（化工过程机械专业论文）木质素悬浮液管式降膜蒸发传热研究.pdf

摘要 摘要 世界能源危机极大的促进了强化传热技术的发展，为了减少能耗，需要开 发适合于不同工业要求的高效换热设备。管式降膜蒸发器由于具有传热系数高、 传热温差小等优点，已应用于多个工业领域，对管式降膜蒸发器的研究也成为 近年来传热技术领域的一项重要课题。 本文设计了一套管式降膜蒸发装置，以工业实际物料木质素悬浮液为 工质，进行传热实验，研究其传热特性，得到了喷淋密度、传热温差、固含量 及热通量对传热系数的影响情况。 通过冷膜实验测试了所设计的筛板分布器的性能，得出筛板分布器能较好 的使物料在换热管内壁上成膜，性能良好。通过传热实验得出结果：喷淋密度 在实验范围内f = - 0 1k g m s 0 4k g m s ，管内降膜蒸发侧传热系数和总传热系数 都随着喷淋密度的增加而增大；在一定的喷淋密度下，蒸发侧传热温差在一定 范围内增加，蒸发侧传热系数也增大，总传热温差增加，总传热系数也有增大 的趋势；木质素悬浮液固含量对蒸发侧传热系数也有很大的影响，随着固含量 的不断增加，蒸发侧传热系数逐渐减小；随着热通量的增加，蒸发侧传热系数 有增大的趋势。本文对固含量为1 6 5 的实验数据进行回归得出了适用于一定 条件下的经验公式，其误差在1 0 以内。 关键词：降膜蒸发传热蒸发器纤维素乙醇 a b s t r a c t a b s t r a c t t 1 1 ew o r l de n e r g yc r i s i sh a sp r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n to fe n h a n c e dh e a t t r a n s f e r t e c h n o l o g y ，i no r d e rt or e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，d e v e l o p i n ge f f i c i e n th e a t t r a n s m i s s i o ne q u i p m e n tf o rd i f f e r e n ti n d u s t r i a lr e q u i r e m e n t si sw h a tw en e e dt od o b e c a u s et u b u l a rf a l l i n gf i l me v a p o r a t o rh a st h ea d v a n t a g e so fh i g hh e a tt r a n s f e r e f f i c i e n c y ，s m a l lh e a tt r a n s f e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e se t c ，i th a sb e e nu s e di nm a n y i n d u s t r i a lf i e l d s ，a n dt h es t u d yo ft u b u l a rf a l l i n gf i l me v a p o r a t o rh a sb e c o m ea n i m p o r t a n ts u b j e c to f h e a t t r a n s f e rt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s i nt h i sp a p e r ，as e to ft u b u l a rf a l l i n gf i l me v a p o r a t i o ne q u i p m e n ti sd e s i g n e d ，a t y p eo fi n d u s t r i a ld e v i c e sl i g n i ns u s p e n d i n gl i q u i di su s e dt od ot h ee x p e r i m e n ta sa w o r k i n gf l u i d t h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i ci ss t u d i e d t h ei m p a c to fs p r a y i n g l i q u i dd 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 s 、t h es o l i dc o n t e n ta n dh e a tf l u xo nt h e e v a p o r a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti so b t a i n e d n ep e r f o r m a n c eo ft h es i e v ed i s t r i b u t o r d e s i g n e di st e s t e dt h r o u g ht h e e x p e r i m e n to nt h ec o n d i t i o no fc o l dm e m b r a n e n er e s u l t si so b t a i n e dt h r o u g ht h e h e a tt r a n s f e re x p e r i m e n t ：w h e nt h es p r a yd e n s i t yi nt h er a n go ff - - o 1 k g m s 0 4 k g m s ，t h ee v a p o r a t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti nt h et u b e sa n dt h et o t a lh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n tw e r ei n c r e a s e da l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es p r a yd e n s i t y ；o n 廿1 e d e f i n i t es p r a yd e n s i t y ，e v a p o r a t i v eh e a tt r a n s f e rt 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 ew i t h i n ac e r t a i nr a n g e ，t h ee v a p o r a t i o ns i d eo fh e a tt r a n s f e rt o e m c i e n ti n c r e a s e s w h e nh e a t t r a n s f e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei si n c r e a s e ，t h et o t a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n th a sa n i n c r e a s i n gt r e n d ；s o l i dc o n t e n to fl i g n i ns u s p e n d i n gl i q u i dh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h e e v a p o r a t i o ns i d eh e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n t ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec o n t e n ts o l i d h e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n to nt h ee v a p o r a t i o ns i d ei sd e c r e a s e ，a n dw i t ht h ei n c r e a s eo fh e a t f l u x ，h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to nt h ee v a p o r a t i o ns i d ei si n c r e a s e i nt h i sp a p e r ，t h e e x p e r i m e n t a ld a t ao ft h es o l i dc o n t e n tf o r16 5 i sp r o c e s s e da n da ne m p i r i c a l f o r m u l ai so b t a i n e d ，i tc a nb eu s e di ns o m ec e r t a i nc o n d i t i o n sa n dt h ee r r o r si nl e s s t h a n 】0 i i a b s t r a c t k e yw o r d ：f a l l i n g - f i l me v a p o r a t i o n ；h e a tt r a n s f e r ；e v a p o r a t o r ；c e l l u l o s ef u e le t h a n o l l l i 符号说明 符号说明 液膜厚度 液膜侧传热系数 传热面积 雷诺数 导热系数 运动粘度 重力加速度 普朗特数 喷淋密度 密度 液体雷诺数 液膜厚度方向距离 涡流粘度 液膜厚度 管长度 二次蒸汽雷诺数 二次蒸汽的流率 换热管的直径 热通量 液体动力粘度 蒸汽动力粘度 液体运动粘度 液体密度 蒸汽密度 气液两相界面的剪切力 传热温差 液体的蒸发温度 螺旋线的丝径 波纹管内壁直径 v i i m 无因次 m 2 无因次 w m k m 2 s m s 2 无因次 k g m s k g m 3 无因次 无因次 m 2 s 无因次 mm黔黧蚪黑善三 cq矿彳如a d g厅厂p舰广矿三胁矿d g化脚p见办。0缸弓s d 文献综述 1 文献综述 1 1 课题背景 随着社会经济的快速发展，能源的消耗量不断增加，2 l 世纪能源紧缺，能 源费用占的比例也越来越大，我国提出了“节能优先 能源战略。为了降低能 耗就发展了强化传热技术，工业中为了提高生产效益，就需要开发出适用于不 同工业过程要求的高效传热设备。 燃料乙醇作为一种清洁的可再生燃料，已经经历了近百年的历史。纤维乙 醇作为第二代燃料乙醇，成为工业生物技术的研究热点。纤维乙醇以秸秆、农 作物壳皮茎秆、树枝、落叶、林业边脚余料和城乡有机垃圾等纤维为原料经预 处理、发酵生产【1 - 2 1 。德国和前苏联的科学家在二战期间曾通过强酸、高温来分 解纤维素生成单糖，而发酵生产乙醇或单细胞蛋白【3 】。而后，随着战争结束后， 恢复经济，石油工业开始快速发展，这项工艺很快就被放弃了。由于第一次石 油危机，在1 9 7 3 年科学家们又重新开展了大量以纤维素类资源酸法或酶法生物 转化生产乙醇或其它化学品的技术研究。经过各国3 0 余年的努力，已经在技术 上取得了重大进步1 4 巧j 。 在纤维乙醇的生产过程中，植物纤维素的预处理阶段会产生大量的黑液即 生产中的废水一木质素悬浮液，此黑液与造纸黑液的成分不同，悬浮液中含有 部分纤维素、木质素、半纤维等难生物降解物质，还有部分的多糖、酸类及糠 醛等。如何对此悬浮液更好的处理，而又不会对环境造成污染，是必须要考虑 的。实践中一般对废水进行蒸发浓缩后，作为锅炉燃料烧掉。 蒸发是一种单元操作，是从液体中排出水或者其他容易蒸发的物质。蒸发 过程需要消耗大量的能量，随着工业生产规模的日益扩大，用蒸发单元操作所 需的能量也在不断的增加，但能源的价格却逐渐上涨，因此，蒸发节能在世界 各国都是受到了很大的重视，研究人员纷纷通过改进蒸发器的结构等，来开发 设计新型的高效的蒸发器。由此可见，研究蒸发的能耗过程、探究节能的最佳 方案，提高能量利用效率，成为了当今世界上一个非常重要的研究课题。液膜 传热是强化传热的方法之一，对于管内液膜传热的管式蒸发器目常用的有升膜 蒸发器和降膜蒸发器。 文献综述 降膜蒸发器实际上是一种管壳式换热器，它是1 9 世纪末发展起来的一种高 效蒸发设备，由于具有良好的性能越来越多地应用于化工、轻工、海水淡化、 食品加工、医药、污水处理及原子能等工业领域。随着降膜蒸发器的应用，对 降膜蒸发器的研究也越来越多，很多的研究者提出了一些措施对其进行改进， 以提高其传热效率，使其更好的应用于工业实际生产。本文提出将管式降膜蒸 发器应用于工业生产过程中，处理特殊物料木质素悬浮液，研究其流体力 学性能，并设计实验装置对其进行蒸发浓缩，研究其传热特性，为管式降膜蒸 发工业装置的设计提供理论依据，以提高传热系数，为生产节能。 1 2 管式降膜蒸发的特点 管式降膜蒸发是由相对低的温度或者热流量而引起的薄膜蒸发，在蒸发过程 中，物料沿着换热管的管壁在重力、界面剪切力、离心力及二次蒸汽流的拽力 等作用下，呈现薄膜状态向下流动，一般形成的液膜厚度为0 1 2m i l l ，在流动 过程中吸收来自换热管壁传递的热量，蒸发而产生二次蒸汽，从而实现物料的 浓缩。管式降膜蒸发器与其他蒸发器相比具有以下的特尉昏9 1 。 ( 1 ) 较高的传热系数，由于物料沿换热管管壁呈薄膜状态流动，而且所形 成的液膜厚度比较薄，传热阻力小，对物料与管壁的热量传热是有利的，所以 降膜蒸发的传热系数比较高。 ( 2 ) 传热温差损失比较小，由于管式降膜蒸发器内不存在由液位静压而产 生的沸点升高，故热温差损失小，而且由物料的蒸汽压而引起的物料的沸点升 高也比较小，在小温差下操作比较容易。 ( 3 ) 物料在换热管的管壁流动换热，停留的时间短，持液量小。非常适于 处理热敏性的物料。 ( 4 ) 适用于处理粘度比较大的物料，不适用于易结晶的物料。结晶现象的 产生会破坏物料在管壁成膜，不利于热量的传递过程，而且降低传热效率。 ( 5 ) 由于降膜蒸发器的传热系数比较高，故同样的传热面积和热通量下， 所需的传热温差小，而且传热温差损失小，提高了总的传热温差，故管式降膜 蒸发器多效操作比较容易实现，对于特殊的物料由于降膜蒸发时液体停留时间 比较短也比较容易实现多效操作。 ( 6 ) 需要装置液体分布器，液体分布器是保证物料能沿着换热管壁均匀的 文献综述 成膜，这也是降膜蒸发器能正常工作的关键设备。而且，对于垂直管降膜蒸发 器来说，必须保证换热管的垂直度，及液体分布器的水平度。 1 3 管式降膜蒸发的影响因素 通过降膜蒸发的原理得知，降膜蒸发将会在换热管内形成气液两相流动。 由于两相流的存在，造成了降膜蒸发过程的复杂性，其过程中间存在着传热、 传质、相变等过程，伴随着能量和动量的传递，使对降膜蒸发的分析和研究带 来很到的困难，一般情况下降膜蒸发器的传热主要受以下因素的影响：( 1 ) 物 料的性质，如物料的粘度、密度等；( 2 ) 传热温差；( 3 ) 实验物料的喷淋密度 ( 或者雷诺数) ；( 4 ) 换热管的材料、尺寸、形状、布置方式；( 5 ) 液膜的分布 及厚度；( 6 ) 加热方式；( 7 ) 液体分布器的结构形式。 1 4 降膜蒸发的研究状况 理论研究和实验研究是降膜蒸发的研究主要的两个方面。理论研究主要侧 重于研究管壁液膜的流动状态和液膜表面状况【1 0 。1 3 】，建立降膜蒸发的理论数学 模型，对降膜蒸发侧传热系数进行理论求解，利用实验数据获得经验或半经验 的关联式陋1 刀；在实际应用领域，主要从降膜蒸发设备及系统入手，改进降膜 蒸发器的结构，改善降膜蒸发器的传热性能或者改善整个系统的流程，提高降 膜蒸发器的传热系数，完善系统的操作条件，达到节能的目的。目前已经有很 多学者对降膜蒸发的传热性能进行了研究，但是由于所考虑的因素、实验装置 的设计及实验条件都不相同，所得出的结论及获得的一些经验或者半经验的公 式都有一定得局限性，只适用特定的条件。 1 4 1 管式降膜蒸发的理论研究 在理论研究方面，n u s s e l t 1 8 】研究的最早，其理论主要集中于水膜，在1 9 1 6 年n u s s e l t 假设整个液膜的流动只为光滑的层流，不考虑界面波动和气相剪切力 对液膜流动和传热的影响，研究降膜蒸发的传热机理，建立了动量和能量方程， 对液膜进行理论模拟，获得了液膜的传热系数和液膜厚度的计算式。 i ，7 万：f 等1 3r e 乃 ( 1 1 ) 文献综述 矿：1 1 0 r e 咣( 1 2 ) 式中h + 为无因次传热系数，将其定义为： 拈忍( 封 3 ， n u s s e l t 的研究有着非常重要的作用，是后人研究光滑直立表面液膜传热的 理论基础，但是实际传热过程液膜表面在r e 很小时就会出现波纹【1 9 1 ，液膜中热 量传递中存在着由于波纹的搅动作用而产生的对流换热而不仅仅为分子间的热 传导，因而所得理论数学模型的假设条件与实际是有很大差别的，一般情况下 理论值将比实验值低【2 0 2 2 1 。 由于液膜内流动存在自由面，故而产生了不同的状态，可以分为层流、波 动层流、湍流及波动湍流等基本流型。d u k l e r 2 3 】对液膜的不同的流动状态进行了 比较全面的分析。他对湍流下降液膜进行了理论模拟，将满管流边界层的湍流 模型移置于降膜蒸发液流中，对广2 0 区域选用d e i s s l e r 模型，y + 2 0 区域选 用v o nk a r m a n 模型，忽略界面波动情况下计入二次蒸汽对流动与传热的影响， 联立求解降膜动量和能量方程。其得出理论值在热通量较小或者二次蒸汽速度 不大的情况下，比实验值高4 6 。d u k l e r 对降膜蒸发传热所做的理论研究，为 后人打下了重要的基础。 m u r t h y 和s a r m a 2 4 】在1 9 7 7 年对湍流降膜蒸发传热进行了更为深入的研究， 其模型假设忽略气液界面的阻尼，不考虑相界面之间的剪切力，涡流热扩散系 数与涡流粘度相等，引入修正的涡流粘度表达式： 丘：0 0 0 8 2 8 1 y + 2y + 2 弋 3 0 y ( 1 4 ) ( 1 5 ) 墨彤 矿：里二二一( 1 6 ) 5 + 面杀陋1 2 7 3 厄一t a n - i0 4 5 5 瓜+ 丽1 1 i l ( 万+ ：0 1 2 ( 4 0 r e + p 2 。2 7r e ) ( 1 7 ) 文献综述 此计算式的得出对工程设计计算提供了很大的方便。但是根据近年来对边 界层的理论研究，涡流热扩散系数与涡流粘度不相等【2 5 洲，所以其理论仍不完善。 在国内，赵鸿汉【2 7 】等人通过对波纹管降膜蒸发器传热的理论研究，在计入 二次蒸汽剪切力的情况下得出了层流条件下，液膜流动的表达式和液膜层流的 传热分系数计算式，并且在u e d a 的涡流粘度表达式的基础之上，得出了整个液 膜连续的涡流粘度表达式。 随着降膜理论研究的深入，研究从层流到湍流，而关于层流表面波纹的研 究也逐渐开始。l y d 和m u d a w a r 【2 8 1 对波动层流流动进行了理论分析，假设波动 波形为正弦和长波流动。最终通过n s 方程得到了膜厚的表达式： 占：r 型生丫 ( 1 8 ) l g 1 9 5 6 年v a nd r i e s t e 2 9 1 将s 形方程引入到圆管中，通过指数抑制函数 l 卜e x p ( 一y + a + ) i 修正湍流底层线性混合长度函数，使混合长度在壁面处等于 零，a + 为经验常数。此模型只适用于近壁区，随后此模型得到了广泛的应用。 m i l l s 、s a n d a l l 、s e b a n 和h u b b a r d 3 0 - 3 3 1 等人都在v a nd r i e s 模型的基础上，对其 进行修正，进行更深入的研究得出了近壁区和界面区的6 + 和向+ 的关联式。栾善 东【3 4 1 等人也研究t - 次蒸汽对湍流下降液膜传热性能的影响，对于垂直管内降 膜蒸发的下降液膜，建立了流动与传热的数学模型，将实验值与通过模型计算 得出的传热膜系数进行了比较，结果二者比较吻合，该模型能够较好的预测了 过程的传热。 在降膜蒸发理论研究过程中，对液膜的传递方程的研究，v a nd r i e s 的模型 得到了广泛的应用，也得到了大部分研究者的肯定，但是对于非近壁区，没有 形成统一的、明确的结论这有待于进一步的研究。 1 4 2 管式降膜蒸发的实验研究 1 4 2 1 传热性能研究 对降膜蒸发器中蒸发侧的传热性能研究，是降膜蒸发研究的重点课题，国 内外众多学者进行了大量的实验研究，得到了大量的实验数据，得出了很多的 文献综述 实验关联式。 众多研究者所得到的关联式中比较有影响力的是c h u n 和s e b a n 【3 5 】通过传热 实验而得出的。实验中以水为工作介质，使用垂直不锈钢管，进行电加热常压 蒸发，实验所使用的管子直径为0 2 8 6 o 1m m ，有效加热长度为2 9 2m m ， p r = 1 7 7 5 7 ，q = 8 2 9k w m 2 ，r e l = 3 2 0 - 2 1 0 0 0 ，在饱和温度为2 8 1 0 0 范 围内进行实验，最后通过计算得出蒸发传热系数的实验关联式： 层流：h + = 0 8 2 1r e ，。0 2 2r e 3 2 0 0 ( 1 1 0 ) 此实验忽略了二次蒸汽对蒸发传热的影响，得到的关联式在使用时有一定 的局限性，不能适用于蒸发量很大或者液膜内有核式沸腾的情况。 s t r u v e 3 6 】在蒸汽加热管内对r ll 液体进行蒸发降膜，换热管直径为0 3 2m m ， 长度o 2 5 1 2 5m ，实验发现流速、热通量和膜厚对局部传热系数是有影响的， 在r e m 找= 9 0 0 0 ，p r = 4 1 2 时得出关联式： h + = 0 0 0 7 8 r e n 4 1 ( 1 1 1 ) 在波纹层流区得出实验关联式为：h + ：o 7 1 ( i ) m 2 8 2 ( 1 1 2 ) 在转变区， + 取决于充分发展段的长度三，假定距离分布器9 0c m 后流动充 分发展，在充分发展区，办+ 与三无关。 h + = o 1 2 + 0 6 7 ( l 9 0 ) 0 2 l 9 0 r 0 6 7 ( 1 1 3 ) h + = 0 0 4 5 + 0 1 8 ( l 9 0 ) o 6 7 l 9 0 弋 1 0 ( 1 1 4 ) h + = o 2 2l 9 0 1 o ( 1 1 5 ) 湍流区关联式：h + = 0 0 0 1 4 ( f ) u 4 1 ( 1 1 6 ) f u j i t a 和u e d a l 2 0 1 水为工质，电加热换热管，换热管直径为0 1 6m m ，长度 分别为0 6m 和1m 。在q = 3 0 7 0k w m 2 ，r e = 7 0 0 9 1 0 0 ，p r = 1 7 5 条件下进行了 管内降膜实验，并得出如下关联式： 层流：h + = 0 9 r e m 2 2( 1 1 7 ) 湍流：h + = 0 0 0 6 r e o 4( 1 1 8 ) 其关联式计算结果比c h u n 和s e b a n 的关联式高l o 。 新) l i e t l 7 】以水及水一酒精为工质，进行管内降膜蒸发，沸点进料，换热管为 铜管，长度为1 2m ，内径为0 1 3 4 7m m ，换热管外使用蒸汽加热。由于管内的 液膜表面与蒸发的二次蒸汽接触，受到强烈的向下拽力，改变了液膜的流动特 性。因此确定二次蒸汽流是影响传热的主要因素，并且定义了二次蒸汽的雷诺 文献综述 数： r e v - = 丽刁4 v 瓦 ( 1 1 9 ) 最后实验得出了降膜蒸发传热的关联式： h + ：0 8 2 l ( v ) r e v 。4 6p r ( 1 2 0 ) “5 h e r b e r t 3 7 】以水为工质，换热管外用电阻丝加热在直径为2 4 0 8n l r l l ，长度 为2 4 4m 的管内进行降蒸发传热实验，实验热通量为q = 1 5 8 0k w m 2 ， r e t = 5 0 0 0 n 3 0 0 0 0 时的实验关联式为： h + ：6 9 5 4 x 1 0 3 丁。一4r e o 2 8 ( 1 2 1 ) s h m e r l e r 3 8 1 对比较长的管子进行了管内降膜蒸发实验，以水为工质管外电加 热，管子长为7 8 1m ，管子直径2 5 4m m ，得出了实验关联式： h + = 0 0 0 3 8r e o 3 5p r o 嬲 ( 1 2 2 ) 式中r e = 5 0 0 0 3 7 5 0 0 ，p r = 1 7 5 5 4 p r o s t 与g o 删e z 【3 9 】等人也进行了垂直管降膜发传热性能的测试，设计了实 验装置，使用的换热管为1 2 根，外径为0 2 5 4m m ，长度为3m ，将其用于水果 果汁的浓缩，通过实验得出了经验关联式： h + = 1 6 6 3 6 r e l 。0 2 6 4 8p r o _ 1 5 9 2 1 5 r e l 3 0 0 0 ，2 5 p r 2 0 0( 1 2 3 ) 此关联式的得出为实际生产提供了帮助。 随着降膜蒸发器应用的越来越广泛国内很多学者对其研究也越来越多，赵 起【4 0 1 等人与实际的生产应用结合，使用了工厂实际常用管子设计装置，进行了 管内降膜蒸发传热实验，管子尺寸长4m ，直径为0 2 2m ，在热通量q = 1 0 8 0 k w m 2 ，r e l = 2 0 0 0 1 0 0 0 0 条件下，计入二次蒸汽的影响，得出了传热系数的关 联式： 拈2 胛枷。畔2 8 时叼r 0 3 3 ( ) 0 3 6 ( ) n 1 2 m2 4 ， ，卜v ) p l 通过上式可以看出二次蒸汽对垂直管内降膜蒸发有明显的影响。 由于二次蒸汽对降膜蒸发过程中传热性能有影响，栾善东、孙平4 1 1 等人 在垂直管内引入载气研究其对传热性能的影响。栾善东在垂直管内引入惰性气 体，发现可以降低过热度，强化降膜蒸发传热，传热膜系数可以提高2 0 5 0 。 7 文献综述 孙平对垂直管内引入饱和蒸汽的湍流降膜蒸发传热进行了实验研究，研究表明： 管内引入饱和蒸汽后，可以在不提高液膜传热温差的情况下，提高传热系数1 2 , - - 1 5 ，降低液膜厚度1 0 , - - 2 0 ，得出传热系数和液膜厚度关联式： 矿：2 4 6 2 1 0 3r e l 0 2 3r e , , o 2 3 p r 必 ( 1 2 5 ) 矿= 0 7 3 4 r e l 0 4 8r e ，m n ( 1 2 6 ) 1 4 2 2 管式降膜蒸发的强化传热研究 强化传热技术在化工、石油、动力、制冷等多个领域中应用都很广泛，在 能源严重短缺的现在，对于强化传热又提出了新的要求，对其研究的广度和深 度要进一步的扩大和发展，世界上很多国家也进行了大量的研究工作。对于传 热设备强化传热主要是力求达到单位时间，单位面积传递的热量最多。而应用 强化传热可以提高心有换热设备的传热能力，使换热设备在较小的温差下工作， 以减小换热设备的体积和质量，减小换热的动力消耗【4 2 1 。管式降膜蒸发器相比 其他蒸发器具有一些优点，比如能在较小温差下工作等。 管式降膜蒸发器的传热研究主要集中于改变换热管表面的性能及扩大其传 热面积等方面，对水平管降膜蒸发器强化研究较多，而对垂直管降膜蒸发强化 传热的研究比较少，但也有一些研究人员做了研究，主要是使用波纹管及通过 管内插入物来提高传热效率。 孙平【4 1 】在垂直管内引入饱和蒸汽，造成管内液膜湍动强化传热，在不提高 液膜传热温差的情况下，传热系数增加了1 2 1 5 ，并且传热温差越小，效果 越显著。 天津大学的姜世楠【4 3 联系实际应用以葡萄糖溶液为工质，为了强化传热效 果采用波纹管代替光管研究波纹管降膜蒸发，实验研究表明，所使用的波纹管 降膜蒸发器传热性能良好，液膜蒸发侧的传热系数比垂直光管的传热系数提高 了1 0 左右。通过计算实验数据，得到了波纹管降膜蒸发器浓缩葡萄糖的传热 分系数关联式： 层流：h + = 1 1 0 0 6 r e m 3 3 3 3r e 7 7 0( 1 2 7 ) 湍流：h + = 2 3 8 x 1 0 。4r e o 9 4 5 3 7 7 0 r e 1 2 0 0 0 ( 1 2 8 ) 实验发现此降膜蒸发器适于在雷诺数小于1 2 0 0 0 的情况下进行操作，当雷 诺数大于1 2 0 0 0 时由于流速过快管内会出现液体飞溅和脱体现象，而造成传热 分系数下降，传热效率降低。 文献综述 赵鸿、汉【2 7 1 也对波纹管降膜蒸发器进行了研究，实验也以葡萄糖溶液为工质， 最后得出波纹管不仅具有普通光管降膜蒸发器的优点，其蒸发侧液膜的传热分 系数约为普通管的1 2 倍左右，并且得出了传热分系数关联式： 层流：h + = 8 7 8 9 2 r e 加4 4 5 83 0 0 船9 5 0 湍流：h + = o 0 1 9 5 6 9 r e n 2 1 2 6 3 2p r o 。7 2 2 5 3 3 ( 1 + f ) n 0 1 7 4 1 8 1 0 3 抑1 5 5 ；9 5 0 r p 3 0 0 0 ；o f 2 ( 1 2 9 ) ( 1 3 0 ) 此关联式与实验值比较吻合，误差较小，为实际应用提供了依据。 孙荷静，朱冬生即】等应用c f d 软件模拟了流体在竖直波纹管和圆管内液膜 的流动，得出结论：随着喷淋密度在一定范围内的增加，水膜传热系数和总传 热系数都随之增加；相同的喷淋密度下，波纹管能更好的均匀布膜，减少“干 斑”现象，提高了传热系数，降低了功耗。 管内增加翅片通过增加传热面积，破坏壁面附近层流底层的流动，也可以 强化传热。常用的管内插入物有纽带、静态混合器、螺旋线等【4 5 1 。 河北工业大学的魏峰1 4 6 】以水为工质，研究了管内插入螺旋线的降膜蒸发器 的传热性能，讨论了8 种不同结构参数的螺旋线的影响，得出了传热温差、液 膜雷诺数、蒸发温度及螺旋线的结构参数对降膜蒸发侧传热系数的印象，管内 加入螺旋线可以提高传热效率，传热效果最好的可以提高传热系数2 0 ，并且 通过实验数据得出了光管和管内插入螺旋线的降膜蒸发侧的关联式： 光管：h + = 0 0 2 7 7 r e o 。2 1 ( 等) 1 8 1 4 0 0 0 r p 1 5 0 0 0 ( 1 3 1 ) i | 管内插入螺旋线管：矿= 0 0 2 7 7 r e 0 。1 8 ( 等l 8 1 喏) 3 6 6 ( 去) m 1 8 咕) 0 。1 3 ( 1 3 2 ) 4 0 0 0 r e 15 0 0 0 ；1m e d d 2i i l m ；0 8f i l m s li i l l l ；8i t l l t l ，1 11 t 1 1 t i 刘东亮【4 7 】在常压下对带螺旋线的降膜蒸发器进行了研究，在液膜雷诺数r 既 为3 8 0 0 1 4 0 0 0 ，热通量曰为1 5 3 4k w m 2 的实验条件下，参数合适的螺旋线能 够强化传热效果，降膜蒸发管液膜侧传热系数比光管高2 5 左右。 由于螺旋线插入物制造方便，价格低廉，比较适合应用于强化降膜蒸发传 热，是一种比较有效的强化传热技术，有着广泛的应用前景。 1 4 2 3 管式降膜蒸发器的液体分布器的研究 9 文献综述 液体分布器在降膜蒸发中起着重要的作用，液体分布器的结构是否合理， 布膜能否均匀，直接影响着管式降膜蒸发器的传热效率和操作稳定性，如果布 膜不均，则液膜会出现薄厚不一，有些地方甚至会出现“干壁”，这会使传热系 数下降，所以选择合适的液体分布器至关重要。目前实际生产及实验中常用的 主要分布器类型有溢流型、插件型、再分布型、筛板型等。 溢流型分布烈4 8 4 9 1 是液体通过开在换热管顶端的齿型缺口、切向孔、切向槽 等，利用液体静压，溢流入管内，沿壁面呈膜状流下。种类大致有平口溢流型、 切向孔式、齿缝型、切向槽式等。这类分布器结构比较简单，安装精度高，分 布效果不易保证，切向的孔、槽对特殊物料使用过程中很容易被液体中的固体 物阻塞，适用于液体分布要求不高的场合。 吉林的张永声【5 0 】设计了一种齿形螺纹调节式分布器，该分布器用于二甲基 硅油的生产。分布器为螺纹调节式，通过螺纹对分布器高度进行调节，使进入 换热管的液体量相等，能形成较为均匀的液膜，而且使用螺纹调节高度避免了 由于不同位置的换热管距进料口的远近不同而引起的液位落差的大小不同以及 换热管在与管板连接时存在上、下偏差而造成的液体进入换热管的液量差异。 这种液体分布器可以通过齿缝多点布料，布膜完整均匀，不易堵塞，操作稳定 可靠。 切向孔式与切向槽式液体分布器结构类似【5 ，都是沿管壁的切线方向钻孔 或者开槽，液体通过切向方向进入换热管表面，在管内表面形成液体旋转流动， 沿着换热管内壁形成较为均匀的液膜，但是，如果开孑l 或者开槽比较小，特殊 物料容易阻塞，会使液体分布不均匀。 在换热管的上部安装一个插件来进行液体分布的分布器为插件型液体分布 器 4 7 , 5 2 1 ，其原理是利用插件与换热管内壁间的环隙作为液体通道，并且插件具有 一定得导流作用，液体在环隙中流动，形成膜。这类液体分布器有锥体式、螺 旋沟槽式、导流齿缝式、导流喷淋式、细管式等，形式比较多样，但是由于插 件使分布器的流动阻力比较大，环隙比较容易阻塞，适宜处理清洁物料，一般 只能保证在单管内布膜，多管布膜不均匀，而且加工精度要求较高，适用于小 型的降膜蒸发器。 管内再分配型液体分布裂47 】是将溶液由分支管分配到各个换热管，然后利 用换热管内的再分布器在管壁分布成膜，该分布器分布效果好，不容易堵塞， 可用于大直径换热管。 1 0 文献综述 赵忠祥【5 3 】将一种再分布型分布器用于真空降膜蒸发浓缩果糖浆中，实验证 明该分布器分布效果良好，能够使物料均匀布膜。 筛板式分布器是在板上开适量的孔，液体流到板上后通过筛孔流入管板再 流入换热管的内壁布膜，筛板的筛孔与管板的板桥对应。筛板分布器结构比较 简单，安装的水平度要求高，适合大型装置，而且这种分布器可以多层结合使 用，布膜效果会更好。 朱玉峰，司孟华 5 4 1 在降膜蒸发器内使用多层喷淋盘式分布器，分布器由带 齿边的分散盘及三个多孔筛板分布盘组成，分散盘架于分布盘上面，三层筛板 用支撑定位螺栓和定距管固定于管板上。安装时要保证水平度，及换热管的垂 直度。操作时料液经分散盘，分布于上筛板，通过筛孔流入中筛板，在进入下 筛板，可以均匀的分布到管板的板桥，进入换热管后呈膜状沿内壁流下。通过 实验，得出多层喷淋盘式分布器分布均匀，且流量越大，不均匀性越小，操作 范围比较宽。 赵景利，史晓平【5 5 】等在降膜蒸发器中使用多层筛板分布器测定其性能，找 出了喷淋密度与分布不均匀度的关系以及粘度对分布不均匀度的影响。通过实 验得出多层筛板分布器运行稳定，适用物料的粘度范围宽，且流量越大分布不 均匀度越小，适合大流量操作。 王向举等【56 】设计了适合于大型竖直降膜吸收器的新型的液体分布器，经过 冷膜实验得出该分布器在喷淋密度小于o 0 5l ( m s ) 时，液膜分布不均匀，但是 随着喷淋密度的增大不均匀系数变小。 河北工业大学化工学院的赵斌掺7 】等也对筛板式液体分布装置进行了研究， 将筛板分布器用于大型的水平管降膜蒸发器。分别对不同浓度、不同粘度和温 度的水溶液进行了实验，分析了影响该分布器的因素，物料的温度、粘度、流 量对物料的分布都有影响，流量越大，液体分布的越均匀并且不易堵塞，适宜 在较大的流量下进行操作，且筛板分布器还具有结构简单、加工方便等优点。 孙会朋【5 8 j 在2 0 0 7 年也对液体分布器进行了研究，设计了适用于水平管降膜 蒸发器的排管式液体分布器，液体由垂直的中心管引入，经过水平的分配管进 入布液管中，在由小孔喷淋到各个水平管束上。本设计制作比较简单，液体的 分布效果较好，并对液体分布器的性能进行了测试，得出非均匀开孔比均匀开 孔的分布效果好，与赵斌得出的结论一致。这种分布器，整体布膜比较均匀， 可用于实际生产。 文献综述 液体分布器在降膜蒸发中起着重要的作用，国内外对其研究相对较少，其 研究大多适用于较纯净的工质，而且液体分布器的设计一般申请专利，公开资 料较少，实验数据公布比较少，应该加大对其研究，研究出能更好的被工业生 产所使用的液体分布器。 1 4 2 4 管式降膜蒸发的应用 降膜蒸发器在进入2 0 世纪后，其使用和研究得到了广泛的发展。在海水系 统中应用降膜蒸发器，在相同热负荷下可以减少传热面积，而且易于实现多效 蒸发，而且能够提高造水比1 s 9 , 6 0 】。管式降膜蒸发器在2 0 世纪9 0 年代才应用制冷 系统，传热系数比较高，改善了系统的循环效率，减小了蒸发器的体积，减少 了投入成本，降低了制冷剂的投入和维护成本，而且也降低了制冷剂的泄露概 率，使制冷剂有更好的筛选范匪 e 6 1 , 6 2 1 。 王占军等【6 3 】将降膜蒸发器应用于造纸工业，探讨了不同工质、不同热流密 度、不同浓度及喷淋量对传热特性的影响，其研究测试得出应用管式降膜蒸发 器比板式蒸发装置蒸发强度提高了将近一倍，并且管式降膜蒸发器具有良好的 防垢和除垢性能，传热系数高，蒸发强度大，设计出的新型卧式喷淋降膜蒸发 装置处于国际领先水平。在v c 工业中使用降膜蒸发器，也获得了良好的效果， 降低了操作费用，解决设备的腐蚀问题1 6 4 。 管式降膜蒸发器有着诸多的优点，应加大工业化的研究，使其能更好的被工 业生产多利用，而且要加大其推广的力度，使其应用越来越广泛。 1 5 课题的提出和研究内容 1 5 1 课题的提出 在能源短缺的现代，节约能源已成为我国的基本国策，已成为能源发展战略 的首要任务。这进一步促进了强化传热技术的发展，开发适用于不同工业要求 的高效降膜蒸发器成为研究的热点。管式降膜蒸发器由于具有高传热系数、小 的传热温差、能耗少、制造成本较低、适用于粘度较大的物料及易于实现多效 操作等优点，在各个工业领域得到了越来越多的应用。 目前的研究大多集中于对管式降膜蒸发器的传热性能研究，研究影响传热 性能的多个因素，得到适用于不同条件下的经验或者半经验公式，所使用的工 1 2 文献综述 质大多为水及一些纯工质，而对工业上应用的混合物研究比较少，而降膜蒸发 器实际应用及操作的局限性通常来自于液体的不利的性质，特别是流体粘度的 增加及固体物质的存在，可能使过程中出现很多的问题对液膜的分布及稳定性 造成影响，故从实验到工业应用还需要很长的路程要走。混合物的降膜蒸发传 热性能与纯工质是有差别的，混合物的传热性能受何种因素影响也需要进一步 的研究。另外大多研究者针对牛顿流体建立了经验或者半经验公式而针对非牛 顿流体研究的比较少，为此本文提出以含有木质素的悬浮液这种非牛顿流体为 工质，对管式降膜蒸发器进行研究，研究管内降膜蒸发的影响因素，为设计适 合蒸发非牛顿流体的降膜蒸发器提供依据。 1 5 2 研究内容 本课题在参考大量的国内外研究降膜蒸发传热的文献的基础上将对木质素 悬浮液降膜蒸发的传热性能进行实验研究，具体包括： ( 1 ) 对木质素悬浮液的流变特性进行测定，分析其属于何种流体。测量其 物理性质例如粘度、密度等。 ( 2 ) 设计适合木质素悬浮液的管式降膜蒸发器。 ( 3 ) 设计适合木质素悬浮液的液体分布器，进行冷膜实验，测定液体分布 器的布膜情况，并确定热膜实验喷淋密度范围。 ( 4 ) 以木质素悬浮液为工质对管式降膜蒸发器进行实验研究，分析木质素 悬浮液的喷淋密度、热通量、传热温差及固含量对传热性能的影响，为以后的 工业设计提供依据。 木质素悬浮液的流变性能及冷膜实验 2 木质素悬浮液的流变性能及冷膜实验 2 1 木质素悬浮液流变性能的测定 能源问题己成为全球关注的焦点，燃料乙醇作为可再生能源己被视为替代 和节约汽油的最佳燃料。在生产燃料乙醇的过程中，预处理阶段会产生大量的 黑液一木质素悬浮液，生成后不能够直接烧掉，为了节约能源一般将其浓缩后 作为燃料继续被利用。木质素悬浮液即纤维乙醇黑液其不同于造纸中的草浆黑 液，草浆黑液的主要成分为一些碱性物质，而本次的悬浮液中主要成分为纤维 素、半纤维素、木质素，酸类及一些多糖和糠醛。 2 1 1 测量原理 测量仪器：n d j 。7 9 型旋转粘度计 测量条件：采用电子恒温水浴加热系统，盛有物料的外筒用恒温水浴加热，试 验温度测试点如表2 1 所示。采用数字型温度计检测温度，精度l ，采用烘干 称重法测量物料中的固含量，称重用天平，精度0 0 0 0 1g 。 表2 1 试验温度 t a b2 1t e s tt e m p e r a t u r e 试验点1234567 温度t 2 5 3 34 3 5 3 6 3 7 38 3 测量原理： 旋转粘度计测量流体流变性能测量的原理如图2 1 所示。图中r 1 、i 毪分别 为粘度计内、外圆筒的半径，f 为内筒的高度。测量时，转筒在被测液体中收到 粘滞力的作用，进而产生反作用，使游丝产生扭转，此时刻度盘将产生刻度， 刻度盘产生的刻度与转筒所受的粘滞力成正比，幻为转子的旋转角速度，物料 的粘度，7 为刻度盘上的刻度值与旋转粘度计本身的系数a 的乘积。 转子所受的阻力矩m 由( 2 1 ) 式确定： m ：；! 至! 竺翌 ( 2 1