升膜蒸發管內流型可視化及傳熱性能

張琳，崔騰飛，蔣楓，單高峰，黃子雄，胡澤訓，趙利群

（常州大學機械工程學院，江蘇 常州 213016 ）

升膜蒸發器廣泛應用在食品、制藥、海水淡化、化工、輕工和污水處理等工業生產中，適用于蒸發量較大（即稀溶液）、熱敏性及易起泡沫的溶液，但不適用于處理黏度大于0.05Pa·s、易結晶、結垢的溶液。其基本結構是一種將加熱室與分離室分離的蒸發器。加熱室等同于一個加熱管很長的立式固定管板式換熱器，液體由加熱管底部進入，管內真空降低了管內液體的沸騰溫度，使管內液體出現沸騰，管內氣泡逐漸增多，聚合的大量氣泡在管內迅速上升從而實現對液體的攜帶，被攜帶的液體沿管壁形成膜狀向上運動，并繼續蒸發，氣液混合物從加熱管頂部進入分離器進行氣液分離，二次蒸氣從分離器頂部排出，被濃縮的液體則由分離器底部排出[1]。

Coulson 等[2]通過實驗對升膜蒸發器的傳熱性能進行了研究，得出了升膜蒸發器管內傳熱系數的經驗公式。Yang 等[3]對升膜蒸發器的傳熱特性進行了實驗研究，結果發現，如果管內壁周圍沒有出現干斑，減少進料水高度有助于局部傳熱系數的增加，當傳熱溫差低于5℃時，所產生的蒸氣不足以拖動液膜到管的頂部，會導致管內局部傳熱系數急劇減小。Lecturer[4]通過不同的雷諾數、溫差、溶液入口溫度和再循環率對升膜蒸發器總傳熱系數的影響進行了實驗研究。結果表明，雷諾數、溶液入口溫度和再循環率越高，總傳熱系數也越高。

郭雪巖等[5]對噴射升膜蒸發器進行了實驗研究，結果表明，采用透明導電膜加熱管（即在石英玻璃管外壁鍍一層極薄的透明導電膜），可以實現管內料液的環狀流升膜蒸發。楊國忠等[6]針對強化管在水中的浸入深度、蒸發壓力和加熱壁面過熱度等因素對升膜蒸發傳熱性能的影響進行了實驗研究，結果表明，隨著管外液位的降低，升膜蒸發傳熱系數明顯提高，此外，蒸發壓力和加熱壁面過熱度對升膜蒸發傳熱性能也有著顯著的影響。文獻[7-8]對升膜蒸發器進行了數值模擬研究，分析了不同結構、不同溶液等對蒸發器傳熱性能的影響。

相對而言，國外對升膜蒸發器的研究較早且開展深入，側重于理論分析；國內側重于實際應用方面的研究，主要以提高升膜蒸發器的傳熱系數為目的，在不同溶液、結構和工藝參數的條件下對升膜蒸發器進行了實驗分析，但鮮有學者研究升膜蒸發器內流體的流型。因升膜蒸發器擁有廣闊的發展前景，且現階段理論和實驗研究不夠完善，所以本文建立升膜蒸發系統傳熱實驗平臺，研究熱流密度（6.71kW/m2≤q≤26.79kW/m2）、流量（20L/h≤M≤100L/h）和真空度（0≤P≤15kPa）對管內流型和傳熱系數的影響進行實驗研究，獲得不同工況下的管內傳熱系數，為工業應用提供基礎。

1 實驗裝置與實驗方法

升膜蒸發傳熱實驗系統如圖1 所示。實驗系統主要由原料水箱、升膜蒸發管、氣液分離器、冷凝器和數據測量系統等部分組成。

升膜蒸發管尺寸為φ23mm×1.5mm，長徑比為110，升膜蒸發管由10 段石英管組成，每段的長度為220mm，電阻值為37Ω，石英管外壁鍍有一層厚度為175μm 左右的ITO（銦錫金屬氧化物）透明導電膜，石英管內壁固定有6 組K 型熱電偶，用來測量石英管內壁溫度，熱電偶通過導電銀膠粘在石英管內壁上，每一個粘接位置都均勻涂有耐高溫防水絕熱膠（耐溫177℃）加固和隔熱，對應的管中心線位置安裝有6 組K 型熱電偶，用來測量管內飽和溫度。

數據測量系統主要包括K 型熱電偶、真空壓力傳感器、玻璃轉子流量計，數據采集系統主要包括多路溫度巡檢儀、智能數顯儀和計算機。K 型熱電偶測量精度±0.5 ℃，真空壓力傳感器測量精度±0.1kPa，玻璃轉子流量計測量精度±2.25L/h。在5min 內，隔離調壓器的輸出電壓變化小于±1V，溶液入口流量的變化小于±4L/h，真空度的變化小于±0.5kPa 時，則認為升膜蒸發器達到穩定工作狀態，記錄和導出溫度、壓力和流量等實驗數據并進行數據分析。

升膜蒸發管加熱裝置由隔離調壓器、連接電線和透明導電膜等組成，通過調節調壓器的輸出電壓，可以調節升膜蒸發管的輸出功率，從而調節升膜蒸發管的熱量輸入，對分離器、冷凝器和連接管道等經行了保溫處理，保溫層很厚，熱損失可以忽略，實驗誤差主要來自測量誤差。因液體是沸點進料，傳熱量通過熱平衡方程式求得。

圖1 升膜蒸發實驗裝置簡圖（單位：℃）

冷凝器的傳熱量由式（1）計算。

式中，Q 為冷凝器傳熱量，kW；ρ為冷卻水平均溫度下的密度，kg/m3；qv為冷卻水的流量，m3/s；cp為冷卻水平均溫度下的定壓比熱容，kJ/(kg·K)；Tin和Tout分別為冷卻水的進出口溫度，℃。

升膜蒸發管的熱流密度在忽略熱損的情況下，可由冷凝器的傳熱量求得，見式（2）。

式中，q 為升膜蒸發管熱流密度，kW/m2；di和L 分別為升膜蒸發管管內直徑和管子長度，m。

升膜蒸發管管內傳熱系數可由式（3）計算。

式中，hi為升膜蒸發管管內傳熱系數，W/(m2·K)；Fi為升膜蒸發管傳熱內表面積，m2；Δ t為升膜蒸發管內壁溫度與管內中心溫度之差，℃。

2 實驗結果及分析

2.1 管內流型觀測結果

圖2 為實驗觀測到的流型，有泡狀流、塊狀流、彈狀流、柱塞流、環狀流和霧狀流。

當料液以沸點溫度進料時，系統啟動很快，升膜蒸發管內料液的溫度快速穩定上升，液池出現細粒狀氣泡的泡狀流如圖2(a)所示；隨后氣泡不斷增大，泡狀流過渡到塊狀流如圖2(b)所示；塊狀流會伴隨著大幅度氣體和液體的波動，液體再往上流動會出現彈狀氣泡的彈狀流如圖2(c)所示，彈狀氣泡長度大于管的直徑，大子彈形狀的氣泡有光滑的氣液界面，其直徑略小于管內徑；然后彈狀流轉變成柱塞狀氣泡的柱塞流如圖2(d)所示；由于升膜蒸發管蒸氣不斷地產生，大量的蒸氣使柱塞流轉變成環狀流如圖2(e)所示；彈狀流和柱塞流不是每次啟動運行時都會出現，當熱流密度大于9.64kW/m2，液體會直接從塊狀流過渡到環狀流。

系統穩定運行時，從下往上沿著管長方向觀測到流體的流動有泡狀流（占管長的5%）、塊狀流（占管長的10%）和環狀流（占管長的80%）。除了這3種流型外，升膜蒸發管內還會出現顯熱區域，顯熱區域過小會形成如圖2(f)所示的霧狀流甚至干斑。霧狀流或干斑會使傳熱系數急劇降低。實驗中通過調節熱流密度、真空度和流量使顯熱區控制在2%～5%，可避免霧狀流和干斑的出現。

圖2 升膜加熱管內不同的流型

實驗中還觀測到升膜蒸發管中液膜由于自身重力的影響有回流現象，液膜回流的頻率從下到上依次增大，越往上，回流幅度越小、頻率越快，因為在整個管長范圍內，液體邊上升邊蒸發，越向上液膜越薄，所以回流幅度會越小、頻率會越快；當熱流密度大于26.79kW/m2且真空度大于10kPa 時，幾乎沒有回流產生，不過液膜在向上流動的過程中會出現短時間的停頓。

真空度對流型的影響（0≤P≤15kPa）主要體現在各個流型在管內所占比例和回流等方面，真空度越大，環狀區域越長，相應的會壓縮泡狀流和塊狀流的長度，當流量和熱流密度恒定時，真空度越高環狀流的連續性越好，回流的幅度越小，回流頻率越大；當真空度小于10kPa 時，無法形成連續的環狀流。

熱流密度對流型的影響（ 6.71kW/m2≤q≤26.79kW/m2），主要體現在產生氣泡的速率方面，熱流密度越大，在單位時間內產生的氣泡越多，蒸氣量越大，從而提高了液膜向上的流動速度，當真空度和質量流量恒定時，熱流密度越高，流型的連續性越好。而當熱流密度低于6.71kW/m2時，溫差很小產生的蒸氣不足以拖動液膜上升，管內很難形成環狀流，此時兩相流流動開始出現不穩定情況，即噴泉現象，流型依照泡狀流、塊狀流、彈狀流、柱狀流的順序循環出現。

流量對流型的影響（20L/h≤M≤100L/h）主要體現在管內液位高度和霧狀流等方面，當熱流密度和真空度恒定時，流量越大，顯熱區域越長，流量越小，回流幅度越大，環狀流的連續性越差。當流量小于20L/h 時，會形成霧狀流和干斑。

2.2 熱流密度和真空度對管壁軸向溫度的影響

圖3 流量為60L/h 時升膜加熱管管壁軸向溫度分布

升膜蒸發管管壁軸向溫度的分布曲線如圖3 所示。由圖3 可以看出，當流量為60L/h 時，隨著熱流密度的增大，升膜蒸發管內壁的溫度也跟著增大，分別在相同熱流密度和流量時，真空度為15kPa 的升膜蒸發管內壁溫度小于真空度為10kPa 的內壁溫度。溫度變化曲線是先變小然后再升高到最大值最后逐漸變小，這是因為當壁面開始有氣泡產生進入過冷沸騰區時，由于氣泡對液體的擾動使換熱強度突然提高，導致內壁的換熱效率明顯增強，使壁溫有一個急速地下降，然后又隨著湍流度的增大和液體溫度的上升而逐漸升高，當壁溫到達最高點后，由于液體的不斷蒸發，管內產生了大量的蒸氣，蒸氣拖動液體形成連續的環狀流動，蒸氣的剪力作用使液膜被逐漸的拉薄，而全部的傳熱阻力都集中在液膜中，因為管內液膜界面與蒸氣核心都處于飽和溫度，故升膜蒸發管內壁溫度是飽和溫度加上通過液膜的溫度降，液膜越薄溫度降越低，從而升膜蒸發管內壁溫度越低。越往上蒸氣的剪力越大，液膜變得越薄，從而導致壁溫越低，因沒有產生霧狀流和干壁現象，所以壁溫沒有出現急劇的升高。

在大氣壓下，只有蒸氣產生的向上拖動力，形成的壓差很小（0～3kPa），產生的蒸氣拖動液體向上流動，但沒有足夠的剪切力拖動液體沖擊到氣液分離器內，并且回流幅度會很大，液體在管內往復上下流動，很難形成連續的環狀流動。

2.3 熱流密度對管內傳熱系數的影響

升膜加熱器熱流密度對管內傳熱系數的影響如圖4 所示。管內傳熱系數隨著熱流密度的增大而增大，但是當熱流密度低于6.71kW/m2（管內溫差低于6.5℃）時，無法形成升膜流動，這是由于在熱流密度較大時，管內會產生大量蒸氣，使蒸氣剪切力增大，大量的蒸氣拖動溶液高速向上流動，強化了對流換熱。真空度在10～15kPa 范圍內，真空度越高對應的管內傳熱系數越大如圖4(c)所示，但是變化幅度較小。這是因為真空度的提高使溶液的沸點降低，蒸發量增大，升膜蒸發管中的對流傳熱速率加快，并且會導致升膜蒸發管進出口的壓差增大，從而加快液體在管內的流動，提高對流傳熱速率。當流量在20～100L/h 范圍內，隨著質量流量的增大，管內傳熱系數也跟著增長，這是由于質量流量的增大，增加了管內液體的湍動程度，從而強化了對流傳熱。

圖4 升膜加熱器熱流密度對管內傳熱系數的影響

3 結 論

（1）在石英管外表面鍍一層極薄的透明導電膜，采用電加熱的方法（恒熱流密度）實現了升膜蒸發器的穩定運行，達到了環狀流動和升膜蒸發。

（2）在本實驗范圍內，觀測到的流型有泡狀流、塊狀流、彈狀流、柱塞流、環狀流和霧狀流，在穩定運行狀態下，泡狀流占管子長度5%，塊狀流占管子長度10%，環狀流占管子長度的80%。彈狀流、柱塞流和霧狀流在穩定運行時不會出現，當熱流密度低于6.71kW/m2（管內溫差低于6.5℃）時，由于溫差很小不能產生足夠的蒸氣，管內很難形成環狀流，會間斷地出現泡狀流、塊狀流、彈狀流和柱塞流。

（3）當熱流密度在6.71～26.79kW/m2范圍內，隨著熱流密度的增大管內傳熱系數也跟著呈線性增大，流量在20～100L/h 范圍內時，隨著流量的增大管內傳熱系數也跟著增大，但增大幅度較小。

[1] 張志娥．升膜蒸發器的設計與應用[J]．石油煉制，1989（10）：1-6．

[2] Coulson J M ， Mcnelly M J. Heat transfer in a climbing film evaporator．Part II[J]．Transactions of the Institution of Chemical Engineers，1956， 34：247-257．

[3] Yang Luopeng ， Chen Xue ， Shen Shengqiang ． Heat-transfer characteristics of climbing film evaporation in a vertical tube[J]．Experimental Thermal and Fluid Science，2010，34（6）：753-759．

[4] Lecturer．Experimental investigation of heat transfer coefficient in vertical tube rising film evaporator[J]．Mehran University Research Journal of Engineering&Technology，2011，30（4）：539-548．

[5] 郭雪巖，李莉，夏清，等．透明管內的噴射升膜蒸發[J]．化工學報，1997，48（3）：369-373．

[6] 楊國忠，王如竹，夏再忠．強化管管外升膜蒸發換熱特性實驗[J]．工程熱物理學報，2007，28（2）：280-282．

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[8] 張琳，高麗麗，崔磊，等．MVR 蒸發器管內沸騰傳熱傳質數值模擬[J]．化工進展，2013，32（3）：543-548．