CN102862038A - 一种中、高压板式换热装置的制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用焊接法进行制造的、板程工作压力处在1.0MPa-10.0MPa之间的板式蒸发器的蒸发元件—换热元件的制备方法，以及用这种方法制备的换热元件和蒸发装置。本发明的换热元件的制备方法是：首先将两张板片的周边采用激光焊缝焊形成一个周边焊合的中空元件，然后切去部分焊道，将两段管节分别设置于切去焊道的部分并进行焊接形成蒸汽入口管与冷凝水出口管，再在中空元件平面上按设计要求确定的阵列用激光焊出由多个圆圏形焊道组成的阵列，且在圏形焊道处将上下两个板片焊合在一起，然后在中空元件的板片间通入高压水进入鼓胀成型，制成换热元件。

Description

一种中、高压板式换热装置的制备方法及装置

技术领域

本发明涉及一种板式换热设备的制备方法，特别是板程工作压力处在1.0Mpa-10.0Mpa之间的板式蒸发器的蒸发元件—换热元件的制备方法，以及用这种方法制备的换热元件和蒸发装置。本发明所述的制备方法仍属于一种用焊接法进行制造的方法。

背景技术

板式蒸发器是一种先进的低压蒸发浓缩设备之一，是目前世界上比较先进的蒸发浓缩设备，自从上世纪80年代末引入我国至今，历经不断的升级完善，被广泛应用于各种工业领域，以满足各工业领域生产工艺流程的需要。近些年来，由于造纸工业碱回收和食品、医药、饮料、啤酒等行业的迅速发展以及各国节能减排的环保要求，板式蒸发器的应用更为广泛。

尽管板式蒸发器与管式蒸发器等其他蒸发设备相比有效率高、使用简单、清洗维修方便等诸多优点，但是，其应用范围仍然受到很大的限制，在承受中、高压力的情况下依然主要使用管式蒸发器，其主要原因是板式蒸发器的结构和制造工艺的原因导致的板式换热元件承压能力不高、可靠性差等无法克服的缺点。通常使用的板式蒸发器的工作压力一般不超过0.6Mpa，极限承压能力也不会超过1.0Mpa，而且在使用过程中由于气体的振动、汽锤冲击等作用，容易造成焊点开裂、周边破损等破坏形式发生，设备使用可靠性较差。造成以上现象的原因是传统板式蒸发器的承压和换热的核心元件即换热元件的制备方法。

现有的板式换热元件制备方法是先将两张相同尺寸规格的薄板材料四周边缘采用氩气保护焊缝焊，形成一个四边焊合而中空的元件，再焊接一个进水管，然后送入专用成型模具内，模具上有等间距布置的圆柱形压头，紧紧将两薄板压在一起，再向两板料中间注水加压，在上下模具圆柱形压头接触部位约束局部变形，以外的其它部分被鼓胀***，形成流线型空腔表面。在成型之后控干水分，再将圆柱形压头压紧的部分用点焊机焊接，使之在工作过程中焊点处能承受一定的压力而不致张开。再接着按设计要求的开口位置和几何尺寸割开四周某焊合处，并扩出一个开口，焊接用于通入蒸汽和排出冷凝水的集箱，再按设计要求将已开口的一定数量的各加热元件焊合，组成换热器。

为提高板式换热元件承压能力，现采用的主要方法和途径大致有三种，其一，减小点焊点的间距，这从理论上很容易得到验证，因为减小点焊点的间距便意味着增加点焊点的数量，如果每一个点焊点的承载能力都相同，那么点焊点数量多则意味着承载能力强；其二，增加点焊点的直径，因为点焊点实际受力的部位其实就是焊接形成的圆形焊接界面的最外侧，直径大就意味着受力部分延长；其三，改变换热元件的进汽和冷凝水出水方式，提高结构承压能力。但就实际生产情况而言，只有改变换热元件的进汽和冷凝水出水方式这种办法切实可行，前两种办法在实际生产过程中都很难实现。前述两种技术措施所存在的问题是：

一、采用电阻点焊结构及焊接方式形成的焊点成为蒸发器中的危险断面

焊接换热元件时点焊的焊接方式为压力电阻焊的一种，其焊接过程大致分为：1、上下焊接电极移动将工件牢牢压紧，2、两电极放电，使重叠在一起的两板料从接触位置熔化，持续放电直至两板料整个厚度基本熔化，3、电极停止放电，持续保证压紧状态，使被放电熔化的两板料粘接在一起，形成焊缝。不难看出，在一台蒸发器中，数以千万计的点焊焊缝其本质上是一个铸态形式，在其焊接过程中由于上下电极的压力作用，当钢材被放电熔化后被挤压变形而局部减薄，由于局部的形状突变会形成应力集中区，同时，点焊造成的热影响区域面积较大，使这些焊点处成为整个蒸发器中最薄弱的部分。

二、点焊点间距不可调整

不同的焊点间距就意味着需要有不同的成型模具，改变点焊点的间距就需要重新制作大量的鼓胀成型模具，使得成型机的加工、维修费用成倍增加，致产品经济性大大降低。由于模具制造的局限性和生产效率的原因，一般情况下圆柱形压头压紧部分的间隔是不改变的。

三、增大点焊点直径无法实现

增加点焊点的直径就意味着焊接能量消耗增大，因为焊接能量是和点焊点半径的平方成正比，目前点焊机所能焊接的点焊点直径也不会超过8mm，如再增加，则需要研发和配备大功率的焊机，现有工厂配电***容量也无法满足，更不符合科技进步和节能降耗的社会形势。

四、     换热元件的四周采用氩气保护焊进行缝焊的方式存在结构缺陷

现有技术采用的这种焊接方式焊接后，焊接接头部分的焊肉薄弱，本身强度不高，加之受力方式为交变的弯应力，很容易造成疲劳破损，同时在板片内部受压时，周边封边焊缝部分极易撕裂。

由于上述原因，使用现有技术所得到的板式蒸发器换热元件的承压能力不可能有进一步的提高，形成板式换热装置使用的瓶颈。

发明内容

本发明提供一种可以解决现有技术存在的不足的中高压板式蒸发装置的制备方法，以及所制备的装置。

本发明的中、高压板式蒸发装置的换热元件的制备方法是：首先将两张板片的周边采用激光焊缝焊形成一个周边焊合的中空元件，然后按设计要求分别在中空元件的进水位置和出水位置切去部分焊道，再将两段管节分别设置于切去焊道的部分，将管节外壁和板片焊接并使管节内部与两张板片的内部连通，分别形成蒸汽入口管与冷凝水出口管，再在中空元件平面上按设计要求确定的阵列用激光焊出由多个圆圏形焊道组成的阵列，且在圏形焊道处将上下两个板片焊合在一起，再进行消除焊接应力的处理，然后将高压水通过蒸汽入口管与冷凝水出口管送入中空元件内进入鼓胀成型，制成换热元件。

采用本发明的方法制备的换热元件，因为是利用激光焊，其周边焊道的宽度可以进行调节，而且可以焊接一道以上，能大大提高板片间的抗撕裂能力。其次，本发明是先用激光焊焊出圆圏形焊道将上下两张板片在局部焊合，并以这些圆圏形焊道的直径与宽度极容易进行调整，因此可很容易的增加焊点处的受力面积，提高其抗张力。第三，本发明是先进行焊接再进行胀鼓形变，而且形变是通过液力形成，在变形过程中无模具压头的外力作用，因此其变形将比现有技术更为均匀，可以基本上不存在应力集中的区域。同时，由于激光焊焊道狭窄，焊接能量小，焊接形成的热影响区域也较小，使得材料受力情况大为改善。

用本发明所述的中高压板式蒸发装置的换热元件的制备方法制备的换热元件，其特征在于换热元件的周边内有至少有一道缝焊的焊道，换热元件的界面为由一个个鼓包和一个个由圆圈形焊接凹陷组成的阵列构成的具有流线型外表的界面。本发明由于其换热元件的两个板片周边内采用缝焊形成至少一道焊道，这种焊道要比现有技术的在板材四周侧面边缘采用氩气保护焊缝焊形成的焊接区域受理方式更为合理，使原有弯曲受力改变为受拉力作用，因此其抗张度大于现有技术形成的焊道的抗张度。

本发明的中、高压板式蒸发装置，由壳体、设置于壳体内的安装支架上的换热元件、换热元件间的空间构成的蒸发介质腔、分配器、除沫器、二次蒸汽出口接管、蒸发介质入口、冷凝水出口接管和蒸汽入口接管组成，其中所用的换热元件为用本发明的方法制备的换热元件，即换热元件的界面为由一个个鼓包和一个个由圆圈形焊接凹陷阵列组成的具有流线型外表的界面。

本发明的中、高压板式蒸发装置中，其各换热元件上的蒸汽入口管与冷凝水出口管位置间隔布置，即相邻的两个换热元件的蒸汽入口管与冷凝水出口管分别设置于两个方向。这样可以节省空间，克服所有的换热元件上的蒸汽入口管与冷凝水出口管均设置于同一侧时，占用较大的空间的不足。也使得蒸发介质流动更为顺畅，安装维修空间加大。

本发明可以完全解决现有技术存在的不足，能大大提高板式蒸发装置的承压能力。

附图说明    

附图1为本发明换热元件四边采用激光封边焊接的示意图。

附图2为本发明换热元件切除局部焊接封边的示意图。

附图3为本发明换热元件焊接蒸汽入口、冷凝水出口无缝钢管后的示意图。

附图4为本发明换热元件采用激光焊接承压焊点后的示意图。

附图5为本发明换热元件激光焊接圆圈阵列的局部放大示意图。

附图6为附图5截面剖切示意图。

附图7为本发明换热元件鼓胀成型后的截面示意图。

附图8为本发明中高压板式降膜蒸发器整体结构剖视示意图。

附图9为附图8的左视位置示意图。

图中：1为循环液出口，2为冷凝水出口接管，3为汽液混合管，4为检修人孔，5为换热元件安装支架，6为设备壳体，7为换热元件，8为分配器，9为分配器安装支架，10为蒸汽入口接管，11为除沫器，12为二次蒸汽出口，13为循环液入口，  14为蒸汽入口无缝钢管，15为分配器底板，16为冷凝水出口无缝钢管，17为不凝气出口接管。

具体实施方式

本发明以下结合附图和实施例进行解说。

本发明的换热元件制备方法如下：

首先将卷料矫正平整后剪切成相同尺寸规格的板片。再将两张板片叠合在一起，然后沿板片的四周周边采用激光焊接的方式将四边用直线细焊道封焊起来，形成一个四边焊合而中空的元件，参见附图1。如此形成的工件焊缝在使用过程中主要的受力方式为承受拉力作用，由于受力方式的改变，提高了承力能力，增加了设备可靠性。同时本发明形成的焊道由于是一条细实线，所以在焊接时电量消耗小，节能效果明显。由图1还可见，本发明中在板片的四周采用了双焊道缝焊，这可以进一步提高设备的可靠性。

在完成前一工序后，再将已经四周封焊两板料的长边两端封焊焊道按使用要求或设计要求切割去除一部分，切去的部分作为进汽和冷凝水出口使用，见图2。

再将加工带有缺口的无缝钢管管节外壁和板片焊接在切割去除焊道的部位，使管节内部与两张板片的内部连通，分别形成蒸汽入口管与冷凝水出口，参见图3，图3中右小角的局部小图是出水管部分的剖面示意图。

然后再根据使用要求确定换热元件焊点直径和间距，将由前面工序处理过的板片放置到激光焊机进行焊点焊接，所焊接的焊点为一个圆圈，形成如图4所示的焊点阵列。本发明的这种加工方法不受成型模具和电阻焊机的约束，所以各焊点之间的间距和焊点圆的直径可以任意调整。通过减小焊点间距或增大焊点圆的直径都可以大大提高换热元件的使用承压能力。本发明采用激光焊接形成的焊道为细线，所以形成的焊点结构为一圈细线圆焊道，其内部仍保持材料原始形态，焊点内部无需整体熔合，既减少了能量消耗，又使焊接所造成的热影响区大大减小。通过理论计算计算，当焊点间距调整为50mm，焊点直径调整为￠20mm时，换热元件理论承压能力将可达到10.0Mpa。本发明的焊点结构参见附图5和附图6。在完成焊点焊接后将已经焊接完毕的换热元件采用机械方式矫正平整，并进行消除焊接应力与形变的处理，如进行时效震动处理。

将换热元件送进水压鼓胀成型机进行鼓胀成型作业。此时封堵换热元件一侧的管口，从另一侧管中慢慢注入高压水，在水力的作用下，随着水压升高，逐渐达到材料的屈服强度，换热元件两板料相互离开，向两侧***，水压不断升高，***高度不断增加，并形成具有一定高度的空腔，但是，换热元件四周在上下模和直线焊道的共同作用下，紧贴在一起，不能被水力***。同理，由于受到各圆圈焊点的约束，在焊点处的两板料仍然紧贴在一起，也不能被水力***，这样两板料将最终形成截面如图7的局部被***，其他局部仍然紧贴在一起的由一个个鼓包和一个个凹陷组成的阵列构成的流线型外表，即换热元件。本发明的方法与传统加工方式所不同的是无需再用上下模具上的圆柱形压头紧紧压住点焊点部位，而是让其完全自由，只在换热元件四周封焊部位使用上下模具紧紧压住，约束其周边起皱变形。这样就无需再大量使用圆柱形压头，大大简化了成型机的结构，使其附件减少、结构简单、维修方便，使用成本也大大降低。

由附图3可见，本发明中在每个换热元件上独立设置蒸汽入口和冷凝水出口，可实现换热元件的单片组装、拆卸和更换，完全克服和解决了现有组成形式的不足和缺陷，同时，由于蒸汽入口、冷凝水出口均采用在无缝钢管上开槽与换热元件焊接的形式，相比较现有的连接底板及箱式结构，本发明的换热元件能承受更大的工作压力，而且设备的安全性可得到有效提高。

本发明中每相邻的换热元件安装时将用于蒸汽进入和排放冷凝水的水管一侧左右交错安装，即相邻的两个换热元件的蒸汽入口管与冷凝水出口管分别设置于两个方向，例如第一个换热元件上的蒸汽入口管与冷凝水出口管的方向设置于左边，则相邻下一个换热元件上的蒸汽入口管与冷凝水出口管的方向设置方向朝右边，如此交错安装放置。这种放置结构既可以减小各换热元件之间的安装间距，又能提供一定的焊接操作清洗空间，提高了设备使用的经济性。

附图8和9为采用本发明的换热元件组装的高压板式降膜蒸发器整体结构图。其中所用的换热元件为前述的用本发明的方法制备的换热元件。本发明的这种高压板式降膜蒸发器向各换热元件提供蒸汽的无缝钢管14穿过分配器，汇集到蒸汽入口接管10中，并与其焊接；经换热后产生的冷凝水自冷凝水无缝钢管16中排出，汇集到汽液混合管3中。由于从冷凝水无缝钢管中排出的冷凝水中夹带有空气、不凝性气体和其他有机挥发物，需要使用真空分离出去，否则会影响下一效蒸发的正常进行。在汽液混合管3的上部开设有孔洞，并连接不凝气出口接管17；下部开设孔洞，连接冷凝水出口接管2，通过这种结构设置，可以有效地将冷凝水与不凝性气体分离，分别排放。在本发明中，蒸汽供热***和冷凝水排放、不凝气出口***均完全采用无缝钢管连接相焊，其承压能力显著提高，摈弃和放弃了传统蒸发器中采用框式箱体形式用于进汽、排水的结构，使得设备整体性加强、结构紧凑，零部件使用大为减少，有效降低了设备成本，维护和修理费用大大降低。

采用本发明可将中高压板式降膜蒸发器作为热裂解装置和传统蒸发设备双重使用。由于传统板式蒸发器承压能力和可靠性差得的原因，热裂解根本无法在蒸发器内完成，但是本发明的中高压板式蒸发器完全能够实现这一要求。

本发明在制备好换热元件后，再依次加工如壳体、分配器、除沫器等其他零部件，按照要求整体组装，连接各工艺接管，使其成为一台完整的高中压板式蒸发器。在本发明中将每一个换热元件单片独立设置蒸汽入口、冷凝水出口，实现了单片组装、拆卸和更换的连接形式。

本发明的板式降膜蒸发器作业过程是：开启***循环泵，将需要被蒸发浓缩的液体从循环液入口13进入到分配器8内，由分配器8平均分配到各换热元件7的表面，形成薄膜向下流动，同时向蒸发器内通入热源蒸汽，由蒸汽入口接管10进入到设备内部，并经蒸汽入口无缝钢管14进入到各个换热元件7内，与换热元件7外的待蒸发液体充分换热，待蒸发液体被不断加热继而达到沸点，并产生二次蒸汽经除沫器11进行气液分离，得到纯净、高品质的二次蒸汽后由二次蒸汽出口12排出，作为其他设备的热源重复利用。热源蒸汽在蒸发器换热元件7内产生热交换而发生相变，成为冷凝水，由冷凝水出口无缝钢管16排送到汽液混合管3内。由于从冷凝水出口无缝钢管16中排出的冷凝水中夹带有空气、不凝性气体和其他有机挥发物，需要使用真空分离出去，否则会影响下一效蒸发的正常进行，因此经过汽液混合管3后，由于***真空作用，空气、不凝性气体和其他有机挥发物从不凝气出口接管17中排出，冷凝水从冷凝水出口接管中排出。往复循环，完成蒸发过程。蒸发器连接到工艺***后由各电控阀门、变频器、液位控制器、差压变送器等电控元件和电气、仪表、控制电脑及程序组成的智能化DCS控制***按预定程序进行工作，完成连续、有效的蒸发工艺。

升高通向蒸发器内的热源蒸汽，使其达到中压程度，继续加热至黑液温度达到180~190℃，并保持蒸发器壳体压力达到1.2MPa，在此温度压力下黑液中树枝状的长分子链被打断，形成小分子物质，有效减小分子间的内摩擦力使其粘度大大降低，且不可逆转，形成一个蒸发和裂解的共同过程。

本发明中每相邻的换热元件安装时将用于蒸汽进入和排放冷凝水的无缝钢管一侧左右交错安装，即如果换热元件上一片无缝钢管方向朝左，则下一片无缝钢管方向朝右，如此交错安装放置。这种放置结构既可以减小各换热元件之间的安装间距，又能提供一定的焊接操作清洗空间，提高了设备使用的经济性。

本发明中用于向各换热元件提供蒸汽的无缝钢管14穿过分配器，汇集到蒸汽入口接管10中，并与其焊接；经换热后产生的冷凝水自冷凝水无缝钢管16中排出，汇集到汽液混合管3中。由于从冷凝水无缝钢管中排出的冷凝水中夹带有空气、不凝性气体和其他有机挥发物，需要使用真空分离出去，否则会影响下一效蒸发的正常进行。在汽液混合管3的上部开设有孔洞，并连接不凝气出口接管17；下部开设孔洞，连接冷凝水出口接管2，通过这种结构设置，可以有效地将冷凝水与不凝性气体分离，分别排放。在本发明中，蒸汽供热***和冷凝水排放、不凝气出口***均完全采用无缝钢管连接相焊，其承压能力显著提高，摈弃和放弃了传统蒸发器中采用框式箱体形式用于进汽、排水的结构，使得设备整体性加强、结构紧凑，零部件使用大为减少，有效降低了设备成本，维护和修理费用大大降低。 

Claims (4)

1.一种中、高压板式换热装置的换热元件的制备方法，首先将两张板片的周边采用激光焊缝焊形成一个周边焊合的中空元件，然后按设计要求分别在中空元件的进水位置和出水位置切去部分焊道，再将两段管节分别设置于切去焊道的部分，将管节外壁和板片焊接并使管节内部与仅两张板片的内部连通，分别形成蒸汽入口管与冷凝水出口管，再在中空元件平面上按设计要求确定的阵列用激光焊出由多个圆圏形焊道组成的阵列，且在圏形焊道处将上下两个板片焊合在一起，再进行消除焊接应力处理，然后将高压水通过蒸汽入口管与冷凝水出口管送入中空元件内进入鼓胀成型，制成换热元件。

2.权利要求1所述的中高压板式蒸发装置的换热元件的制备方法制备的换热元件，其特征在于换热元件的周边内有至少有一道缝焊的焊道，换热元件的界面为由一个个鼓包和一个个由圆圈形焊接凹陷组成的阵列构成的具有流线型外表的界面。

3.一种中、高压板式蒸发装置，由壳体、设置于壳体内的安装支架上的换热元件、换热元件间的空间构成的蒸发介质腔、分配器、除沫器、二次蒸汽出口接管、蒸发介质入口、冷凝水出口接管和蒸汽入口接管组成，其特征在于所用的换热元件为权利要求2所述的换热元件。

4.权利要求3所述的中、高压板式蒸发装置，其特征在于其中的各换热元件上的蒸汽入口管与冷凝水出口管位置间隔布置，即相邻的两个换热元件的蒸汽入口管与冷凝水出口管分别设置于两个方向。

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