降膜式蒸發器的若干設計要點

陳庭清

（上海遠躍制藥機械有限公司，上海201715）

降膜式蒸發器的若干設計要點

陳庭清

（上海遠躍制藥機械有限公司，上海201715）

介紹了降膜式蒸發器的結構特點，并就傳熱系數的確定、分布器的設計及浸潤問題等進行了闡述，大量引用國外先進的技術經驗，對蒸發器設計者了解降膜式蒸發器具有一定的指導意義。

降膜式蒸發器；傳熱系數；分布器；浸潤問題

0 引言

降膜式蒸發器是蒸發設備中的一種，在國外應用已經有相當長的一段時間，其主要優點有：（1）傳熱效率高；（2）物料停留時間更短；（3）可應用于更小的溫差工況；（4）內部沒有壓力差，內部物料物性一致，使內部傳熱系數更統一等。其中，物料停留時間短，使其更加適用于熱敏性物料的蒸發工作。因此，降膜式蒸發器也廣泛應用于食品、藥品、飲料和造紙等行業，典型的降膜式蒸發器的工藝流程如圖1所示。

圖1 典型的降膜式蒸發器的工藝流程

與升膜式蒸發器的工作特點不同，降膜式蒸發器管內液體并非是充滿的，而是呈薄膜狀分布于管內壁，如圖2所示。常識告訴我們，更薄的液相膜是更容易蒸發的，這也是降膜式蒸發器能具有更高傳熱系數的原因，如何使管內液相膜均勻分布是整個蒸發器設計的核心與靈魂。本文就降膜式蒸發器管內傳熱系數的確定、分布器的設計及浸潤問題進行闡述。

圖2 薄膜狀分布管內壁

1 降膜式蒸發器管內傳熱系數的確定

關于降膜式蒸發器管內傳熱系數的確定，國際上已有相當多的研究成果，現在一般通用的有HTRI法以及CHUN和SEBAN研究出來的計算方法，由于CHUN和SEBAN方法更多地出現于相關科技文獻中，本文僅就CHUN和SEBAN方法進行介紹。

CHUN和SEBAN在其發表的論文中總結了以下設計公式：

當管內流體為層流時：

式中 h*f——無量綱膜傳熱系數，W/（m2·K）；

Re——雷諾數。

當管內流體為湍流時：

式中 h*f——無量綱膜傳熱系數，W/（m2·K）；

Re——雷諾數；

Pr——普朗特數。

式中 hf1——純物質的降膜傳熱系數，W/（m2·K）；

h*f——無量綱膜傳熱系數，W/（m2·K）；

ρt——密度，kg/m3；

kt——傳熱系數，W/（m2·K）；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

μt——動力黏度，Pa·s。

式中 Re——雷諾數；

Pr——普朗特數。

式中 Pr——普朗特數；

Cp——比熱容，J/（kg·K）；

k——傳熱系數，W/（m2·K）；

μ——動力黏度，Pa·s。

在實際運用時會發現，要處理的物料不一定是純物質，它們大部分都是混合物，所以要引入一個修正系數Fcf，主要的計算方法有沸騰范圍法（BOILING RANGE METHOD）和理論沸騰范圍法（theoretical BOLING RANGE MEYHOD）及上述兩者的組合方法（COMBINED METHOD）。一般來說沸騰范圍法適用于沸點≤61.1℃的蒸發過程，而理論沸騰范圍法適用于沸點＞111.1℃的蒸發過程，當蒸發溫度處于上述溫度范圍之間時，應使用組合法（COMBINED METHOD）進行插值運算。具體方法在相關文獻中有比較詳盡的記載，不再贅述。

2 分布器的設計

分布器是液體能否成膜的關鍵所在，一般來說分布器要求能同時完成以下任務：

（1）應該能將液體分布至每根換熱管；

（2）應該能將液體分布在換熱管的內表面；

（3）蒸汽能夠自由通過換熱管，且不影響液體分布工作；

（4）能夠允許在過流工況下正常工作；

（5）能夠從底部進行清洗；

（6）不會導致液體停留時間過長。

在實際工程運用中，分布器的形式是各式各樣的，相關文獻介紹了以下幾種分布器的結構，即簡單堰式、帶缺口式和插入式（圖3）。顯然這些結構對換熱管的裝配精度的要求是比較高的，如果有某些換熱管伸出長度過低，則會造成其他換熱管沒有物料通過的情況，這不是我們希望看到的現象。

另有文獻也介紹了一種分布器的結構，其上面設有布液孔（LIQUID HOLES）升氣管（VAPOR TUBES）結構，如圖4所示，用于下降液體的分布及蒸發后氣體的上升。

顯然，這種結構是能保證下方每根換熱管內均能布有液體的，而文獻中也給出了布液孔數量與大小的計算方案，如下式表述：

圖3 分布器結構

圖4 設有布液孔升氣管的分布器結構

式中 F——介質流量，m3/s；

nholes——布液孔數量；

Ahole——布液孔面積，m2；

Cd——修正系數；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

h——積液高度，m。

式中 Dholes——布液孔直徑，m；

F——介質流量，m3/s；

nholes——布液孔數量；

Cd——修正系數；

g——重力加速度,9.8 m/s2；

h——積液高度，m。

Cd一般取0.6～0.7，其中布液孔的數量（nholes）可根據換熱管的數量及分布情況推算出來，那么布液孔的直徑也就很容易推算出來了。這種分布器結構簡單有效，有計算依據，是本文著力推薦的結構。

3 浸潤問題

換熱管的浸潤問題是降膜式蒸發器設計時應考慮的又一重要因素，如果換熱管沒有處于浸潤狀態，那么換熱管會出現重度結垢或紅銹，從而使整個蒸發器處于低熱傳遞效果之下。這里引入一個物理量Γ來闡述這個問題。

Γ是每根換熱管內物料的實際質量流量；Γmin是保證每根換熱管內壁都能被浸潤的最低質量流量。

研究表明，當浸潤程度（WETTING RANGE）低于0.2 kg/（m·s）時，蒸發器的整體換熱系數將會被Γ/Γmin的比值修正。同樣，也有研究表明，當浸潤程度（WETTING RANGE）低于0.08 kg/（m·s）時，蒸發器的整體換熱系數將會降低13%左右。提高浸潤程度的方法一般認為是加大管徑或換熱管長度，這也是降膜蒸發器的管徑能達到Φ50.8 mm、管長一般取5～10 m的原因。

通過以上描述，會發現對于Γmin的求解成為關鍵，在國際上已經有一些人對此進行過總結，如Paramalingam在相關文獻中提出在以牛奶為操作對象的蒸發器中，推薦Γmin不能低于0.123～0.151 kg/（m·s），但更多的人認為Γmin最好不要低于0.2 kg/（m·s）。

4 結語

通過以上描述，我們能清晰地認識到降膜式蒸發器的設計要點，即液體分布效果的好壞：分布得好，則流量控制到位，浸潤問題就解決了，換熱效果也就上來了；分布得差，則不能形成理想的薄膜蒸發，換熱效果就差，也容易出現蒸發器重度結垢或紅銹現象，影響設備使用壽命。

[1]CHUN K R，SEBAN R A.Haet Transfer to Evaporating Liquid films [J].Journal of Heat Transfer，1971（11）.

[2]K.S.N.Raju.Fluid Mechanics，heat transfer，and mass transfer：Chemical Engineering Practice[M].Wiley，2011.

[3]Heat Transfer Research Inc. HTRI design manual[Z].

[4]Heldman D R，Lund D B.Handbook of food engineering[M].2th ed.CRC PRESS，2006.

[5]Paramalingam S，Winchester J，Marsh C.On the fouling of falling film evaporators due to film break-up [J].Transactions of the Insti-tution of Chemical Engineers，2000（78C）.

2015-03-03

陳庭清（1984—），男，江西贛州人，助理工程師，研究方向：化工設備的研發設計。