三效降膜管式蒸发器工作原理

三效降膜管式蒸发器工作原理

1三效蒸发蒸发图1显示了三效降膜检测器的工作原理。饱和蒸汽通过开口装置进入一个有效蒸发装置，并在蒸发管道中以冷结结。凝结液在管壁面形成连续液膜,液膜将蒸气与冷凝面隔开。蒸气凝结放出的潜热以导热和对流方式穿过液膜,到达管内的物料。物料先欲热至75℃,由降膜分配器均匀进入蒸发管中。物料在蒸发管中加热后沸腾,形成气液两相流。高速流动的蒸在管中心形成气芯,把物料排挤到管壁上形成液膜。气液混合物进入分离器进行分离,生成的二次蒸气进入二效蒸发器的列管式换热器中作为加热热源。浓缩物料则落入底部,经循环泵打入蒸发器进口作再次循环,一部分则被离心泵抽出送入二效蒸发器中进行浓缩。二、三效蒸发器的工作过程类似一效,不同的是二效蒸发的温度为62℃,三效蒸发的温度为42℃。三效生成的二次蒸气不再被利用,而是排入真空冷却塔冷凝成水。浓缩物料达到要求后由螺杆泵抽出送入两个浓汁罐中储存,以便定时灌装。2管压系统设计影响蒸发器总传热系数的因素很多,其中冷凝膜传热系数是重要的因素。冷凝膜传热系数越大,管内物料在单位时间内获得的热量越多。为了便于了解,这里以生产能力为4t/h浓缩物料的三效降膜管式蒸发器为例,说明计算蒸气侧冷凝传热参数的数学模型建立过程。表1为此设备工作参数。各效蒸发管壁温也就是表1中的工作温度,是物料在不同真空度下各效蒸发器中的沸点温度。2.1准则关联式的形式为了判断膜层流态及对比、整理实验数据,一般都把计算式整理成准则关联式形式,在实际计算中采用Kutateladze推荐的准则关联式(2)。经现场调试数据修正,层流段冷凝膜传热平均换热系数为凝结液膜流态由层流转变为紊流时的高度2.2紊流传递准则关联式蒸气在壁面形成冷凝液膜,壁的上部是层流,只有当壁面足够高时,在壁的下部才逐渐变成紊流。当Rec>1800时,膜层流态为紊流,在紊流液膜中,通过液膜层的热量,除导热方式外,紊流传递将成为重要因数。紊流换热准则关联式为:经现场调试数据修正,紊流段平均换热系数:为求得全管长平均换热系数,需要分别求出紊流段的换热系数和层流段的换热系数,但紊流段的雷诺数Ret是未知量,需采用试算法。这里采用C++语言编写了计算蒸发管平均传热系数及蒸气冷凝水量程序,流程图见左图2。通过调整蒸气工作压力、工作温差,计算了不同情况下的冷凝传热系数和冷凝蒸气量,与现场实测数据吻合较好,见图5(一效的设计值6.8t/h,二效设计值4.8t/h),说明所建立的模型是可以用于设计计算的。3不同真空度时两部分蒸发管液根据所建立的计算模型,讨论某一参数对传热性能影响。(1)单个蒸发管,沿垂直方向的换热系数并不相同,液膜随着凝结液沿管壁流下而变厚,热阴增大,雷诺数增加,传热系数下降。如图3所示,一、二效蒸发管沿管长方向液膜先是层流,后为紊流。而三效蒸发管沿管长方向液膜都为层流;层液膜状凝结换热系数是随着管壁的高度增加而降低,紊流膜状凝结则相反。(2)蒸气侧冷凝传热系数在稳态工作时在3000～8000W/m·K范围内,一效蒸发管传热系数最大,达到6486W/m·K,三效蒸发管换热系数最小,为3653W/m·℃。这主要是由于各效蒸发器工作真空度不同造成的,真空度越高,水的沸点越低。水的粘度受温度影响较大,温度降低,水的粘度升高,而传热系数随着粘度的升高而下降。随着真空度的提高,传热系数下降。(图4)。(4)如图6所示,提高温差△T，冷凝传热系数略有下降,但热流密度增加,可以增加传热性能。温差大小与加热蒸气温度以及蒸发器的真空度直接相关。提高一效入口加热蒸气的使用压力或提高蒸发器的真空度都可使用效温差ΔT增大,但随着真空度的提高,物料的沸点随之降低,粘度增大,对沸腾传热又产生了不利的影响。在不影响物料产品质量的情况下,适当提高一效入口加热蒸气的使用压力,可提高蒸气冷凝侧换热性能。4气膜界面温度(1)为了提高传热性能,可以通过提高一效入口加热蒸气的使用压力提高△T。(2)在蒸发器工作中,要不断排除蒸气中的不凝结气体,提高传热性能。(3)符号h—传热系数[W/(m2·K)];η—动力粘度(N.s/m2);q—热流密度(W/m2);g—重力加速度(m/s2);ts—气液界面的温度(K);Nu—努谢尔数;pr—普朗特数;λ—导热系数[W/(m·K)];r—汽化潜热(J/kg);qm—冷凝蒸气量(t/h);ρ—密度(kg/m3);tw—膜壁界面温度(K)。Re—雷诺数;雷诺数:凝结准则:凝结准则全管的平均凝结换热系数:冷凝蒸气量为:(3)由图5可见,蒸气中含有不可凝结的气体时,对凝结换热产生十分大的影响。不凝气体随着蒸气的不断冷凝,浓度不断