水平管降膜蒸發器的傳熱性能

解利昕123周文萌123陳飛123

（1天津大學化工學院化學工程研究所，天津 300072；2化學工程聯合國家重點實驗室（天津大學），天津 300072；3天津市膜科學與海水淡化技術重點實驗室，天津 300072）

水平管降膜蒸發器的傳熱性能

解利昕1，2，3，周文萌1，2，3，陳飛1，2，3

（1天津大學化工學院化學工程研究所，天津 300072；2化學工程聯合國家重點實驗室（天津大學），天津 300072；3天津市膜科學與海水淡化技術重點實驗室，天津 300072）

在換熱面積為2.375m2的水平管降膜蒸發試驗平臺上，采用5052鋁合金管作為換熱管，以實際海水為原料，進行了低溫多效海水淡化中水平管降膜蒸發器傳熱性能研究試驗。研究了料液噴淋密度、管外蒸發溫度、總傳熱溫差、海水鹽度以及管內蒸汽中不凝氣含量等因素對海水淡化過程降膜蒸發器總傳熱系數的影響。結果表明，在試驗條件范圍內，總傳熱系數隨著料液噴淋密度和管外蒸發溫度的升高而增加，隨著傳熱溫差的增大而降低；冷凝側有不凝氣存在時，總傳熱系數下降幅度較大；海水濃度對傳熱系數影響較小；在控制不凝氣含量的條件下，傳熱系數在3500W/(m2·℃)以上。試驗結果為海水淡化的工程設計和生產優化提供了依據。

海水淡化；水平管；降膜；蒸發；傳熱

水平管降膜蒸發器設備穩定，換熱管兩側均發生相變傳熱，有著較高的熱流密度和傳熱系數，換熱性能優越[1]。對于光滑換熱管而言，水平管蒸發設備的傳熱系數能夠達到豎直管蒸發裝置的兩倍[2]；并且水平管降膜蒸發器易組成多效蒸發裝置，結構緊湊，節省設備耗材和液體循環所需能量[3]，是一種高效節能換熱設備。目前，水平管降膜蒸發器被廣泛地應用于化工、制藥、食品、制冷尤其是海水淡化等方面。

水平管降膜蒸發是目前低溫多效蒸發海水淡化（LT-MED）普遍采用的傳熱方式，一般操作溫度不高于70℃[4]，能夠有效防止蒸發過程中換熱管表面結垢，同時也可以有效利用低品位余熱，是目前真正投入到商業化運行的主要大型海水淡化方法之一[5]。

國內外眾多學者針對影響水平管降膜蒸發器傳熱性能的影響因素進行了大量的實驗研究工作[6-13]，但部分數據與實際工程情況相差較大，并且多數試驗研究采用傳統的不銹鋼、黃銅、鈦等材質作為換熱管材。本文以鋁合金管材為換熱管，通過搭建水平管降膜蒸發器形成完整的海水淡化系統，模擬低溫多效海水淡化中的各效蒸發器實際操作條件，進行了降膜蒸發換熱試驗研究及理論分析，以期為海水淡化的工程設計和生產優化提供試驗依據和理論基礎。

1 試驗設備及試驗方法

1.1 試驗流程

水平管降膜蒸發系統流程簡圖如圖1所示。蒸汽發生器產生的水蒸氣進入降膜蒸發器的水平換熱管內部冷凝放熱，冷凝液進入計量水罐收集計量。進料泵將原料海水送至蒸發器的液體分布器，向傳熱管表面均勻噴淋海水，海水吸收換熱管內蒸汽冷凝放出的熱量部分汽化，生成的二次蒸汽經冷凝器冷凝后由計量水罐收集計量，未蒸發海水從蒸發室底部回流至原料水罐循環利用。換熱管外部蒸發側和內部冷凝側的真空度通過控制水環真空泵管路閥門實現。

圖1 實驗流程簡圖

1.2 試驗裝置

降膜蒸發器的蒸發室采用316L不銹鋼材質加工，外形尺寸為1640mm×786mm×809mm。換熱管采用5052鋁合金光滑管，規格為φ24mm× 1.5mm，有效長度L=800mm，換熱管數量為42根，排布方式為6列7排矩形方式排布，管束上方布置有液體噴淋裝置。

利用熱電偶溫度計測量系統溫度；利用壓力變送器測量蒸發器管程、殼程真空度；原料液流量和不凝氣的流量分別采用液體流量計和氣體流量計計量；各計量水罐中蒸汽冷凝水的流量利用精度為0.5g的電子天平及秒表同時計量。

1.3 試驗方法

采用黃驊港附近海水為原料考察不同操作參數對總傳熱系數的影響。海水在進入降膜蒸發系統前進行預澄、過濾、預熱處理。為防止實驗過程中換熱管壁結垢影響傳熱，在海水中加入3mg/L的阻垢劑。

低溫多效蒸發海水淡化實際工程中，首效最高蒸發溫度不超過70℃，各效傳熱溫差一般在2～4℃，蒸發后各效的海水的濃縮倍數在1.3～1.8之間變化[14]。本文試驗選擇的操作條件范圍為：蒸發溫度為45～70℃；總傳熱溫差為1.5～4.0℃；海水鹽度為25～55g/L。

實驗過程中，通過調節海水進料調節閥和氮氣調節閥分別控制海水的噴淋量及不凝氣含量；控制真空抽氣閥調節蒸發側及冷凝側壓力，實現對蒸發溫度及傳熱溫差的控制；海水鹽度的變化采用控制蒸發量的大小實現。在其他操作條件固定的情況下，變化單一參數，每個工況條件進行3次平行試驗采集數據，取其平均值為實驗數據。通過測量冷凝液流量的變化情況，分析傳熱系數變化規律。

2 試驗數據的處理

水平管降膜蒸發器的總傳熱系數由式（1）～式（3）關聯式計算。

式中，Q為熱通量，W；γ為加熱蒸汽飽和溫度下的水的汽化潛熱，kJ/kg；m為蒸汽凝結水量，kg；τ為每次計量凝結水所用時間，s；Δt為有效傳熱溫差，℃；T為傳熱管內飽和蒸汽溫度，℃；t為蒸發室飽和蒸汽溫度，℃；S為傳熱面積，m2；Δ為海水沸點升高[2]，℃；K為總傳熱系數，W/(m2·℃)。

3 試驗結果及分析

3.1 噴淋密度對傳熱系數的影響

在傳熱總溫差為2.4℃、蒸發溫度為50℃的條件下，降膜蒸發器的總傳熱系數隨噴淋密度的變化情況如圖2所示，隨著噴淋密度的增大，總傳熱系數增大。在實驗噴淋密度0.043～0.200kg/(m·s) 范圍內，對應雷諾數在200～1500區間，液體流動處于層流狀態。噴淋密度增大時，雷諾數提高，可以有效提高海水的湍動程度，管外蒸發傳熱增強，總傳熱系數增大。

3.2 蒸發溫度對傳熱系數的影響

海水噴淋密度為0.114kg/(m·s)、總傳熱溫差為2.4℃時，總傳熱系數隨蒸發側溫度的變化趨勢如圖3所示，隨著海水蒸發溫度的升高總傳熱系數明顯提高。管外蒸發溫度升高，使得換熱管外海水表面張力減小，黏度降低，雷諾數Re增大，換熱管外料液的湍動程度增強，層流內層厚度減薄，強化了對流傳熱，使得管外蒸發傳熱系數增強。傳熱溫差一定，意味著管內蒸汽冷凝溫度的升高。凝結溫度的升高使得管內冷凝液體的黏度及表面張力減小，對流傳熱增強，管內冷凝傳熱系數增大。管內冷凝傳熱系數和管外蒸發傳熱系數的共同增大使得總傳熱系數隨著管外蒸發溫度的升高而明顯提高。

圖2 噴淋密度對傳熱系數的影響

圖3 蒸發溫度對傳熱系數的影響

3.3 傳熱溫差對傳熱系數的影響

在海水噴淋密度為0.114kg/(m·s)、管外蒸發溫度為50℃的條件下，總傳熱系數隨傳熱溫差的變化趨勢如圖4所示，隨著傳熱溫差的增大，總傳熱系數下降。當管外蒸發溫度固定時，傳熱溫差增大意味著管內蒸汽冷凝溫度的升高，冷凝液的溫度升高，黏度降低，表面張力減小，湍動程度增強，傳熱得到強化。與此同時，隨著傳熱溫差的增大，熱流密度增大，蒸汽冷凝速率增加。管內蒸汽冷凝液量增大，冷凝液膜的厚度增加，從而增加了冷凝傳熱的熱阻。此外，蒸汽冷凝速率增大，冷凝液在換熱管底部積聚增多，減小了傳熱管的有效傳熱面積[5]。兩者綜合作用表現為總傳熱系數隨著傳熱溫差的增加而降低。

3.4 海水鹽度對傳熱系數的影響

圖4 傳熱溫差對傳熱系數的影響

當噴淋密度為0.114kg/(m·s)、傳熱溫差為2.4℃時，總傳熱系數隨海水鹽度變化如圖5所示。隨著海水濃度的變化，總傳熱系數沒有明顯變化。當海水鹽度增大時，同一溫度下的海水黏度略有增大，導致換熱管外液膜湍動程度降低，傳熱熱阻增大，傳熱系數減小。但隨著鹽度增大，海水沸點升高值增大，有效傳熱溫差減小，根據以上第3.3節的分析，總傳熱系數又略微增大。兩方面綜合結果表現為，海水鹽度在25～55g/L范圍內，傳熱系數變化較小。

3.5 不凝氣含量對傳熱系數的影響

在噴淋密度為0.114kg/(m·s)、傳熱溫差為2.4℃、蒸發溫度為50℃的條件下，改變不凝氣含量，總傳熱系數變化情況如圖6所示。當換熱管內蒸汽中混合不凝氣時，給換熱過程帶來不利影響，傳熱系數下降較多，并且隨著不凝氣含量的增加傳熱系數下降幅度較大。在管內蒸汽冷凝放熱過程中，蒸汽凝結形成液膜將換熱管內壁面覆蓋，管內蒸汽的冷凝在這層冷凝液膜表面進行。當蒸汽中有不凝氣存在時，可凝性蒸汽在冷凝液膜上不斷凝結，而不凝性氣體則滯留在氣液界面上，可凝性蒸汽到達冷凝液膜表面進行冷凝放熱之前，必須擴散穿過不凝性氣體層[6]，這相當于增加了一層額外熱阻。不凝氣含量越高，熱阻越大，使得換熱管內蒸汽冷凝傳熱系數降低，總傳熱系數隨之大幅度降低。

圖5 海水鹽度對傳熱系數的影響

圖6 不凝氣含量對傳熱系數的影響

4 結 論

模擬海水淡化實際工況進行了水平管降膜蒸發試驗，結果顯示水平管降膜蒸發器具有較高的傳熱系數。在試驗范圍內，水平管降膜蒸發器總傳熱系數隨著噴淋密度和管外蒸發溫度的增加而增大；隨著傳熱溫差的增加而減小。海水鹽度對降膜蒸發器的總傳熱系數影響較??；換熱管內有不凝氣體存在時，水平管降膜蒸發器的總傳熱系數下降程度較大。試驗結果對水平管降膜蒸發海水淡化實際工程具有指導意義。

符 號 說 明

K——總傳熱系數，W/(m2·℃)

m——蒸汽凝結水量，kg

Q——熱通量，W

S——傳熱面積，m2

T——傳熱管內飽和蒸汽溫度，℃

t——蒸發室飽和蒸汽溫度，℃

Δt——有效傳熱溫差，℃

γ——加熱蒸汽飽和溫度下的水的汽化潛熱，kJ/kg

τ——每次計量凝結水所用時間，s

Δ——海水沸點升高，℃

[1] Al-Ansari A D，Owen I. Thermal and hydrodynamic analysis of the condensation and evaporation processes in horizontal tube desalination plant[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1999，42（9）：1633-1644.

[2] 王世昌. 海水淡化工程[M]. 北京：化學工業出版社，2003：45-51.

[3] 高忠凱. 低溫濃鹽水水平管降膜蒸發實驗研究[D]. 大連：大連理工大學，2007.

[4] Matz R，Zimerman Z. Low-temperature vapor compression and multi-effect distillation of seawater. Effects of design on operation and economics[J].Desalination，1985，52（2）：201-216.

[5] 馬學虎，蘭忠，郝婷婷，等. 萬噸級低溫多效蒸發海水淡化能量及經濟性能模擬分析[J]. 化工進展，2009，28（s1）：279-281.

[6] 齊春華，李炎，俞永江，等. 水平管降膜蒸發海水淡化的傳熱試驗研究[J]. 化學工業與工程，2011，28（5）：1-5，14.

[7] 路慧霞，馬曉建. 水平管外降膜蒸發的傳熱實驗[J]. 化工進展，2009，28（2）：203-205，221.

[8] Kafi F，Renaudin V，Alonso D，et al. New MED plate desalination process：thermal performances [J].Desalination，2004，166：53-62.

[9] Kamali R K，Mohebinia S. Experience of design and optimization of multi-effects desalination systems in Iran[J].Desalination，2008，222（1-3）：639-645.

[10] Ribatski G，Jacobi A M. Falling-film evaporation on horizontal tubes-a critical review[J].International Journal of Refrigeration，2005，28（5）：635-653.

[11] Xu L，Wang S Y，Wang S C，et al. Studies on heat-transfer film coefficients inside a horizontal tube in falling film evaporators[J].Desalination，2004，166：215-222.

[12] Slesarenko V. Investigation of heat exchange during sea water boiling in a horizontal thin film desalination plant[J].Desalination，1979，29 （3）：311-318.

[13] Newson I H. Heat transfer characteristics of horizontal tube multiple effect （HTME）evaporators-possible enhanced tube profiles[C]// Proceeding 6th. Intern. Symposium Fresh Water from the Sea，1978，2：113-124.

[14] 劉志江.低溫多效蒸鎦海水淡化設備選材分析[J].熱力發電，2012，41（12）：65-67.

[15] Xu L，Ge M R，Wang S C，et al. Heat-transfer film coefficients of falling film horizontal tube evaporators [J].Desalination，2004，166：223-230.

[16] 陳敏恒，叢德滋，方圖南. 化工原理（上冊）[M]. 北京：化學工業出版社，2006：195.

Study on heat-transfer performance of horizontal tube falling film evaporator

XIE Lixin1，2，3，ZHOU Wenmeng1，2，3，CHEN Fei1，2，3
（1Chemical Engineering Research Center，School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2State Key Laboratory of Chemical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3Tianjin Key Laboratory of Membrane Science and Desalination Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

:Based on the horizontal tube falling film evaporation platform with heat-transfer area of 2.375m2，this paper studied the heat-transfer performance of the evaporator in low temperature multi-effect distillation （LT-MED），with 5052 aluminum alloy tubes as heat-transfer tubes and actual seawater as raw material. The effects of sprinkling density，evaporation boiling point，evaporation temperature difference，salinity and non-condensable gas concentration on the total heat-transfer coefficients of desalination process were investigated. The results showed that the following:within the testing scope，the total heat-transfer coefficient increased with the increase of sprinkling density and evaporation boiling point；the total heat-transfer coefficient decreased with the increase of evaporation temperature difference；the total heat-transfer coefficient decreased sharply when there was non-condensable gas mixed in the steam inside the heat-transfer tube；salinity had little effectd on the heat-transfer coefficient；the heat-transfer coefficients were more than 3500 W/(m2·℃) when controlling the concentration of non-condensable gas，These results provided an experimental basis for the engineering design and production optimization of desalination.

seawater desalination；horizontal tube；falling film；evaporation；heat transfer

P 747

A

1000-6613（2014）11-2878-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.11.009

2014-04-08；修改稿日期：2014-05-15。

天津市科技計劃項目（11ZCGYSF05300）。

及聯系人：解利昕（1964—），男，研究員，從事海水淡化及水處理方面的研究。E-mail xie_lixin@tju.edu.cn。