裝置(30至34)、蒸汽冷凝器(24)、蒸餾液收集器(40)組成一個整體單元；散熱器(20)；以及蒸餾液儲罐(50)。該實施裝置還具有進水閥(36)、電源線(11)、蒸餾液排放閥(52)、排水閥(38)，該實施裝置安裝在支承底座(6)上，並且整個實施裝置封閉在外殼(4)中。
圖1b詳細圖示了獨立式蒸餾單元，其具有外層金屬或塑料蒸餾器容器(42)，並帶有絕緣襯(43)；該蒸餾器容器內裝有真空形成裝置，該裝置由連接管(30)、加熱器元件(32)和蒸氣分離器(34)組成。
蒸餾器容器(42)內還裝有致冷劑冷凝器盤管(14)、致冷劑冷凝器盤管隔罩(16)、熱交換器(28)、致冷劑蒸發器(24)和蒸餾水收集器(40)。
蒸餾器容器(42)外部安裝有進水閥(36)、蒸餾液／空氣出口閥(44)和排水閥(38)。與蒸餾器容器(42)連接有致冷劑壓縮機(10)和含有致冷劑壓力降低裝置I(22)的散熱器(20)。散熱器(20)還可具有強制通風風扇(21)。
帶有頂部空氣排放小孔(48)和蒸餾液排放閥(52)的蒸餾液儲罐(50)，通過連接管(46)與蒸餾液容器(42)相連。
圖2a示出了集成在標準家用冰箱中的本發明典型實施裝置示意圖。該圖中圖示有蒸餾器容器(42)，它將水蒸發器(14)、真空形成裝置(30至34)、蒸汽冷凝器(24)、蒸餾液收集器(40)、熱交換器(28)以及隔罩(16)合併成一個整體單元；壓縮機(10)；散熱器(20)；蒸餾液儲罐(50)；以及致冷劑蒸發器Ⅱ(60)。
圖2b詳細圖示了蒸餾單元及其自帶的致冷劑蒸發器的局部截面，該單元集成在標準家用冰箱中。該蒸餾單元各細部與上面在圖1b中所述相同，只是增加了三通閥(54)、(56)和(62)，以及與致冷劑蒸發器Ⅱ(60)相連的致冷劑壓力降低裝置Ⅱ(58)。
圖2c為如上面圖1b所述的蒸餾單元的局部截面，只是去掉了其自帶的致冷劑蒸發器Ⅰ(24)、致冷劑壓力降低裝置Ⅰ(22)、兩個三通閥(56)和(62)、以及熱交換器(28)，該蒸餾單元集成在與上面在圖2b中所述相同的標準家用冰箱中。本發明工作或操作原理說明為了解釋該系統的操作，下面將分節對獨立型和集成型加以說明。
1．獨立蒸餾系統所提出的獨立式批量處理蒸餾系統的基本原理是使真空容器底部的水沸騰以產生蒸汽，然後使蒸汽至真空容器頂部的冷凝器。隨即該蒸汽被冷凝成蒸餾水。圖1b詳細圖示了所提出的蒸餾系統。本發明的工藝過程可被分為以下幾個階段加注水、形成真空、產生蒸餾液、排放蒸餾液。
1．1加注水由於本發明涉及批量處理，所以第一步就是在蒸餾器容器(42)中加注水。為了做到這一點，首先打開蒸餾液／空氣出口閥(44)和進水閥(36)，並關閉排水閥(38)。確保壓縮機(10)和加熱器元件(32)關斷。通過閥門(36)將處理過的水加注入蒸餾器容器(42)直到液面超過真空形成裝置加熱器元件(32)，然後，關閉進水閥(36)。此時系統中注滿了水。
1．2形成真空下述形成真空的方法不需要較昂貴的真空泵，而是基於簡單的加熱裝置，其操作如下開啟加熱器元件(32)以產生蒸汽，同時從連接管(30)持續不斷向加熱器空腔中供水。由加熱器元件(32)產生的蒸汽還將致冷劑蒸發器(24)內部的致冷劑蒸氣加熱到過熱狀態。為了冷卻過熱的致冷劑，熱交換器(28)將使過熱的致冷劑溫度充分降低，使真空循環得以進行。
由加熱器元件(32)產生的蒸氣與初始殘存在蒸餾器容器(42)中的空氣一道被推擠出蒸餾液／空氣出口閥(44)、連接管(46)、以及蒸餾液儲罐(50)，並最終從蒸餾液儲罐(50)的頂部空氣排放孔(48)排出。當已有一些冷的蒸餾液時，部分蒸汽將在蒸餾液儲罐(50)中被冷凝。
蒸餾器容器(42)內部襯有絕緣襯(43)以減少水蒸汽在其表面的冷凝，這種冷凝會阻止蒸汽將容器中的空氣排出。由加熱器元件(32)產生的蒸汽將使蒸餾器容器(42)中的空氣變稀，直到幾分鐘後，容器中最終幾乎完全被蒸汽所充滿。然後蒸餾液／空氣出口閥(44)被關閉，加熱器元件(32)被關斷。
從此時起，蒸餾器容器(42)中的壓力將與蒸汽溫度相對應。當開啟致冷劑壓縮機(10)時，蒸餾器容器(42)中的蒸汽壓力將隨蒸汽溫度下降，於是在該裝置的運行過程中形成真空狀態。該裝置將產生範圍為(27-29)英寸汞柱的真空狀態。即使在未排出新進水中的氣的情況下亦會產生此現象。
1．3產生蒸餾液在獨立型裝置中，蒸餾液的生產過程將通過以下兩部分來表述1．3．1水蒸發與致冷劑冷凝，以及1．3．2蒸汽冷凝與致冷劑蒸發在下面各小節中將對這些進行詳細說明。
1．3．1水蒸發與致冷劑冷凝此時開啟壓縮機(10)，過熱的致冷劑蒸氣從壓縮機(10)中排出。致冷劑過熱蒸氣被送到致冷劑冷凝器(14)的頂部，該冷凝器(14)是從點(12)延伸到點(18)的盤管。致冷劑冷凝器盤管(14)被分成兩段。盤管(14)的頂段被包容在隔罩(16)的圓柱部分內部，而盤管(14)的底段被隔罩(16)的盤形部分所覆蓋。整批水在真空條件下被致冷劑加熱。
水在致冷劑冷凝器(14)的底段被預熱，並且持續受熱到冷凝器(14)的頂段。此時在水面以下1-2英寸的水達到過熱狀態，並形成汽／水混合物。汽／水混合物從隔罩(16)的頂端內噴出併到達蒸汽分離器(34)。
蒸汽經過蒸氣分離器(34)上升到致冷劑蒸發器Ⅰ(24)，同時水降落到隔罩(16)之外側。由於蒸汽與液體之間密度不同，驅使隔罩(16)的圓柱部分頂端之外側的水向下，然後流到隔罩(16)的底端平板部分之下，並隨後又升高到隔罩(16)圓柱部分內部。這種增強式循環傳熱裝置提高了水與致冷劑之間的對流傳熱。
同時，致冷劑被水持續冷凝到低蒸氣率狀態。然後低蒸氣率的飽和致冷劑被送到散熱器(20)並被繼續冷凝成液態。
1．3．2蒸汽冷凝／致冷劑蒸發現在致冷劑流經致冷劑壓力降低裝置Ⅰ(22)(例如膨脹閥或毛細管)，進入致冷劑蒸發器Ⅰ(24)。在膨脹過程中液體致冷劑溫度顯著下降，並且致冷劑變成低蒸氣率飽和混合物。
致冷劑的蒸發溫度選定在華氏32度以上，以防止水結冰。致冷劑蒸發器Ⅰ(24)內部的致冷劑從水蒸汽中吸收能量，並且致冷劑蒸發器Ⅰ(24)起到蒸發管的作用以蒸發致冷劑。
同時，蒸汽釋放能量並在致冷劑蒸發器Ⅰ(24)的外部被冷凝，該致冷劑蒸發器Ⅰ(24)在蒸餾器容器(42)內起著蒸汽冷凝器的作用。冷凝液滴落到蒸餾液收集器(40)。致冷劑被送入熱交換器(28)中，該熱交換器(28)從點(26)一直延伸到壓縮機(10)的入口。離開熱交換器的所有致冷劑都應當是單相蒸氣態。
致冷劑離開熱交換器(28)，經過抽吸管線(29)到達壓縮機(10)。在此發生壓縮過程。然後高壓蒸氣經過排出管線到達致冷劑冷凝器(14)，從而完成蒸氣壓縮致冷循環。
上述致冷循環也可由吸收式致冷循環取代。吸收式致冷循環與蒸氣壓縮致冷循環不同，它是使用熱能而不是機械能來實現完成致冷循環所必需的狀態改變。
對致冷循環的利用致使性能提高，提高的比率為從致冷劑蒸發器Ⅰ(24)中釋放出的能量總量除以輸入致冷劑壓縮機(10)的能量，因而與簡單蒸餾系統相比，形成顯著的能量節約。
從上述水蒸餾環路中連續不斷地產生蒸餾水，直到蒸餾液收集器(40)裝滿為止。
1．4排放蒸餾水批量蒸餾工藝的下一部分是將蒸餾液從收集器中排放到外部儲罐中。首先打開排水閥(38)，使空氣進入系統中並打破真空。此時打開蒸餾液出口閥(44)，蒸餾液靠重力排放到蒸餾水儲罐(50)中。此時下個循環將重新開始。2．集成在標準家用冰箱中的蒸餾系統在此給出兩個基本的優選實施例，用於如下面2．1和2．2節所述將本發明集成在家用冰箱中。
2．1帶致冷劑蒸發器的水蒸餾裝置該系統包含兩個環路，一個是水蒸餾環路，另一個是致冷環路。水蒸餾環路的情況與上面1．3節中所述相同。在致冷環路的情況中，致冷環路由三個三通閥(54)、(56)和(62)來控制。於是致冷劑從壓縮機(10)出來到散熱器(20)，經過致冷劑壓力降低裝置Ⅱ(58)進入致冷劑蒸發器Ⅱ(60)以完成致冷循環。
2．2不帶致冷劑蒸發器的水蒸餾裝置該實施方案除致冷劑蒸發器Ⅰ(24)被去掉外，與上面2．1節所詳細描述的相同，致冷劑被送入致冷劑蒸發器Ⅱ(60)，蒸餾器容器(42)的頂部在受到致冷劑蒸發器Ⅱ(60)所供給的冷空氣冷卻時，起到蒸汽冷凝器的作用。小結、衍生方案及範圍因此讀者可看到本發明的小型真空蒸餾裝置可用於生產蒸餾水，且與簡單蒸餾系統相比，能顯著降低能耗。小型真空蒸餾系統的其它優點在於-使能耗降低到低於簡單蒸餾系統的(25-50)％。
-由於將水蒸發器和蒸汽冷凝器合併在一個容器中，使真空蒸餾系統的體積減小，並且通過利用水蒸發器中的隔罩，產生增強式對流。
-採用一種不用真空泵的真空形成裝置，因而可將致冷循環用作產生水蒸汽的加熱源。
-使用加熱真空形成裝置減小了單元的總體積。
-由於沸騰溫度較低，減少了水垢的產生，因而可減免除垢或對化學除垢劑的使用需求。
-該設計易於集成在傳統冰箱中，冰箱中的冷凝和蒸發部件可與該裝置中的相同部件製成一體。
-由於溫度較低，允許使用低成本材料。
-由於真空致使沸騰溫度較低，使該裝置的使用和操作本質上更加安全。
雖然上述說明包含許多特徵，但不應把這些作為本發明範圍的限制條件，而只應作為本發明優選實施方案的示例。
其它許多改型都是可能的。例如，容器可以有許多其它立體形狀，如橢圓、圓、方等，而且所蒸餾的液體可以不是水而是其它諸如乙二醇、海水等等。
因此本發明的範圍不應由圖解說明的實施方案來確定，而應由所附權利要求及其法定等同物來確定。
權利要求
1．一種真空蒸餾方法，包括整個系統形成真空，並且內含致冷循環，其中致冷循環熱側的熱量被用於在真空系統中將要蒸餾的液體蒸發成氣態，而致冷循環冷側被用於將所述蒸氣冷凝回液態。
2．一種靠熱量形成真空的方法，其中熱量被用於蒸發少量液體，從而使蒸氣將蒸餾容器中的空氣排出，一旦部分蒸氣被冷凝成液體，則容器壓力將減小。
3．一種蒸餾液體的方法，包括將所要蒸餾的液體導入，利用如權利要求2所述的加熱真空形成法將空氣排出蒸餾器容器，導致所述液體通過致冷循環蒸發與冷凝。
4．如權利要求3所述的方法，其特徵在於利用所述致冷循環的冷側冷凝所述液體蒸氣。
5．如權利要求1所述的方法，其特徵在於致冷循環中包含蒸氣壓縮致冷循環。
6．如權利要求1所述的方法，其特徵在於致冷循環為吸收式致冷循環。
7．如權利要求1和2所述的方法，其特徵在於在致冷劑蒸發器和壓縮機之間安插有熱交換器，用於在加熱真空形成過程中冷卻致冷劑。
8．如權利要求1所述的方法，其特徵在於利用熱源增強所要蒸餾液體的循環，從而增強加熱器與液體之間的傳熱，而無需藉助機械泵，其結果使整個系統的體積減小、傳熱效率提高。
9．如權利要求8所述的方法，其特徵在於利用隔罩將所蒸餾液體的冷、熱兩部分隔開，使得較冷部分流到隔罩下面，而較熱部分流到隔罩頂部。
10．如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述液體為含有其它物質的水，且生成蒸餾水。
11．如權利要求3所述的方法，其特徵在於所述液體為含有其它物質的水，且生成蒸餾水。
12．如權利要求1所述的方法，其特徵在於將生成蒸餾水的方法與冰箱相結合，使得同一壓縮機在蒸餾與致冷環路中都能起作用，以保持冰箱冷卻並生產蒸餾水。
13．如權利要求1所述的方法，其特徵在於該蒸餾方法是利用從蒸餾循環的熱側蒸發蒸氣，並在同一腔室中將所述蒸氣在致冷循環的冷側冷凝，而不用經過連接管。
14．如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述液體為乙二醇、水、鹽及其它雜質的混合物，而蒸餾出的液體包括蒸餾乙二醇和蒸餾水。
15．一種獨立式真空蒸餾裝置，該裝置內含致冷循環，並且採用沒有機械式真空泵的真空蒸餾方法，生產蒸餾水這種產品。
16．一種用於蒸餾液體的獨立式批量真空蒸餾裝置，包含加熱真空形成裝置，用於在所述裝置中形成負壓；蒸餾器容器，在其中蒸餾所述液體；連接管，連接於所述蒸餾器容器與蒸餾液儲罐及致冷單元之間。
17．如權利要求16所述裝置，其特徵在於所述致冷單元採用蒸氣壓縮致冷循環。
18．如權利要求16所述裝置，其特徵在於所述致冷單元採用吸收式致冷循環。
19．如權利要求16所述裝置，其特徵在於所述加熱真空形成裝置還包含供液連接管，加熱器元件，用於所述加熱器元件的容器，以及蒸氣分離器。
20．如權利要求16所述裝置，其特徵在於在致冷劑蒸發器Ⅰ和從致冷劑壓縮機開始的抽吸管線之間添加有熱交換器，用於在加熱真空形成階段冷卻致冷劑。
21．如權利要求16所述裝置，其特徵在於所述加熱真空形成裝置位於所述蒸餾器容器的中央，且在所述蒸餾液收集器的上方，以使液體與蒸氣之間的接觸面積最小。
22．如權利要求16所述裝置，其特徵在於所述加熱真空形成裝置是絕緣的。
23．如權利要求16所述裝置，其特徵在於所述增強式循環傳熱裝置含有所述隔罩和所述致冷劑冷凝器。
24．如權利要求16所述裝置，其特徵在於所述蒸餾器容器含有致冷劑冷凝器，隔罩，蒸氣分離器，致冷劑蒸發器I，以及蒸餾液收集器。
25．如權利要求23所述的裝置，其特徵在於所述增強式循環傳熱裝置含有另外的熱源。
26．如權利要求16所述裝置，其特徵在於在所述蒸餾器容器和所述蒸餾液儲罐之間的所述連接管一直伸到所述蒸餾液儲罐的底部，用於在真空形成階段對從所述蒸餾器容器中排出的液體蒸氣進行冷凝。
27．如權利要求16所述裝置，其特徵在於所述蒸餾液儲罐帶有空氣排放孔和蒸餾液排放閥。
28．如權利要求16所述裝置，其特徵在於，它還包含有用於加注水、形成真空、產生蒸餾液和排放蒸餾液各階段的自動控制系統。
29．如權利要求16所述的裝置，其特徵在於蒸餾裝置集成在標準家用冰箱中。
30．如權利要求29所述的裝置，其特徵在於所述水蒸餾裝置帶有致冷劑蒸發器Ⅰ。
31．如權利要求29所述的裝置，其特徵在於所述水蒸餾裝置不帶致冷劑蒸發器Ⅰ。
全文摘要
在此公開一種用於蒸餾液體的緻密型真空蒸餾裝置。該裝置包含在其中蒸發液體的蒸發器(14)和冷凝液體的冷凝器(24),蒸發器(14)和冷凝器(24)這兩個單元均裝在同一蒸餾器容器(42)中。利用致冷循環(14,28,24,10)供熱,以使所蒸餾的液體沸騰並將蒸氣冷凝。蒸餾器容器(42)還含有新穎的加熱真空發生器(30,32,34),其在容器內形成真空。該真空使液體能夠在較低溫度下沸騰,因而可將致冷系統用做加熱源與冷卻源,使能耗降低。該裝置能以比簡單蒸餾法低25—50%的成本來生產蒸餾液體。由於體積密集,且使用與傳統冰箱相同的元件,因此該裝置可集成在冰箱致冷系統中並生產蒸餾水。
文檔編號B01D3/10GK1205647SQ96199262
公開日1999年1月20日 申請日期1996年9月20日 優先權日1996年9月20日
發明者王瓊興, 盧遂現 申請人:美國技術集團有限公司