專利名稱：效率提升的流體蒸餾裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
美國專利Nos.4,976,824、5,030,327和5,332,476中披露了流體蒸餾系統(tǒng)的幾個實施例。這些實施例在極大程度上提供了有效的運行以及合理的蒸餾水產(chǎn)量。然而，對這種系統(tǒng)進行改進設(shè)計能改善運行并增加產(chǎn)量，本發(fā)明所涉及的裝置和方法，用于提高來自這種系統(tǒng)的蒸餾水的產(chǎn)量，并同時保持所述系統(tǒng)在構(gòu)造上比較簡單。
背景技術(shù)：
美國專利Nos.5,490,906說明了流體蒸餾系統(tǒng)的幾個實施例，其中，每個實施例使用用于待蒸餾的水或流體的主容器或主腔室，以及次要的水容器或腔室。所述兩個腔室彼此相鄰，并且次腔室與主腔室協(xié)作以將系統(tǒng)中產(chǎn)生的水蒸氣導(dǎo)入收集到蓄液器中。
在本發(fā)明的發(fā)明者Naisin Lee的指導(dǎo)之下，曾構(gòu)造了這種流體蒸餾裝置的一個例子，并且這個例子描述在B.J.Huang寫的更新稿中，該稿可從臺灣省臺北市的“國立臺灣大學(xué)”獲得，其先于在此說明和提出權(quán)利要求的本發(fā)明。蒸餾裝置包括分離的加熱室和冷凝室，其中蒸氣在多個垂直的腔室中冷凝。
因此，依然需要提供對水或其它液體有用的進一步改進的蒸餾裝置和方法。這種裝置優(yōu)選地應(yīng)該是緊湊的，并提供高效蒸餾，即每產(chǎn)生單位劑量的蒸餾水所需要輸入的能量最小，還可從小單元裝置升級到大單元裝置。這些目標(biāo)中的至少一些將會由下文所述的發(fā)明實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供改進的液體蒸餾裝置和方法。所述裝置能采用多種形式，但是優(yōu)選地會具有高度緊湊的形式，這種緊湊形式的裝置可易于以較低的成本制造，如以下更加詳細的說明所示。本發(fā)明的裝置允許在高效的基礎(chǔ)上完成水或其它液體的蒸餾，典型地是每升蒸餾水消耗的能量為380千卡或更少，優(yōu)選地是每升蒸餾水消耗的能量為320千卡或更少。
第一方面，按照本發(fā)明的蒸餾裝置包括界定加熱室和冷凝室的封閉殼。所述封閉殼通常是具有用于界定分離腔室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的單獨外罩或外殼，但是其不太希望由通過管子或管道等連接在一起的分離外殼或結(jié)構(gòu)形成。所述封閉殼界定在加熱和冷凝室之上并為其所共有的蒸氣空間，并具有進入冷凝室的液體進料口。
例如螺旋形管式冷凝器這樣的水平管式冷凝器，布置在冷凝室中，其上端具有蒸氣入口而在下端具有潔凈蒸餾物出口。為提高效率，例如充氣器這樣的氣體分布器布置于冷凝室之內(nèi)，以引導(dǎo)空氣和其它氣泡向上通過冷凝室。這樣的氣泡有兩個明顯的好處。第一，所述氣泡擦洗冷凝器的換熱表面以加強換熱。第二，所述氣泡直接從液體進料中吸收蒸氣，當(dāng)蒸氣在冷凝器內(nèi)冷凝時所述液體進料被加熱。氣泡中的蒸氣被向上帶入蒸氣空間，在此其與來自加熱室的蒸氣相混和，所述加熱室可包括用于煮沸其中的水或其它液體的電加熱元件或其它加熱元件。
在蒸氣空間集中的混和蒸氣向下通過水平管式冷凝器，在該冷凝器中所述蒸氣通過與進入冷凝室的、典型地為冷水的較冷的液體進料換熱而被冷凝。在冷凝之后，可從冷凝器下端的出口收集潔凈蒸餾物。
由本發(fā)明的裝置和方法所獲得的高效率認為是來源于，至少部分來源于氣體分布器的向上流動的氣泡與水平管式冷凝器的水平布置的換熱面之間的相互作用。在水平管式冷凝器優(yōu)選的螺旋形或其它緊湊的構(gòu)造中，氣泡會向上通過多個彎曲通道，在通道中其流向經(jīng)常變化，并且氣泡和管式冷凝器的外露表面之間的密切接觸會得以維持。能夠緊湊設(shè)置這些水平的管子也是個優(yōu)點，因為這樣就容許構(gòu)造高度緊湊的蒸餾單元。
在所述裝置的優(yōu)選方面中，封閉殼是個具有縱軸的圓柱。加熱室包括與圓柱形封閉殼的縱軸同軸布置的管狀壁，并且冷凝室圍繞加熱室的管狀壁按環(huán)狀布置。因此，水平管式冷凝器可優(yōu)選地包括布置在環(huán)形冷凝室中的盤管，更優(yōu)選地是包括多根按螺旋方式布置在冷凝室內(nèi)的盤管，并從其上端通到下端。所述多根冷凝管接合于用于收集潔凈蒸餾物的集合管或其它集合室的底部。
在優(yōu)選的構(gòu)造中，加熱室和冷凝室這兩者都會在其上端通向共有的蒸氣空間，并且加熱室會在其下端通向冷凝室，以容許預(yù)熱過的液體從冷凝室流到加熱室。最簡單的是，冷凝室的下端可形成有開口的壓力室，并且在加熱室的管狀壁上會設(shè)置有至少一個開口或通道以容許液體流動。通常，在下端將僅提供單個通道或開孔來容許液體在冷凝室和加熱室之間流動。按這種方式，入口液流在進入加熱室之前必須首先經(jīng)過冷凝室。噴射空氣或氣體可按任何常規(guī)的方式提供。典型地，通常是多孔盤管這樣的多孔管被置于冷凝室的底部空間或壓力室中，以使得噴射氣泡向上從其中通過。
第二方面，本發(fā)明的方法包括將液體進料通過冷凝室加入加熱室。液體進料在加熱室中煮沸以形成第一汽相?？諝饣蚱渌鼩怏w通過冷凝室向上噴射，以提供由氣體氣泡向上攜帶的第二汽相。第一汽相和第二汽相混和，并在冷凝室中的水平管式冷凝器中冷凝。氣體氣泡加強了入口液體進料和冷凝蒸氣之間的換熱，既加強了冷凝又加強了液體進料的預(yù)熱。
第三方面，本發(fā)明提供蒸餾水的改進方法。該方法是這種類型的方法，其中，水被煮沸以產(chǎn)生蒸汽，蒸汽在冷凝器中通過與進料水換熱而被冷凝。本發(fā)明的改進包括用空氣噴射冷凝器以加強換熱，并產(chǎn)生額外的與所述蒸汽一起冷凝的水蒸氣。所述改進可選的還包括在水平管式換熱器中冷凝所述蒸氣。改進方法以非常高的蒸餾效率生產(chǎn)水。
通過本發(fā)明的方法和裝置生產(chǎn)每升水的能量消耗典型地低于380千卡，優(yōu)選地低于320千卡。所述改進方法通常利用水平管式冷凝器來提供上述各種優(yōu)點。


圖1是按照本發(fā)明原理構(gòu)造的蒸餾裝置的示意圖，顯示了示范性的液流和氣流。
圖2顯示了按照本發(fā)明原理構(gòu)造的裝置的特定實施例，其中有部分結(jié)構(gòu)被剖開以顯示內(nèi)部構(gòu)件。
具體實施例方式
參看圖1，按照本發(fā)明的裝置10包括封閉殼12，其內(nèi)至少具有冷凝室14和加熱室16。液體進料口18設(shè)置為進入到冷凝室14中，電阻加熱元件20或其它加熱元件設(shè)置于加熱室16之內(nèi)。冷凝室14和加熱室16由內(nèi)部隔板24分開，但通常在它們上端和下端連接或開通，以容許如以下將更詳細地說明的液體和蒸氣的內(nèi)部流動或運動。特別地，蒸氣空間26界定于封閉殼12的上端，而開口或通道28設(shè)置于封閉殼12的下部區(qū)域。
水平管式冷凝器30置于冷凝室14中，水平管式冷凝器30包括多個通常為水平的換熱管，這些換熱管用作冷凝從其上端32進入的蒸氣，并且預(yù)熱通過入口18進入的液體進料。水平管式冷凝器30可采用多種形式，其示意地顯示為通常具有多個反向流部分的蛇形結(jié)構(gòu)。然而更一般地是，冷凝器會布置為螺旋管或螺旋，如以下參看圖2的更詳細的說明所示。
本發(fā)明的一個重要特征是在冷凝室14的底部或其附近包含有空氣或氣體分布器38。噴射氣體通過分布器38引入，產(chǎn)生的氣泡向上以通常與液流相反的方向通過所述液流，至少在冷凝室14的底部是如此。由于液體進料被通過水平管式冷凝器30的蒸氣流加熱，在通常會與氣體氣泡結(jié)合的液體進料中將會產(chǎn)生蒸氣。當(dāng)氣體氣泡向上通過上部液體面40時，蒸氣會釋放到蒸氣空間26中，一起釋放的還有來自以下將更詳細地說明的加熱室中的蒸氣。所述氣泡也可加強進入的液體進料和向下通過水平管式冷凝器30的蒸氣之間的換熱，如上所述。
液體進料在冷凝室14中預(yù)加熱之后流向加熱室，通常如箭頭44所示。進入加熱室16的液體由加熱元件20加熱，引起沸騰產(chǎn)生蒸氣。加熱室16中產(chǎn)生的蒸氣也進入蒸氣空間26，在此其與來自冷凝室內(nèi)的噴射氣體的蒸氣相混和。因此，通常如箭頭46所示的來自加熱室16的蒸氣，以及通常如箭頭48所示的來自冷凝室14的蒸氣，進入水平管式冷凝器30的上端32，在此混和蒸氣然后向下通過管子，通過與液體進料的熱交換而被冷凝。冷凝蒸氣提供會接著被從冷凝器的出口50收集的“潔凈蒸餾物”。示范性的質(zhì)量和能量平衡如下所示。

現(xiàn)參看圖2，將說明本發(fā)明的蒸餾裝置的一個目前的優(yōu)選實施例。圓柱形封閉殼100適合包含達到液位111的水或其它液體。待蒸餾的水或其它液體進料112可通過入口113引入封閉殼100。封閉殼中的液位111可通過例如料位傳感器和入口進料控制(未示出)這樣的常規(guī)裝置來保持。提供了排水部件114用于定期排出隨著時間的增加聚集在封閉殼100底部的不純的冷凝液體。
蒸氣空間116形成于通常在液體表面111上方的封閉殼100內(nèi)部的上端。多根螺旋形冷凝管117(圖中顯示5根)環(huán)狀地布置在封閉殼100內(nèi)部的外周。盡管冷凝管117典型地具有圓形橫截面，但是所述冷凝管也可能具有其它例如橢圓形、方形、多邊形等這樣的橫截面。然而，通常優(yōu)選地是，所述盤管布置為使得所述冷凝管通常是水平的，以便于加強與噴射氣體氣泡的接觸，如以上通常的說明所述。當(dāng)然，螺旋管117并不是真正水平的，“水平的”僅僅是指所述冷凝管相對于水平的角度小于45°，通常是小于25°，更優(yōu)選地是小于15°。示范性的角度范圍為1.5°～2.5°。
來自蒸氣空間116的蒸氣將進入冷凝管117，如箭頭126和130所示。當(dāng)蒸氣經(jīng)過冷凝管117向下流動時，其與液體入口的換熱將使得蒸氣被冷凝，產(chǎn)生期望的蒸餾物。所述蒸餾物優(yōu)選地通過蓄液器或集合管18移出，所述裝置18混和了來自每根冷凝管117的流出物，并設(shè)置了可從中提取蒸餾物的公共出口119。
噴射在換熱管117之上的氣體優(yōu)選地由具有可產(chǎn)生氣泡124的孔123的氣體噴射管122提供。氣泡向上通過環(huán)形冷凝室120中的冷凝管117。為方便起見，僅在部分冷凝空間中顯示了氣泡124。在實際操作中，氣泡將向上通過整個環(huán)形冷凝室120。也應(yīng)了解，可使用多種其它的氣體分布器，包括多孔集合管、多孔石等。還應(yīng)了解，可用空氣來完成噴射(在該情況下稱為充氣)，或者使用其它多種氣體。
加熱室127由包圍加熱元件128的管狀壁131所界定。來自冷凝室120的水通過加熱室127底部的開口133進入其內(nèi)部。加熱元件128產(chǎn)生液體蒸氣氣泡132，所述氣泡向上通過加熱室中的上部開口129進入蒸氣空間116。然后，蒸氣進入冷凝管的頂部，如箭頭130以及先前的說明所示。
任選的是，風(fēng)扇(未示出)或者其他裝置可以設(shè)置在封閉殼100的底部，以便冷卻冷凝物。此外任選的是，可以設(shè)置冷卻翼片(未示出)或者其他換熱增強裝置，以便更加有效地冷卻冷凝物。
在可選實施例(未示出)中，一根或多根冷凝管線和/或氣體噴射管線可穿過密封殼的頂部空間130鋪設(shè)。但是水和氣體循環(huán)的其余方面將通常保持相同。如果冷凝管線穿過頂部空間露出，則也可在頂部空間設(shè)置可選的風(fēng)扇和/或冷卻翼片。
將了解到，圖2中的蒸餾裝置的構(gòu)造和運行比較直截了當(dāng)。特別地，冷凝室120和加熱室131兩者中的液位將相同，因此僅需要一個單獨的液位控制系統(tǒng)。進入裝置的熱量主要是由傳送到加熱元件28的能量提供。水蒸發(fā)成氣體氣泡冷卻了進來的水，并且較冷的冷凝器將冷凝更多的蒸氣。因此，希望的是更冷的進料水。噴射氣體的濕度優(yōu)選地維持在較低的水平，但是這經(jīng)常難以控制。
盡管以上對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了完整的說明，但是也可使用各種替換、修改和等價的實施例。因此，以上說明不應(yīng)視為限制了由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種蒸餾裝置，包括封閉殼，其界定了加熱室、冷凝室、在加熱室和冷凝室之上并為其所共有的蒸氣空間、以及進入冷凝室的液體進料口；冷凝室內(nèi)的水平管式冷凝器，其上端具有蒸氣入口，而在下端具有潔凈蒸餾物出口；氣體分布器，其布置為用于引導(dǎo)氣體氣泡向上通過冷凝室，其中，所述氣泡擦洗冷凝器以加強換熱并從液體進料中吸收蒸氣；以及其中，液體進料通過冷凝室流到加熱室，使得加熱室中形成的蒸氣與來自蒸氣空間的氣體氣泡相混和，并且所述混和蒸氣向下流過冷凝器，以冷凝產(chǎn)生潔凈蒸餾物。
2.如權(quán)利要求1所述的蒸餾裝置，其中，封閉殼是圓柱形的并具有縱軸。
3.如權(quán)利要求2所述的蒸餾裝置，其中，加熱室包括與封閉殼的縱軸同軸布置的管狀壁。
4.如權(quán)利要求3所述的蒸餾裝置，其中，冷凝室圍繞加熱室的管狀壁按環(huán)狀布置。
5.如權(quán)利要求2所述的蒸餾裝置，其中，水平管式冷凝器包括布置在環(huán)形冷凝室中的盤管。
6.如權(quán)利要求5所述的蒸餾裝置，其中，水平管式冷凝器包括布置在環(huán)形冷凝室中的多根盤管。
7.如權(quán)利要求4所述的蒸餾裝置，其中，加熱室和冷凝室這兩者都在其上端通向蒸氣空間。
8.如權(quán)利要求7所述的蒸餾裝置，其中，加熱室通向冷凝室，以容許預(yù)熱過的液體從冷凝室流到加熱室。
9.如權(quán)利要求8所述的蒸餾裝置，其中，加熱室和冷凝室在它們的下端開通。
10.如權(quán)利要求9所述的蒸餾裝置，其中，加熱室和冷凝室僅在它們的下端開通。
11.如權(quán)利要求2所述的蒸餾裝置，其中，氣體分布器包括布置在冷凝室底部空間中的多孔盤管。
12.一種用于蒸餾液體進料的方法，所述方法包括將液體進料通過冷凝室加入加熱室；在加熱室中煮沸液體進料以形成第一汽相；向上噴射空氣通過冷凝室，以產(chǎn)生氣體氣泡中的第二汽相；在冷凝室中的水平管式冷凝器中冷凝混合的第一汽相和第二汽相，其中氣體氣泡加強了冷凝室中的液體進料和冷凝蒸氣之間的換熱；以及從冷凝器的底部收集潔凈蒸餾物。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，液體進料包括水。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，蒸餾水所需的能量小于380千卡/升。
15.一種用于蒸餾水的改進方法，所述方法是這種類型的方法，其中，水被煮沸以產(chǎn)生蒸汽，蒸汽在冷凝器中通過與進料水換熱而被冷凝，其中所述改進包括用空氣噴射冷凝器以加強換熱并吸收額外的與所述蒸汽一起冷凝的水蒸氣。
16.如權(quán)利要求15所述的改進方法，其中，改進的加熱器包括配置冷凝器以及噴射充足的空氣，以使蒸餾效率達到每產(chǎn)生1升水至多消耗380千卡能量或更少。
17.如權(quán)利要求16所述的改進方法，其中，所述改進還包括冷凝器設(shè)置為水平管式冷凝器。
全文摘要
一種包括布置在封閉殼上的冷凝室和加熱室的蒸餾裝置。進入冷凝室的液體進料被預(yù)熱，然后流向加熱室，在此其被煮沸產(chǎn)生蒸汽。在冷凝室中噴射的氣體加強了換熱并吸收由預(yù)熱產(chǎn)生的額外的蒸汽。冷凝器是螺旋形或其它形狀的水平管式換熱器。
文檔編號B01D3/04GK1791557SQ200480013843
公開日2006年6月21日 申請日期2004年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月21日
發(fā)明者李乃信, 史蒂芬·F·施波雷爾 申請人:李乃信