影響水平管降膜蒸發因素的實驗研究

趙龍陸 陳 曄

(南京工業大學)

水平管降膜蒸發器作為一種高效節能的換熱設備，其優點為傳熱效率高、傳熱面積小、操作穩定性好、傳熱溫差小[1,2]，相對于其他類型的換熱設備具有明顯的優勢。影響水平管降膜蒸發器換熱效果的因素很多，眾多研究人員對此進行了大量研究[3～6]，但由于氣、液界面的波動引起水平管降膜蒸發傳熱復雜和實驗條件的差異，其研究結果有所不同，研究人員對傳熱系數的變化規律有不同意見, 因此有必要進一步對傳熱系數進行實驗研究和理論分析, 明確傳熱系數隨各操作因素的變化規律, 為設計與生產操作提供實驗和理論依據。

1 實驗設備及流程

實驗采用噴淋管式分布器噴淋物料，在噴淋管上以23mm為間隔均勻開孔，孔徑為3mm。液體從小孔中流出，均勻噴灑在水平蒸發管上。實驗中采用φ25mm×3mm的光滑管作為蒸發管，用鉑電阻溫度傳感器測量第一根蒸發管管壁溫度。

實驗流程如圖1所示。液體經加熱儲罐加熱到所需溫度后，通過離心泵噴淋到水平管降膜蒸發器內，經蒸發管表面換熱蒸發，未蒸發的物料經泵重新進入原液加熱儲罐，再次循環以上操作。蒸發管外產生的蒸汽通入冷凝器與冷卻水換熱冷凝，然后收集冷凝水，并測量數據。蒸汽段將去離子水通入電加熱蒸汽發生器加熱產生蒸汽，通過渦街流量計進入蒸發管內。換熱后，在設備內部冷凝的冷凝水通過汽水分離器進入冷凝水計量器記錄數據，蒸發管內未冷凝的蒸汽通過汽水分離器進入蒸汽冷凝器，然后收集冷凝水并測量數據。

為排除結垢和腐蝕的影響, 以去離子水作為研究對象，實驗中蒸發側液體的溫度T=98.5℃，每組數據測量時間間隔為30min。

2 噴淋密度對熱通量、傳熱系數的影響

圖2為熱通量隨噴淋密度的變化規律。從圖2可以看出，傳熱溫差的變化對熱通量的影響尤為明顯，且熱通量隨噴淋密度的增大而持續增大，這與管外蒸發側液膜的擾動有關，隨著噴淋密度的增大，管外液膜流動由層流向紊流改變，對流傳熱增強，熱通量也隨之增大。但總的來說，噴淋密度對熱通量的影響并非十分顯著。

圖3為傳熱溫差不變(8℃)時傳熱系數隨噴淋密度的變化規律。從圖3可以看出，管外換熱系數隨噴淋密度的增加而增大，這是由于隨著噴淋密度的增加，管外壁液體的流速增加，液膜波動加劇，液膜層流底層減薄，熱阻減小，對流傳熱加強，利于換熱。雖然增加噴淋密度會使液膜厚度增加，不利于換熱，但實驗表明，當噴淋密度小于0.25kg/(m·s)時，液膜擾動對于管外換熱系數的影響大于液膜厚度增加的增加對其的影響。這一結果與許莉等得到的結論一致[7，8]。

圖1 水平管降膜蒸發實驗流程示意圖

圖2 噴淋密度對熱通量的影響

圖3 噴淋密度對傳熱系數的影響

總傳熱系數隨噴淋密度的增加有一個先升后降的趨勢，當噴淋密度為0.17kg/(m·s)左右時，取得其最大值，該變化趨勢與管外換熱系數截然不同。這是由于總傳熱系數中包含冷凝側傳熱系數，管外蒸發傳熱系數的增大使得蒸發管內蒸汽冷凝量增加、液膜變厚，從而減小了管內蒸發傳熱系數，可能導致總傳熱系數的降低。另外，由于實驗過程中待蒸發物料實際上并未達到飽和溫度(工藝性要求)，隨著噴淋密度的增大，更多物料在蒸發管上需要先加熱到飽和溫度，然后再進行蒸發傳熱，物料升溫所耗費的熱量持續增加，故而由冷凝液量所計算的總傳熱系數持續降低。而且由于噴淋密度的增加，液滴飛濺不可避免，飛濺液滴與蒸發腔中的熱蒸汽進行熱量交換，在蒸發腔中消耗了一部分蒸汽，也會使基于出口冷凝液量所計算的總傳熱系數降低。

實驗研究結果表明：在水平管式降膜蒸發器工藝參數的設計中，雖然提高噴淋密度有助于蒸發管外蒸發傳熱系數的增大，但過高的噴淋密度會導致蒸發總傳熱系數降低。從降低設備能耗、提高裝置的效費比角度來講，應選擇合適的噴淋密度值，此次研究的最佳噴淋密度應在0.12～0.20kg/(m·s)范圍內。

3 溫差對傳熱系數、蒸發量的影響

當噴淋密度為0.165kg/(m·s)時，傳熱溫差對蒸發管內冷凝傳熱系數的影響如圖4所示。從圖4可以看出，管內傳熱系數隨著溫差的增大而降低。溫差的增大使熱流體密度增大，導致管內蒸汽的冷凝量增加，冷凝液膜增厚，使傳熱管底部蒸汽與傳熱管的接觸面積減小，傳熱管內部的熱阻變大，導致管內冷凝傳熱系數降低。提高管內外的溫差使管外壁的過熱度增加，管外壁熱效率降低，因此，隨著溫差的增加，管外壁換熱系數也隨之有小幅度的減小。總傳熱系數隨著溫差的增加降低的很少，其隨著溫差的變化基本上穩定在一個很小的范圍之內。

圖4 溫差對傳熱系數的影響

圖5為噴林密度是0.157kg/(m·s)時溫差對管外蒸發蒸氣量的影響，可以看出隨著傳熱總溫差的增大，蒸發器的蒸發量明顯增加，溫差從3℃增大到10℃，其蒸發量增大了近3倍。

圖5 溫差對管外蒸發蒸氣量的影響

蒸發管內外傳熱總溫差的增大不利于提高蒸發傳熱系數、冷凝傳熱系數和總傳熱系數，實際上也不利于提高設備的熱效率。但傳熱總溫差的增大確可明顯提高裝置的蒸發量。因此，在水平管式降膜蒸發器的設計過程中應在滿足生產負荷的前提下，盡量降低傳熱總溫差以更好地起到節能降耗的作用。

4 水平管降膜蒸發管外傳熱系數實驗關聯式

F P因克羅普拉與D P德維特二人給出了關于管外傳熱系數的計算式[9]：

(1)

式中d0——蒸發管外徑，m；

g——重力加速度，m/s2；

kl——液相導熱系數，W/(m·℃)；

tl——管外壁溫度與液相飽和溫度差，tL=ts-tw，℃；

γ——飽和液相的汽化潛熱，kJ/kg；

μl——動力粘度，Pa·s；

ρl——液相密度，kg/m3；

ρv——氣相密度，kg/m3。

式(1)的適用范圍較廣泛，但其關于管外傳熱系數的精度不夠，其在針對某一類型的管外傳熱計算式時精度不能滿足使用者的要求。因此，對公式的進一步修正，可使其在水平管降膜蒸發傳熱使用時具有更精準的計算結果。根據文獻[9]所提出的管外傳熱系數物理模型，將管外傳熱系數h(α)2表示為：

h(α)2=α·hf

(2)

式中hf——液膜表面傳熱系數；

α——氣液界面的膜傳熱促進因子。

在Chun K R和Seban R A提出的管外膜系數的關聯式中提到普朗特數Pr也是影響管外傳熱的因素，其指數為0.65[5]。因此將氣-液界面的液膜傳熱促進因子α表示為：

(3)

式中m，m1，m2——待定指數；

Rel——雷諾系數；

Δt——傳熱總溫差。

利用本實驗得到的實驗數據，采用最小二乘法對上式進行線性回歸，可以得到式(3)中的各待定系數分別為m=0.7101、m1=0.1130、m2=0.1360，因此，實驗所得水平管式降膜蒸發器蒸發管外蒸發傳熱系數為：

(4)

其使用條件應為：708≤Rel≤3654，3℃≤Δt≤10℃。

5 結論

5.1管外傳熱系數、總傳熱系數隨噴淋密度Γ的增加而增大，當噴淋密度較高時，總傳熱系數隨噴淋密度的增加變化較為明顯，最佳的噴淋密度在0.12～0.20kg/(m·s)范圍。

5.2管內傳熱系數、管外傳熱系數和總傳熱系數隨著總溫差的增加而減小，但管外傳熱系數和總傳熱系數的浮動范圍很小。蒸發管外蒸汽量隨著總溫差的增大而增多，呈線性關系。

[1] 范延品.水平管降膜蒸發實驗研究[D].大連：大連理工大學,2006.

[2] 杜亮坡，孫會朋，張繼軍，等. 水平管外降膜蒸發傳性能的實驗研究[J].化工機械，2006，33(6):329～331.

[3] Kartovsky U V,Kopyrin V A,Chernozubov V B,et al. New Russian Distillation Installations Equipped with Horizontal Tube Spyayed-bunches[J].Desalination,2001,139 (1):353～356.

[4] 解利昕.水平管降膜蒸發海水淡化過程研究[D].天津大學，2002.

[5] Chun K R,Seban R A.Performance of Prediction of Falling Film Evaporators[J].ASME Journal of Heat Transfer,1972,94:432～436.

[6] Zeng X,Chyu M C,Ayub Z H.Evaporation Heat Transfer Performance of Nozzle Sprayed Ammonia on a Horizontal Tube[J].ASHRAE Trans,1995,101(1):136～149.

[7] 許莉，王世昌，王宇新，等.水平管外壁薄膜蒸發側表面傳熱系數[J].化工學報，2004，55 (1):19～24.

[8] Xu L,MuRong G,Wang S CH,et al.Heat-Transfer Film Coefficients of Film Horizontal Tube Evaporators[J]. Desalination,2004,166(15):223～230.

[9] F P因克羅普拉，D P德威特.傳熱基礎[M].北京:宇航出版社,1987.