豎直管降膜布液實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡國齊 楊 紅，2 何 垚 雷 鵬 雷文力

（1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.化工裝備強(qiáng)化與本質(zhì)安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.深圳市純水一號水處理科技有限公司）

降膜蒸發(fā)器具有蒸發(fā)速率快、 加熱溫差低、物料停留時(shí)間短及傳熱系數(shù)高等特點(diǎn)， 在化工、冶金、電力、廢水處理及食品等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而其中豎直管降膜蒸發(fā)器的使用范圍最廣［1～4］。 布液成膜裝置是降膜蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)液膜均勻分布的核心部件，它與蒸發(fā)器的連續(xù)成膜、傳熱性能及操作穩(wěn)定性等有著密切關(guān)系［5，6］。 在降膜布液裝置流體流動特性與管內(nèi)流體成膜機(jī)理的研究中，數(shù) 值 模 擬 技 術(shù) 得 到 了 越 來 越 廣 泛 的 應(yīng) 用［7，8］，但降膜布液與液膜形成是一個(gè)復(fù)雜的過程，單純的數(shù)值模擬存在較大的不確定性，仍需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。降膜管的布液實(shí)驗(yàn)是研究降膜蒸發(fā)器布液性能的重要組成部分，采用有機(jī)玻璃材料制造降膜管可方便觀察液膜的成膜效果和流動狀況，探究在布液器下的成膜機(jī)理，對于新型布液裝置的研發(fā)具有重要價(jià)值，對于蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重要作用。 目前，降膜布液研究大多著眼于單根管的布液和液膜的成膜效果，但是影響液膜成膜效果的因素眾多，單根管的模擬和實(shí)驗(yàn)很難準(zhǔn)確地對多管條件下的料液分配與成膜情況作出預(yù)測。

考慮到研究工作的實(shí)際需要，筆者基于管束環(huán)境下的降膜布液過程， 針對常用的布液板、錐形插件布液器，設(shè)計(jì)了一套降膜布液實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體方案

圖1 為降膜布液實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖，系統(tǒng)主體主要由臺架、 水箱及降膜裝置等部件構(gòu)成，管路循環(huán)部分由循環(huán)泵、調(diào)節(jié)閥、過濾器、噴嘴接頭及流量計(jì)等構(gòu)成。 流量調(diào)節(jié)由變頻器控制循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)， 考慮到實(shí)驗(yàn)臺的通用性和可擴(kuò)展性，循環(huán)泵選用高揚(yáng)程的多級離心泵；噴嘴接頭采用萬能接頭設(shè)計(jì)，可更換不同型式、不同口徑的噴嘴；管路主要接頭采用卡箍式快裝接頭和金屬軟管連接，便于拆卸和擴(kuò)展。

2 降膜布液裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，降膜布液裝置需能直觀地觀察介質(zhì)的流動過程，便于更換布液裝置的關(guān)鍵部件，能靈活控制特定工藝參數(shù)，能滿足降膜管垂直度的精度要求以及對流量的準(zhǔn)確控制和計(jì)量。針對上述要求，降膜布液裝置設(shè)計(jì)方案如下：

a. 布液器結(jié)構(gòu)型式。 布液板、錐形插件是目前工業(yè)上使用較多的布液器結(jié)構(gòu)，采用單層布液板、單層布液板加錐形插件兩種結(jié)構(gòu)的布液裝置進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

b. 管束材料和排列方式。考慮到裝置內(nèi)流體的可觀察性， 選用透明有機(jī)玻璃管 （規(guī)格為φ38mm×2mm）作為降膜管。 在多管排列中，采用正三角形排列方式， 同時(shí)選取簡化模型， 即由7根管組成的最小排列單元。

圖1 降膜布液實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

c. 循環(huán)介質(zhì)和流量控制。 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水，介質(zhì)清潔，物性穩(wěn)定，可循環(huán)使用。 選用流量調(diào)節(jié)范圍為0～10m3/h 的變頻泵來精確調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)流量。

d. 降膜裝置關(guān)鍵部件連接。 為了便于拆卸更換，布液盤、插件等部件通過活連接安裝在裝置上；安裝于管束中的布液盤短節(jié)內(nèi)套由調(diào)節(jié)螺栓連接，布液盤的高度可由螺栓上的調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié)；放于降膜管下的液體收集器可對布液的均勻性作出評價(jià)；設(shè)置上、下兩管板用于保證降膜管對垂直度的要求。

圖2 為降膜布液裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 降膜布液裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 主要零部件設(shè)計(jì)

3.1 布液裝置

布液裝置包括布液板、筒節(jié)和法蘭，它們粘接固定在一起，如圖3 所示。 布液板以其下方降膜管的布管位置為依據(jù)，沿降膜管孔周邊布置布液孔，以保證每個(gè)降膜管周邊近似均布3 個(gè)布液孔，布液板布孔狀況如圖4 所示。 布液板設(shè)有臺階狀外緣，可與筒節(jié)嵌套，以保證布液板和筒節(jié)的垂直度。

圖3 布液裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 布液板布孔狀況示意圖

3.2 插件組件

本實(shí)驗(yàn)采用常用的錐形插件， 其結(jié)構(gòu)如圖5所示。 文獻(xiàn)［9］研究了不同流速對液膜厚度的影響， 發(fā)現(xiàn)插件下端與降膜管內(nèi)徑之間的間隙取1mm 為宜。 為方便固定安裝，設(shè)計(jì)了支撐瓦結(jié)構(gòu)（圖6），支撐瓦與插件通過沉頭螺釘連接，以保證插件組件結(jié)構(gòu)牢固。 實(shí)驗(yàn)用插件組件用3D 打印生成，可直接擱置嵌入在降膜管口，方便后續(xù)安裝更換。

圖5 錐形插件結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 支撐瓦結(jié)構(gòu)示意圖

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的降膜布液實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體效果如圖7所示。 降膜布液裝置主體與降膜換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致，上端為介質(zhì)入口，用噴淋裝置均勻進(jìn)料，下端為介質(zhì)出口， 可設(shè)置液體收集器收集液體，用于評價(jià)多根管的流量均勻性。 對于影響實(shí)驗(yàn)效果的因素可通過更換布液盤和布液插件、物料的流量控制以及布液盤的高度調(diào)節(jié)等組合方式來進(jìn)行控制，并以此為依據(jù)對降膜布液實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 降膜布液實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體效果

5 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)是指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用的必要手段，通過本實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以對理論研究進(jìn)行很好的補(bǔ)充。 通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)可以對理論研究進(jìn)行調(diào)整從而提高理論研究的準(zhǔn)確度，這對理論研究指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用具有重大意義。 對于實(shí)際應(yīng)用中的常見工況條件，通過采用布液盤和布液插件、物料的流量控制以及布液盤的高度調(diào)節(jié)等組合方式來進(jìn)行控制調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜條件下實(shí)際運(yùn)用的指導(dǎo)。