（化工过程机械专业论文）水平管降膜蒸发木质素悬浮液的实验研究.pdf

摘要 摘要 水平管降膜蒸发的传热系数较高、传热温差较小以及操作稳定性好等，而被 广泛用于海水淡化、制冷系统、造纸黑液的处理和蔗糖蒸发浓缩过程。 本文将水平管降膜蒸发器用于纤维乙醇生产过程中蒸馏废糟的浓缩过程，选 取三种管径( q 3 8 m m 、p 4 5 m m 和p 5 7 m m ) 的换热管，分别进行水平管外降膜蒸 发木质素悬浮液的实验，研究喷淋密度、传热温差、热通量、管径、固含量和污 垢热阻等因素对木质素悬浮液传热性能的影响。 通过冷膜实验确定了液体分布器的结构和尺寸。热膜实验的结果表明：当 0 3 2 1 k g r n s f 0 7 2 1k g m s ，管外蒸发侧传热膜系数先增大后减小，当r = 0 5 3 4 k g m s 时取得最大值；当喷淋密度、固含量和管径一定时，传热温差增加 时，管外蒸发侧传热膜系数下降；当热通量降低时，管外蒸发侧传热膜系数反而 上升；当固含量较低时，管外蒸发侧传热膜系数较大。本实验中9 3 8 m m 的换热 管管径最小，其传热系数最高：p 5 7 m m 的换热管管径最大，其传热系数最低， 由此可见与大直径换热管相比，小管径的换热管可以获得更高的传热系数。在一 个蒸发周期( 7 2 h ) 内，管外传热膜系数下降了8 6 ，总传热系数下降了7 6 ， 可见污垢热阻大大降低了传热系数，对传热极其不利。最后，以9 3 8 m m 的换热 管为例，固含量为1 9 时，对实验数据进行了回归，得到了水平管降膜蒸发的实 验关联式，误差控制在2 0 以内。 关键词：降膜蒸发水平管传热系数纤维乙醇 a b s t r a e t ab s t r a c t f a l l i n gf i l me v a p o r a t o ro nh o r i z o n t a lt u b e sw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h e rh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，l o w e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n do p e r a t i o n a ls t a b i l i t y , a r ew i d e l y u s e di ns e a w a t e rd e s a l i n a t i o n ，r e f r i g e r a t i o ns y s t e m s ，p r o c e s s i n ga n ds u c r o s eo ft h e b l a c kl i q u o re v a p o r a t i o na n dc o n c e n t r a t i o np r o c e s s f a l l i n gf i l me v a p o r a t o ro nh o r i z o n t a lt u b e sh a sb e e nu s e di nt h ee n r i c h m e n t p r o c e s so fd i s t i l l a t i o nw a s t ed r e g sf o rc e l l u l o s i ce t h a n o lp r o d u c t i o n ，t h r e ek i n d so f t u b ed i a m e t e r ( t p 38 r n m , p 4 5 m ma n d p 5 7 m m ) h a sb e e ns e l e c t e di nt h i s p a p e r e x p e r i m e n t so nf a l l i n gf i l ml i g n i ns u s p e n s i o no u t s i d eh o r i z o n t a lt u b e sw e r ed o n e r e s p e c t i v e l yt oi n v e s t i g a t et h ei m p a c to ft h es p r a yd e n s i t y , t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ， h e a tf l u x ，t u b ed i a m e t e r , s o l i dc o n t e n t , a n df o u l i n gr e s i s t a n c eo nt h eh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c eo fl i g i ns u s p e n s i o n t h r o u g ht h ec o l dm e m b r a n ee x p e r i m e n t s ，s t r u c t u r ea n ds i z eo ft h el i q u i d d i s t r i b u t o rw e r ed e t e r m i n e d t h er e s u l t so fh o t f i l me x p e r i m e n t ss h o wt h a t ：w i t h i nt h e e x p e r i m e n t a ls e t t i n go ft h es p r a yd e n s i t y ( o 3 2 1k g r n ssfs0 7 21 k g m s ) ， h e a tt r a n s f e rf i l mc o e f f i c i e n to u t s i d eh o r i z o n t a lt u b e sw i t ht l ei n c r e a s eo ft h es p r a y d e n s i t yf i r s t l yi n c r e a s e sa n dt h e nd e c r e a s e s w h e nf = 0 5 3 4 k g m s ，t h em a x i m u m v a l u ei so b t a i n e d ；w h e nt h es p r a yd e n s i t y , s o l i dc o n t e n t , a n dd i a m e t e ra r ec o n s t a n t , w i t ht h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei n c r e a s i n g ，h e a tt r a n s f e rf i l mc o e f f i c i e n to u t s i d e h o r i z o n t a lt u b e sd e c r e a s e s ；h e a tt r a n s f e rf i l mt o e 衢c i e n to u t s i d eh o f i z o n t a lt u b e sa l s o i n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s i n go fh e a tf l u xa n ds o l i dc o n t e n t n l e p 38 r n mt u b eh a st h e s m a l l e s td i a m e t e ri nt h ee x p e r i m e n t ，b u tt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti st h eh i g h e s t ； 1 1 1 e9 5 7 m mh a v i n gt h eb i g g e s td i a m e t e r , g e t st h em i n i m u mh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ， w i t ht h ec o n t r a s to ft u b ed i a m e t e r s ，t h et u b eo fs m a l l e rd i a m e t e rc a l lo b t a i nt h eh i g h e r h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t i na ne v a p o r a t i o nc y c l e ( 7 2 h ) ，h e a tt r a n s f e rf i l mc o e f f i c i e n t o u t s i d eh o f i z o n t a lt u b e sd e c r e a s e s b y8 6 ，t h eo v e r a l lh e a tt r a n s f e rc o c 伍c i e n t d e c r e a s e sb y7 6 ，s h o w i n gt h a tt h ef o u l i n gr e s i s t a n c e g r e a t l yr e d u c e st h eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n di s e x t r e m e l yu n f a v o r a b l e f i n a l l y , s e ta ne x a m p l eo ft h e 9 38 m mt u b ew i t ht h es o l i dc o n t e n to f19 t od oe x p e r i m e n t a ld a t ar e g r e s s i o n , l l a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lc o r r e l a t i o n sf o rh o r i z o n t a lt u b ef a l l i n gf i l me v a p o r a t o ri so b t a i n e d ，t h e e r r o ri sw i t h i n2 0 k e y w o r d s ：f a l l i n gf i l me v a p o r a t i o n ，h o r i z o n t a lt u b e ，h e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t , c e l l u l o s i ce t h a n o l i i i 符号说明 符号说明 液体雷诺数 密度 液膜厚度 液体的动力黏度 液膜表面上的平均速度 蒸汽的动力黏度 液体的运动黏度 液膜侧传热膜系数 管外传热膜系数 液体的导热系数 蒸汽的导热系数 液体的定压比热容 k a p i t z a 数 普朗特数 努赛尔数 表面张力 喷淋密度 剪切应力 剪切速率 饱和温度下水的汽化潜热 液体密度 换热管外径 换热管内径 传热温差 换热管外壁表面温度 料液温度 换热管的周向角 螺旋线的丝径 热通量 二次蒸汽冷凝液的体积流量 加热管的有效加热长度 传热面积 总传热系数 管外传热膜系数 管内传热膜系数 污垢热阻 v i i 无因次 k e d m 3 m 尸a s m s p a s m 2 8 无因次 k w ( m l ) w m k 、v m k k j ( k g ) 无因次 无因次 无因次 n m k g m s n | m 1 s 1 k j k g k g m 3 m m m m m k w m 2 l l l m m 2 w m 2 w m 2 w m l m 2 w 吼p 6纯u儿矿k丸匆o=曼no r 。y r 肌如也m k ，a s q 6 l a k 综述 1 综述 1 1 课题背景 2 1 世纪的竞争，根本在于能源的竞争。传统的化石能源储量有限，但是能 源利用率低，而且也带来了诸多如温室效应、酸雨等环境问题。因此，我国把开 源节流列入“十一五”规划的能源策略中。“开源”就是开发新能源，如风能、 太阳能、氢能、潮汐能、生物质能等。“节流 就是降低工业生产过程中的各种 能耗。新能源的开发过程中也存在一些亟待解决的问题，如稳定性、安全性、地 域限制等。纤维乙醇作为生物质能的一种。原料是农业废弃物( 如秸秆) 、林业 废弃物和城市生活废弃物，成分主要是木质纤维素。因此具有原料廉价易得、成 本低的优点，同时，其排放的温室气体比一般汽油少8 0 ，因此具有重要的发展 潜力，成为本世纪国内外的研究热点1 1 - 2 1 。 纤维乙醇生产过程中会产生大量的蒸馏废糟，蒸馏废糟的成分有木质素、部 分的纤维素和半纤维素、多糖和糠醛等，但主要成分为木质素，木质素含量约为 9 5 ( 干重) 。由于木质素价格较低，且木质素的用途很广，目前已用于石油添 加剂和吸附剂等，因此木质素的发展前景非常广阔，可以持续不断地为人类提供 有机物来源【3 1 。实际生产中采取对蒸馏废糟进行浓缩处理，或直接作为燃料，或 进行更深层次的加工。 用来蒸发的设备称为蒸发器。蒸发器的种类非常多，根据物料进口位置的不 同，就可将蒸发器分为降膜和升膜蒸发器。二者的区别在于溶液和加热蒸汽的进 1 2 1 不同，升膜蒸发器不适宜于处理粘度大、易结晶、易结垢的溶液，而降膜蒸发 器适于处理上述溶液，但传热系数有所下降，同时需要设计合理的液体分布器。 降膜蒸发是在较低的热通量或温差驱动下进行的表面蒸发，通过料液自身重 力以及汽液界面剪切力的作用，料液沿传热面形成一层均匀的液膜，通过液膜的 不断形成和吸收热量，料液得到蒸发浓缩【4 5 o j 。目前，降膜蒸发已在化工行业、 医药行业、轻工领域、原子能、海水淡化、污水处理以及食品加工等领域得到了 很大的发展，并且由于降膜蒸发的蒸发强度高，同等条件下所需的传热温差较小， 因此在热泵蒸发系统也将会有可观的应用前景f 7 j 。 降膜蒸发器是高效节能蒸发设备，随着其在各个行业的广泛应用，也成为国 内外的研究热点。诸多研究者集中于降膜蒸发器的改进措施上，以提高其传热效 综述 率。本文立足工业实际，将水平管降膜蒸发用于纤维乙醇蒸馏废糟的浓缩处理过 程，研究其流变性及传热特性。同时，由于蒸馏废糟在蒸发过程中易结垢，又加 入了结垢分析。这是因为在传热过程中，污垢热阻的影响很大，有时可起到控制 传热热阻数量级的作用，因此，有必要对污垢热阻进行研究。同时，工业原料直 接作为实验工质，对传热的影响因素进行分析，可以为工业大规模生产提供依据。 虽然水平管降膜蒸发已在造纸黑液浓缩过程中得到了一定的应用，但由于缺乏对 污垢热阻的研究，限制了其进一步发展。而造纸黑液和纤维乙醇蒸馏废糟主要成 分相同，均为木质素，其差别在于造纸过程中加入了碱，木质素溶在溶液中，而 纤维乙醇生产过程中未经碱处理，木质素在溶液中为悬浮状态，因此本文的结论 亦可用于蔗糖浓缩及造纸行业的黑液处理中。 1 2 水平管降膜蒸发的特点 水平管降膜蒸发的研究始于1 9 世纪8 0 年代，2 0 世纪7 0 年代以前鲜见该方 面的研究，之后的二十年里研究主要围绕海洋热能转换系统( o t e c ) 领域展开， 直至1 9 9 0 年以后，c f c 的逐步禁用才再次引起人们的重视。其原因在于水平管 降膜蒸发属于高效蒸发设备，与其他蒸发器相比有绝对的传热优势。以光滑加热 管为例，水平管降膜蒸发的传热系数，相对于池状沸腾传热，高3 0 0 5 0 0 ； 相对于垂直式蒸发器，大约高2 倍【8 l 。此外，水平管降膜蒸发器的特点还包括以 下六个方面【9 啦】： ( 1 ) 传热系数较高；( 2 ) 较低的传热温差；( 3 ) 适合高温下易变性的物料； ( 4 ) 方便实现多效操作；( 5 ) 易于发现并控制操作中出现的问题；( 6 ) 需选用 合适的液体分布器。 1 3 水平管降膜蒸发的影响因素 将水平管外降膜蒸发过程进行简化：主要是管内一次蒸汽冷凝以及管外物料 膜状蒸发。由此得到水平管降膜蒸发的主要影响因素有【l 3 】： ( 1 ) 物料的物理性质及热力学性质，如粘度、密度、沸点、导热系数等：( 2 ) 管内蒸汽的状态，包括蒸汽的流速及压力；( 3 ) 管内难冷凝或不冷凝气体的含量； ( 4 ) 管内蒸汽的冷凝状态；( 5 ) 液体负荷( 实验物料的喷淋密度) ；( 6 ) 传热管 的管排数及布置方式，如单排、叉排、三排等；( 7 ) 换热管的几何尺寸，如管径， 管阳j 距等；( 8 ) 换热管的材质和表面情况，如管表面的形状及粗糙度；( 9 ) 液膜 2 综述 的厚度；( 1 0 ) 液体分布器的构造。 1 4 水平管降膜蒸发的研究现状 水平管降膜蒸发从1 9 7 0 年至今，得到了很大的发展，紧紧围绕着理论研究 和实验研究展开。理论研究集中在对液膜的表面状况和流动区域的研究【1 4 。7 1 ，通 过建立理论模型，将实验数据代入并求解最终获得实验关联式；实验研究领域， 主要集中于对传热的影响因素的研究，以及流动模式的研究【1 8 , 1 9 】。工业应用方面， 主要应用于造纸黑液的处理和蔗糖浓缩过程，在强化传热方面也得到了一定的应 用。由于实验条件的差异以及实验系统的不同，考察的因素也不同，得到的结论 具有很大的局限性。 1 4 1 水平管外降膜蒸发的理论研究 水平管外降膜蒸发的传热依赖于液膜的流动状态，而液膜的流动是由上排水 平管液滴的运动和管内蒸汽的流动共同决定的：由于存在自由面，因此可将膜内 运动划分为层流、湍流、波动层流及波动湍流等4 种流型；引入液膜厚度万和液 膜上的平均速度u 后，将液膜雷诺数重新定义为： r e 工：趔 ( i 1 ) 当r e l 3 0 - 5 0 时，液膜出现波动，由于表面波动导致了波峰位置的膜厚度较大，此 处便发展成为局部湍流区，但由于层流膜的流动速度低于液膜较厚处的波的前进 速度，便会造成波的扰动，但不会达到湍流状态，这是因为波动消失后液膜重新 恢复层流；当r e l = 2 5 0 , - - - 5 0 0 时，流型由层流转变为湍流，此时的雷诺数远远大 于临界值，但是液膜仍然存在着“粘性底层”【2 0 l 。 降膜蒸发传热机理的理论研究始于n u s s e l t t 2 1 ，2 2 1 ，通过对温度的分布( 线性) 和温度的速度分布( 抛物线状) 进行假设，得到的结果与实验结果( 极薄的液膜) 较为一致；在1 9 1 6 年，n u s s e l t 假定液膜的流动状态为光滑层流，不计汽相剪切 力和汽液界面波动的影响，对液膜传热建立理论模型，并进行求解，得到了液膜 的厚度和传热膜系数。 艿：f 笙1 r e m l3 9 ( 1 ) 综述 h + = 1 1 0 r e 一1 7 3 ( 1 3 ) 式中h 定义为： n 0 车 1 仃 。g ( 14 ) d u k l e r t 2 3 1 分析了四种不同的液膜流动型式，在湍流模型中采取满管流边界 层，分析对液膜流动及传热的影响因素时，液面的波动忽略不计，但需考虑二次 蒸汽，将d e i s s l e r 模型和v o n k a r m a n 模型分别应用于y 2 0 区域， 通过确定涡流扩散系数来求解能量和动量方程。其得出的理论值是实验值1 5 倍。 d u k l e r 的研究为降膜蒸发的理论研究指明了方向，之后的许多研究是这一方法的 完善和补充。 m u d a w a r l 2 4 】在忽略二次蒸汽剪切力的情况下，统一了的表达式，对涡流模 型进行了求解，其理论值在湍动不大时与实验值吻合较好。 k b o u r o u n i 和m t c h a l b l l 2 5 1 等应用边界层理论对水平管管外降膜蒸发的传 热系数进行了研究，结果表明：传热系数在完全自由扰流发展区、自由扰流发展 区、冲击区和停滞区等四个区域内逐渐上升。 g r e e n b e r g 2 6 l 对薄膜的流动状态进行了分析，指出存在四种流型，并给出了 对应的雷诺数：当0 _ r e _ 4 - - 2 7 时，为层流，此时液面无波动，界面平静；当4 2 7 ：5 r e 8 0 - - 3 5 0 时，为拟层流，液膜表面开始出现波动，其速度与液膜流动速度 相同；当8 0 3 5 0 盘e s l 6 0 0 2 0 0 0 时，为过渡流，液膜波动加剧，出现漩涡；当 r e - 2 _ 1 6 0 0 - 2 0 0 0 时，为湍流，此时波动随时发生，振幅更大。 刘振华，朱群志【2 7 】等根据建立的层流和湍流模型，依赖数值分析方法，对水 平管外强制对流蒸发的传热特性进行了研究，紊流计算采用壁面函数法，结果表 明：实验结果介于层流解和湍流解之间，更接近湍流解的结论。对于单管和三管 管排，两者的平均换热系数非常接近，因此可忽略管排的影响，其数值计算结果 可用于管排中的各管。 n o r m a r l 和b i n n s 2 8 】分析了液膜的稳定性的影响因素，有波动参与时，假定 温度在波底部的值高于峰项处，此时，表面张力在峰顶处最大，这样恢复力不会 相互抵消，就会把水从热处拉到冷处，最终造成液膜中断。因此，得出引发液膜 破裂的根本原因是表面张力梯度的结论。 在水平管外降膜蒸发的理论研究过程中，众多学者做出了突出贡献，主要集 中在对流动型式和流动区域的研究，而对液膜成膜理论研究较少，亟待进一步深 综述 入研究。 1 4 2 水平管外降膜蒸发的实验研究 降膜蒸发实验研究的关键在于改善降膜蒸发的传热特性。而影响水平管降膜 蒸发传热特性的参数可以分为以下三类：( 1 ) 几何参数：包括管材、管间距、管 径、管表面状况和管排数及布置方式；( 2 ) 物理参数：主要是料液的喷淋密度、 蒸发温度、热通量和传热温差等；( 3 ) 操作参数：包括管内一次蒸汽的压力和流 速、管外难冷凝或不冷凝气体的量和二次蒸汽的流向和速度等。 1 4 2 1 水平管降膜蒸发传热性能研究 r a r m b r u s t e r 和j m i t r o v i c 2 9 】以水为介质，进行了水平管外蒸发冷却实验， 分别对管外液膜的流动型式及影响传热系数的因素进行了研究，得到了三种流动 型式下对应的雷诺数范围：当r e l 0 0 3 7 k a o 3 0 2 时，为滴状；当0 0 4 8k a o 3 0 1 r e l 0 7 0 4 k a o 2 3 6 时，为片状。在其他入口条件不变 时，水的温度依赖于加热空气的湿度、速度和管间距的变化，表明水的冷却主要 发生在水空气的界面，在一定流速时，给出了涉及空气压强、速度和管间距 的传热系数关联式，与实验结果的误差在2 5 以内： 等- o 邮岛卜w 7 2h 嚣 ， 删o s ( 刍) 啷 6 ， 其中，口表示水离开换热管的温度与到达相邻换热管的温度的变化值。 g e h e r h a r d tr i b a t s k i 和a n t h o n ym j a c o b i t 3 0 j 在前人研究成果基础上，论述了 流动形式、试验参数、液体分布器、强化表面和管排等因素对传热系数的影响。 研究表明严格对流条件下，热通量对传热系数无影响，传热系数随液体温度的升 高而增大，随管径的增大而减小；在沸腾占主导地位条件下，热通量的增加和液 体温度的升高促进了传热，传热系数增大，但随着管径的增大传热系数先增大后 减小；对于无沸腾、换热管较少、低粘度流体，液体分布器的影响较大：适当增 加分布器的高度可强化传热；并流时，传热系数随加热蒸汽的速度增大而升高， 逆流的结果正好相反；强化表面在改善液态制冷剂分布的同时，也将传热系数提 高1 0 倍以上；管排数的多少影响传热效果，要避免干壁现象。最后指出预测传 综述 热系数的方法是理论求解与实验相结合，对之后的降膜蒸发研究有着重要的指导 意义。 j o v a nm i t r o v i c 3 u 研究了水平管外液体降膜蒸发的流动结构，分别对五种流 动结构进行分析，指出流动结构取决于流动速率和液体的物理性质，由此引入重 新定义的雷诺数r e l 和描述液体性质的k a p i t z a 数来区别流动结构： r e l 2 c k a 胛 ( 1 7 ) k a = 毫 m 8 ， 式中的常量c 和无因次量1 1 1 通过实验确定。由此列出了不同实验条件时的 关联式，为实际操作提供了参考。 k e d a h i r o 和t h 锄a d a 【3 2 】等对多效水平管降膜蒸发器进行了实验研究，结果 表明在无污染条件下，喷淋密度在1 2 - - - 2 o k c m 2 s e c 范围内，蒸发温度范围介 于6 0 , 1 0 0 之间时，喷淋密度对传热无影响：总传热系数随蒸发工质海水的沸 点升高而增大；同时，温度升高时，海水和冷凝液的物理性质发生改变，黏度下 降，流动加快，促进了传热，总传热系数升高。 v s l e s a r e n k o 3 3 】对三种管径下( 0 1 6 、0 2 4 和0 3 2 ) 管长均为4 0 0 m m 的水 平管降膜蒸发器浓缩海水实验进行了研究，选定多个海水浓度范围为3 5 - - - 1 6 ， 考察了操作压力( 3 0 - 1 3 0 k p a ) 、喷淋密度( 2 0 0 - - , 2 0 0 0 k g ( m h ) ) 、热负荷( 1 0 - 1 3 0 k w m 2 ) 以及管径等因素对传热系数的影响，结果表明：喷淋密度的变化不 会改变传热效果。原因在于喷淋密度增加时，液膜流动速度增大，对流传热加剧， 强化了传热；但同时膜厚增加，热量通过液膜的阻力增大，对传热不利；本实验 中两者作用效果刚好抵消，所以传热系数保持不变，同时小管径的换热效果优于 大管径。 许莉1 3 4 】以去离子水为实验工质，分析了喷淋密度、蒸发温度、传热总温差和 加热管管径等因素对水平管外传热膜系数的影响。实验还创新性地采用膜厚测试 仪( j d c i i 型) 来测定膜厚，结论表明液膜的平均厚度随喷淋密度的增大而增大； 喷淋密度和管径对液膜波动的影响体现在：喷淋密度越大，管径越小，波动越剧 烈；蒸发侧的传热膜系数随喷淋密度的增加先增大后保持不变，随蒸发侧沸点的 升高而增大，随传热总温差的升高而稍有减小，随管径的增大而减小，最后给出 了传热膜系数的关系式，为工业设计提供了实验对比。 6 综述 ，、- n 柚 厅：6 7 4 1 1 0 。1 2 坐业f 鱼1 f 1 + 占+ 尸。 出纯 l ，j 、7 ( 1 9 ) 白健美和马虎根等【3 5 j 以去离子水为研究对象，研究了较低压力下( 受k p a ) 水平管降膜蒸发的传热特性，通过改变喷淋密度、压力、温度等参数值来考察水 平管降膜蒸发的影响因素，结果表明：过冷度对传热性能影响较大，较低的过冷 度下，喷淋密度对传热无影响，传热系数保持不变；随着过冷度的增加，管外传 热膜系数和总传热系数降低，此时若增加喷淋密度，两个传热系数同时逐渐增大； 当过冷度为0 时，传热系数达到最大值，换热效果最优。 任显龙【3 6 】以水为工质，采用( i ) 2 5 的h a l 7 7 2 a 光滑铝黄铜管作为换热管， 研究了加热管内液体流动规律和蒸发传热过程，考察了管间距、液体负荷和蒸发 温度等因素对蒸发侧传热膜系数的影响：在加热管圆周方向上，局部传热系数从 底部到顶部不断增大，此外，随着液体负荷、管间距和蒸发温度的增大，局部传 热系数不断增大；平均传热系数与局部传热系数变化规律相同；最后得到了针对 管间距的水平管管外降膜蒸发平均传热系数关联式。 一n u ：0 0 0 7 8r e o 5 4 5 3p r o 3 蹦 “1 0 ) 而：0 0 2 2 0 r e 0 3 3 6 7p r o 胞9 f 1i i 、 郑东光和孙会朋等【3 7 】以水为介质，管径选用( i ) 3 8 的光滑管，分析了蒸发温 度、喷淋密度、热通量及管排的布置方式等因素的影响，并结合实验结果进行了 理论分析，结果表明总蒸发传热系数随喷淋密度的增加先增大后减小，在r = 0 5 4 k g ( m s ) 时最大；随蒸发温度的升高而不断增大；随热通量的增加而增大； 管子布置成三角形时，总传热系数最大。 齐和发和沈吟秋【3 8 】从工业实际原料出发，分别进行水平管降膜蒸发实验，并 与工质为去离子水的实验结果进行了对比：甘油、葡萄糖溶液的蒸发行为与去离 子水相似，蒸发侧的传热膜系数随喷淋密度的增加而升高，随浓度的升高而减小， 出口气速对其无影响：而硫氰化钠的水溶液则不同，其浓度对蒸发传热膜系数影 响较大，低浓度时，若增加喷淋密度，则蒸发侧的传热膜系数增大，从而强化传 热，热通量的增加则对传热影响不大，传热系数保持不变；最后，基于出口气速 和热通量对传热的共同影响，分别给出了管外蒸发侧传热系数和管内蒸汽冷凝传 热系数的关联式： 综述 忽皓卜1 圳一倒m ( 钉3 忽= 4 1 11 0 0 0 o t s q 。0 3 7 ( 1 1 3 ) 上述关联式同样符合工作介质为氨的情况，对不同浓度和不同工质的蒸发也 有一定的借鉴意义。 鱼剑琳和金立文等t 3 9 】以单根水平管为例，进行了对流传热传质实验，分析认 为液膜波动是影响传热传质的主要因素，由此给出了实验关联式： h = o 1 2 r e ，。 4 9r e 工。耜 ( 1 1 4 ) 厅：芒r e ，：一u m m , d o r e l ：一4 f r ：鱼 式中，优v a ； v v ；耽； 2 l 。 该关联式在1 1 0 3 r e v 5 1 0 3 、1 7 _ r e l 1 0 5 的范围内，误差不超过 2 0 。 xh u 和a mj a c o b i 【4 0 】对水平管外液滴的脱落位置间距进行了研究，结果表 明：管外液体的流动型式可以由滴状过渡到柱状，最后发展到连续的片状，这主 要取决于几何参数和物理参数；流体脱落点的间距随雷诺数r e 的增加而变大， 但对低g a 流体，其间距与r e 无关；流体脱落点位置几乎不受管间距的影响， 最后得到了脱落点位置与r e 、g 口4 和d 的关联式。 c r f p a c h e e o 和l s m f r i o n i l 4 1 】观察了一种升降膜蒸发器中甘蔗汁的蒸发 过程。实验建立在糖汁浓度从1 5 4 0 糖度变化的单效瞬态过程上。浓度范围在一 效入口( 1 5 ) 到第三效出1 ：3 ( 4 0 ) 之间变化。分别计算了不同蔗糖浓度下相应的 总的传热系数，以及溶解侧的表面热系数和加热表面的温度。实验表明溶液侧的 平均传热系数随甘蔗汁的浓度和粘度的增大而迅速下降，加热表面的温度均随糖 度的增大而升高。 1 4 2 2 水平管降膜蒸发的强化传热研究 y v p u t i l i n 等【4 2 】对海水淡化装置中水平管降膜蒸发的强化传热进行了研究， 结果表明当管内、管外都开沟槽时，传热系数是光滑管的2 倍，从而强化了传热。 其原因在于沟槽破坏了液体边界层，导致液体波动加剧，传热系数提高。 t g a m b a r y a n r o i s m a n 和p s t e p h a n 4 3 】的研究也证明了这一点：纵向凹槽促进了液 8 综述 膜的稳定流动。 r o q u e sj f 和d u p o mv 【删等观察了流体在光滑管和不同表面形状的强化管上 的流动来考察液膜转变点的位置，结论表明与光管相比，强化沸腾管对流体的流 动无影向，液膜转变点近乎相同；而强化冷凝管和带肋管可以大大提高液膜的转 变点。 j u v p u t i l i n 4 s 等分别以光滑管、沟槽强化管和表面加筋管为研究对象，着重 考察了水平管降膜蒸发的传热过程，认为强化传热的效果主要取决于几何尺寸和 液体流动状态，强化管能够强化传热的原因在于破坏了流体的边界层，其增强效 果可以达到1 4 1 9 倍；喷淋密度的变化只是改变了边界层的厚度，并不会改变 液膜的流动状态；管外蒸发侧的传热膜系数在边界层发展区达到最大值，之后不 断减小，但随着液膜与壁面的分离( 夹角1 2 0 0 时) 又开始缓慢增大。 h yk i m 和b h k a n g 4 6 】分析了多种铜管的蒸发传热效果，铜管的类型包括 光滑管以及低肋管、波纹管和螺旋管等强化管。并将经亲水处理管外壁的换热效 果与未经处理的换热管的结果进行了对比，研究表明：管子类型一定时，亲水处 理后的传热效果明显优于未经处理的管子，其原因在于亲水处理可促使液体在管 外壁上均匀布膜，进而提高传热效率。 刘振华、张彤f 4 7 】以水为工质，分别进行了光滑管和滚压强化管的常压降膜蒸 发实验，管子布置方式为单列和三列叉排两种，结果表明低热通量时，滚压管能 将传热系数提高3 4 倍：液膜喷溅和管间距对蒸发传热特性的影响较小，可忽 略不计；沸腾蒸发与强制对流传热相比，单管的换热系数可显著提高；对单列和 三列叉排光滑管来说，传热系数由上至下逐渐增加，在低雷诺数区这种现象尤其 明显。 马学虎和高大志等【4 8 j 分别采用三种功能表面管，以淡水为例，进行了降膜蒸 发实验，分析了热通量、液体负荷和管内加热蒸汽的流动速度等因素对传热的影 响：三种换热管蒸发侧的传热膜系数随喷淋密度的增加呈抛物线状，存在最大值， 与热通量的变化趋势一致；铜基p t f e 管和离子镀铬铝管的传热系数相比同材料 的光管都有所提高，但表面阳极氧化膜管的传热系数稍有减小，其原因在于其表 面的涂层为绝热绝缘体，热传导的阻力较大，不利于传热，但是耐腐蚀，因此有 必要进行下一步的研究。 a m i m o h a m e d 4 9 l 采用四种流体水、5 0 的水及5 0 的乙二醇、乙二醇 和油分别作为工作介质，搭建了水平旋转管外降膜蒸发的实验平台，以研究水平 旋转管外液体降膜蒸发的流动特性。考察了旋转速度对流动模式转变和无尺寸波 综述 长的影响，并与固定管进行对比：水平旋转管流动模式发生转变时的雷诺数比固 定管低；低雷诺数时旋转速度对滴状模式的影响最大，高雷诺数时旋转速度对片 状模式的影响最小；水平管旋转速度的最大值由降膜的流速和液体粘度共同决 定，增大旋转速度会减小膜厚度及波长，降低液体的粘度便可减弱上述影响。 冯志杰和刘振义【5 0 】等对波纹强化管的传热机理进行了研究，认为波纹管能强 化传热，其原因在于其截面的规律性变化，导致液体加速波动，液膜流动加快， 液膜的边界层厚度减薄，冷凝液在传热表面布膜较难；同时，由于波纹管的自清 洁能力较好，也减小了污垢热阻，同样也强化了传热；最后以低浓度葡萄糖溶液 为例，进行了波纹管降膜蒸发实验，实验中考虑二次蒸汽的影响，最后给出了波 纹管降膜传热系数关系式： 2 。v 3 h = _ t s 9 3 两硐1 叫 亿 h + = k h ( 1 1 6 ) k 为修正系数，由料液的物性、流量和波纹管的几何尺寸共同决定。 魏峰和孙秀峰【5 1 】等通过在换热管管内插入螺旋线来研究其强化传热效果，实 验共包括八种不同结构类型的螺旋线，来考察传热温差、螺旋线结构、雷诺数和 真空度对蒸发侧传热膜系数的影响。结果表明插入螺旋线可达到强化传热的目 的，最好的传热效果为2 号和5 号螺旋线，传热系数能提高3 0 ；螺旋线的振动 频率最大时，强化传热的效果最优，它与雷诺数呈二次方关系；最后验证了管内 插入螺旋线来强化传热的方法也适用于抽真空系统。 乔梁和刘东亮【5 2 】等分析了传热温差、螺旋线的结构参数和雷诺数等因素对降 膜蒸发的影响，随着雷诺数的增大，传热膜系数先增大后减小，类似呈抛物线关 系；插入螺旋线可以优化传热效果，尤其在螺旋线丝径较小、且外直径稍大于蒸 发管内直径的条件下，强化传热的效果最好，传热系数可提高2 0 以上。 孙平【5 3 】对湍流条件下垂直管外降膜蒸发的传热性能进行了研究，结果表明： 在传热总温差保持不变时，管内通入饱和蒸汽，可以强化传热，传热系数能够提 高1 2 - - 2 5 ，同时液膜厚度也可降低1 0 - - 一2 0 ，并给出了适用于热敏物料的 浓缩过程的计算式： 综述 h + = 2 4 6 2 1 0 一r e 0 2 3 re v o 2 3p r l 7 3 矿= 0 7 3 4 r e l o 4 s 一r e y 卸1 1 ( 1 1 7 ) ( 1 1 8 ) 1 4 2 3 水平管降膜蒸发的液体分布器的研究 刑光凯和马学虎f 5 4 】等研究了切向旋转沟槽型液体分布器特性，分析了液体 流动速度、液体浓度和温度对分布器静液柱高度的影响：静液柱高度随流体流动 速度的增大而增加，随液体浓度的升高而降低，随温度的增加而减小，所设计的 液体分布器除用于垂直管外，在第二类吸收式热泵系统中也得到了较好的应用； 还提出了液体分布器的设计方法，对之后液体分布器的研究提供了一定的参考意 义。 赵景利和史晓平【5 5 】等研究了多层筛板分布器的结构及分布效果，实验证明 液体通过多层筛板分布器后，能够在蒸发管内均匀布膜；同时该分布器操作稳定 性较好，能够适用非常宽的粘度范围；随着流量的增加，分布不均匀度的值逐渐 降低，分布效果也就越来越好；而管径对分布的影响通过降流密度来考察，降流 密度的范围处在0 4 - 0 6 1 m s 之间时，才有获得较好的分布效果。 朱玉峰和司孟华【5 6 】介绍了多层喷淋盘式分布器，分散盘及分布盘共同构成 了分布器的主体部分，其中分散盘带齿边，分布盘包括三个多孔筛板，管板与分 布盘以及各分布盘间的距离由定距管确定，特别适用于大流量下的降膜蒸发过 程；对于一定的分布器，当溢流强度q 4 后，言随q 的增大先增大后保持不变；孔径越大，q 对g 的影响越大； 能够使分布器稳定工作的最小液面高度为1 0 一- 1 5 m m 。 张永声【5 。7 】设计了一种用于二甲基硅油生产过程的齿形螺纹调节式分布器。 由于不同位置的蒸发管离液体进口的距离不等，从而导致分配到各个蒸发管内的 液体量不相等，该分布器很好的解决了这一问题：通过螺纹来调节分布器的高度， 来保证横截面方向上进入各根蒸发管的液体量基本一致，促使均匀液膜的形成， 同时，该分布器可以通过锯齿之间的缝隙多点进料，对均匀布膜也是有利的，且 不易堵塞。 刘振义【5 8 1 通过实验研究了食品工业中降膜蒸发装置中的板一盘式液体分布 器的性能，分析了造成液体分布不均匀的原因，并给出了改进措施：当分布器的 最小布液不均匀度恰好对应设计流量时，可以达到最佳的布液效果；造成液体分 布不均匀的原因在于盘上液面梯度的存在以及周边小孔的边缘效应，可通过在进 1 i 综述 料管出口增加挡板、适当加多孔板上的小孔直径来实现分布均匀。 目前，国内外对液体分布器的研究较少，且多针对较为纯净的工质，实验数 据也不多，因此非常有必要对液体分布器进行大量且深入的研究。 1 4 2 4 水平管降膜蒸发器工业化应用 降膜蒸发器在工业生产中的应用可追溯到1 9 世纪末，在步入2 0 世纪后，其 研究和发展到达了一个新的阶段。美国a q u a c h e m 公司于2 0 世纪7 0 年代初开 发了一套多效水平管外降膜蒸发装置，五年后第一次将其成功应用于工业生产 中。水平管降膜蒸发传热效率非常高，易于实现多效操作，可以减少液体循环消 耗的能量，使有效传热温差增大1 5 9 1 ，但不够紧凑，占地面积大。 o a h a r n e d 6 0 】对美国一台运行了十年的水平管降膜蒸发器进行了经济分析， 结果表明不仅投资少、而且操作费用也很低。 王占军【6 l 】等将卧式喷淋降膜蒸发器应用到造纸工业中的黑液处理中，重点 考察了其中的热量传递过程以及结垢现象，研究结果表明水平管外降膜蒸发黑液 可以大大提高生产效率，与板式蒸发器相比，蒸发强度是原来的2 倍，同时有效 地减小了垢的生成，设计出的新型喷淋降膜蒸发器在国内外产生了重要影响。 降膜蒸发在苯乙烯的生产过程中也得到了应用，由于降膜蒸发所需的温差较 小，操作温度较低，因此蒸发器包括管道易结焦结垢的问题得到了很好的解决， 同时还强化了传热，节约了能源【6 z 】。 此外，降膜蒸发还应用在维c 工业生产中，主要是对维c 的生产原料进行 浓缩处理，由于原料在蒸发器内停留时间较短，产品质量得到了改善，生产成本 也大大降低，同时设备的腐蚀i - j 题也得n t 很好的解决【l 。 降膜蒸发器还广泛使用在海水淡化s n $ , j 糖行业中。鉴于水平管降膜蒸发的优 越性，还需加强其在食品、轻工和化工等领域的应用。 1 5 课题的提出和研究内容 1 5 1 课题的提出 能源问题是当代世界各国都面临的关系国家生存、综合囡力的提高和可持 续发展的中心议题。这就进一步促进了强化传热技术的发展，各个国家都集中于 高效换热装置的研究，以期降低能耗，达到节约能源的目的。水平管降膜蒸发蒸 发由于具有较高的传热效率、易于实现多效操作以及适合于处理黏度较大的物料 1 2 综述 的蒸发而得到了越来越多的关注和研究。 目前的研究大多集中于水、氨水和海水等纯工质的研究，研究内容多为影响 传热系数的因素分析，在此基础上得到传热的半经验或经验式，以指导工业生产。 但是，由于实验条件的差异，得出的结果不尽相同，给实际操作也带来了一些问 题。因为实际生产中的原料多为混合物，而混合物的传热不同于纯物质，非牛顿 流体的传热特性也异于牛顿性流体。因此，本文提出以实际物料纤维乙醇蒸 馏废糟为研究对象，进行水平管外降膜蒸发传热实验，研究影响传热的因素，得 到半经验关系式，并对结垢进行观察和分析，进而为水平管降膜蒸发器在工业生 产中的应用提供参考。 1 5 2