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作者：張毅

    對于料液的動力黏度低于0. 05  Pa-s且蒸發(fā)量相對較大的蒸發(fā)濃縮過程，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊和制造成本相對較低的升膜式蒸發(fā)器經(jīng)常被企業(yè)所使用。

  張琳等對升膜蒸發(fā)器管內(nèi)流型和傳熱特性開展了實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過電加熱的方式可以實現(xiàn)石英管內(nèi)溶液的升膜蒸發(fā)，并能觀測到泡狀流、塊狀流、彈狀流、柱塞流、環(huán)狀流和霧狀流。Yang等對升膜蒸發(fā)器的傳熱性能進(jìn)行了實驗研究，認(rèn)為如果管內(nèi)壁沒有出現(xiàn)干斑，降低進(jìn)料水高度有助于增大換熱系數(shù)。當(dāng)溫差低于5℃時，所產(chǎn)生的蒸氣不足以拖動液膜到管的頂部，會導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)急劇減小。

  Lecturer通過不同的雷諾數(shù)、溫差、溶液入口溫度和再循環(huán)率對升膜蒸發(fā)器總換熱系數(shù)的影響進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明，雷諾數(shù)、溶液人口溫度和再循環(huán)率越高，總換熱系數(shù)也越高。薛惠芳以蒸餾水為原料對升膜蒸發(fā)器內(nèi)最理想的環(huán)狀流進(jìn)行了換熱膜系數(shù)的回歸分析，推導(dǎo)出傳熱膜系數(shù)的經(jīng)驗公式。

  張林茂通過增設(shè)預(yù)熱器與提高穩(wěn)定真空度等措施，提高了升膜蒸發(fā)器的傳熱性能。楊國忠等通過實驗的方法，將不同參數(shù)下對升膜蒸發(fā)器傳熱特性的影響進(jìn)行了研究，認(rèn)為真空度和溫差等因素對升膜蒸發(fā)器傳熱特性有著顯著的影響。Sait等通過實驗研究了薄膜輪廓、界面溫度和薄膜平衡對熱通量的影響，結(jié)果顯示，由于熱通量的增加，在平衡薄膜區(qū)域的膜厚有所減少。Demsky等研究了曲面上的薄液膜沸騰蒸發(fā)特性，認(rèn)為壁面溫度過高會導(dǎo)致液膜厚度與最大熱通量顯著提高。

  本文中建立了升膜蒸發(fā)系統(tǒng)傳熱實驗平臺，實驗研究了熱流密度(4.20 kW/m2≤q≤16. 81  kW／m2)、流量(40 L/h≤M≤200 Uh)和真空度(20 k Pa≤P≤40 k Pa)對升膜蒸發(fā)器傳熱性能的影響，獲得不同工況下的管內(nèi)換熱系數(shù)，為工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1  實驗裝置與實驗方法

升膜蒸發(fā)傳熱實驗系統(tǒng)如圖1所示。

  升膜管尺寸為Ø22 mm x1mm，長徑比為135，升膜管的材質(zhì)是TP2（磷脫氧銅）紫銅管，紫銅管外壁焊接有10組K型熱電偶。

  數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)主要包括K型熱電偶、真空壓力傳感器、玻璃轉(zhuǎn)子流量計和隔離調(diào)壓器，采集系統(tǒng)主要包括多路溫度巡檢儀、智能數(shù)顯儀和PC機(jī)。K型熱電偶測量精度±0.5℃，真空壓力傳感器測量精度為±0.1 k Pa，玻璃轉(zhuǎn)子流量計測量精度±2.25 L/h．隔離調(diào)壓器的測量精度為±1 V。在5 min內(nèi)，熱流密度的變化小于±10 W／m2，溶液人口流量的變化小于±4 L/h，真空度的變化小于±0.5 k Pa時，則認(rèn)為升膜蒸發(fā)器達(dá)到了穩(wěn)定工作狀態(tài)，這時可以導(dǎo)出溫度、壓力與流量等實驗數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

  升膜管加熱裝置由隔離調(diào)壓器、連接電線和電爐絲等組成，電爐絲的電阻為14Ω ，直徑為1.2 mm，長度為13 m，電爐絲套有磁環(huán)并纏繞在紫銅管外壁。為防止漏電，紫銅管外壁還包有一層耐高溫絕緣布。

  對實驗系統(tǒng)經(jīng)行了保溫處理，升膜管的保溫效果直接影響到測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此對其進(jìn)行了雙層保溫，厚度達(dá)55 mm，使其熱損失盡可能地減小，由于保溫層很厚，熱損失可以忽略，實驗誤差主要來自測量誤差。

升膜管加熱側(cè)熱流密度可由以下公式計算：

式中，Q z為升膜管加熱側(cè)的熱流量，W;U為隔離調(diào)壓器的輸出電壓，V;R為電爐絲的電阻，Ω；q為升膜管加熱側(cè)熱流密度，W/m2；do為升膜管的外徑，m。

升膜管管內(nèi)換熱系數(shù)可由下式計算：

式中，h i為升膜管管內(nèi)換熱系數(shù)，W/( m2．K)；Fi為升膜管傳熱內(nèi)表面積，m2；△t為升膜管內(nèi)壁溫度與管內(nèi)中心溫度之差，℃。

2  實驗結(jié)果及分析

2.1升膜管管壁軸向溫度分布

升膜管管壁軸向溫度分布曲線如圖2所示。

  當(dāng)熱流密度增大時，升膜管內(nèi)壁溫度也跟著增大，隨著真空度的增大，對應(yīng)的升膜管內(nèi)壁溫度跟著降低，沿軸線方向升膜管內(nèi)壁溫度先急速增大到最大值然后再逐漸減小，這是因為熱流密度的增大導(dǎo)致加給升膜管的熱量也跟著增大，從而使管內(nèi)壁溫度也隨著增大，但是當(dāng)升膜管內(nèi)壁溫度達(dá)到最大值時，管內(nèi)料液被不斷加熱沸騰蒸發(fā)，使料液向上不斷減少，產(chǎn)生的蒸氣沿著管壁向上不斷增大，越來越多的蒸氣拖動料液呈膜狀向上流動，液膜厚度不斷減小，并且越往上管內(nèi)的蒸氣量越大，相應(yīng)的蒸氣速度也越快，傳熱速率越大，致使內(nèi)壁的熱量更容易傳遞到管子中心，從而使升膜管內(nèi)壁溫度降低。

  并且真空度越大，對升膜管產(chǎn)生的壓降越大，隨著升膜管內(nèi)壓降的增大，使料液和蒸氣的流動速率也跟著增大，從而增強了料液帶走管子內(nèi)壁熱量的能力。   

 升膜管中不同熱流密度下的管內(nèi)溫差如圖3所示。

  當(dāng)熱流密度增大時，管內(nèi)溫差也跟著增大，流量越大相對應(yīng)的溫差也越大；當(dāng)其他條件不變時，在200 L/h時相應(yīng)的溫差最大，而80L/h時的溫差相對最小。當(dāng)熱流密度大于17. 36 kW/m2時，相應(yīng)的溫差急速增大。這是由于熱流密度的增大會使升膜管的熱量增大，當(dāng)熱量沒有被料液及時帶走時，就會使溫差急速增大。

  隨著熱流密度的增大，流量對溫差的影響也越明顯，這是由于熱流密度越大，管子內(nèi)壁溫度就會越高，所需要帶走的熱量就會越大，管內(nèi)產(chǎn)生的蒸氣拖動料液的能力不足以帶走足夠的熱量，從而使溫差的變化更明顯。而真空度越大，溫差變化的幅度越大。這是由于大的真空度會加速管內(nèi)料液的流動速度，從而加速帶走管內(nèi)壁的熱量，導(dǎo)致管內(nèi)溫差產(chǎn)生大幅度的變化。

不同熱流密度下管內(nèi)換熱系數(shù)如圖4所示。

2.2熱流密度對管內(nèi)換熱系數(shù)的影響

  如圖4所示，當(dāng)熱流密度為6.05kW／m2時，相對應(yīng)的管內(nèi)換熱系數(shù)最大，熱流密度在4.20~6.05kW／m2，隨著熱流密度的增大，管內(nèi)換熱系數(shù)也隨著增大，熱流密度在6.05~13.61kW/m2，隨著熱流密度的增大，管內(nèi)換熱系數(shù)會出現(xiàn)一些震蕩，總體趨勢是先變小再逐漸變大，而當(dāng)熱流密度大于16.81 W／m2時，隨著熱流密度的增大管內(nèi)換熱系數(shù)急劇地減小。

  這是由于當(dāng)熱流密度為6.05 kW／m2時，產(chǎn)生的熱量使管內(nèi)壁和管子中心的溫差達(dá)到一個最佳的動態(tài)平衡，加速了管內(nèi)料液的蒸發(fā)和料液在管內(nèi)的環(huán)狀流動。而當(dāng)熱流密度繼續(xù)增大時，相應(yīng)的管內(nèi)溫差會跟著急劇增大，增大的熱流密度可以少量彌補溫差增大所造成的損失，管內(nèi)換熱系數(shù)會出現(xiàn)小幅度的震蕩和增大，當(dāng)熱流密度大于16.81 kW/m2時，增大的熱流密度不足以彌補溫差增大所造成的損失，管內(nèi)換熱系數(shù)會大幅度地減小。

2.3流量對管內(nèi)換熱系數(shù)的影響

  流量為40~ 80L/h內(nèi)，流量越大相對應(yīng)的管內(nèi)換熱系數(shù)越大，在120~200 L/h內(nèi)，流量越大相對應(yīng)的管內(nèi)換熱系數(shù)越小，這是因為流量過小時，不能產(chǎn)生足夠的蒸氣拖動料液形成膜狀流動，并且也沒有足夠的液體覆蓋升膜管內(nèi)壁，導(dǎo)致管內(nèi)產(chǎn)生霧狀流或干斑現(xiàn)象，從而惡化了傳熱。

  隨著流量的增大管內(nèi)湍流度增大，從而產(chǎn)生大量的蒸氣拖動液體呈膜狀流動，隨著流量的增大會出現(xiàn)一個最大值，達(dá)到動態(tài)的平衡，但是當(dāng)流量繼續(xù)增大時，由于進(jìn)入管內(nèi)的料液過大，無法有效地轉(zhuǎn)化成蒸氣，使管內(nèi)液位不斷升高，導(dǎo)致環(huán)狀流長度不斷減小且液膜的厚度不斷增大，從而惡化了傳熱，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)減小。

2.4真空度對管內(nèi)換熱系數(shù)的影響

  熱流密度為4. 20~6.05 kW／m2時，真空度的增大會導(dǎo)致管內(nèi)換熱系數(shù)的增大，但是隨著熱流密度的不斷增大這種現(xiàn)象會逐漸消失。熱流密度為6.05~16.81kW/m2時，隨著真空度的增大管內(nèi)換熱系數(shù)并沒有出現(xiàn)明顯的增大現(xiàn)象。這是由于真空度的增大造成管內(nèi)壓降的增大，從而使管內(nèi)的流速也相應(yīng)地增大，但是隨著熱流密度的提高，液膜厚度對換熱系數(shù)影響的比重增加，從而抵消了真空度的提高，降低管內(nèi)壁溫度對換熱系數(shù)的影響。真空度越大，流量對換熱系數(shù)的影響越明顯，圖形變化的趨勢越統(tǒng)一。

3結(jié)論

  (1)升膜管沿軸線方向上，內(nèi)壁溫度先急速增大到最大值然后再逐漸減小。

  (2)當(dāng)流量為80L/h，熱流密度為6.05kW／m2時，升膜管內(nèi)換熱系數(shù)將會達(dá)到最大值。實驗中得到的最大管內(nèi)換熱系數(shù)為1266W/( m2．K)，當(dāng)熱流密度大于16.81kW/m2時，隨著熱流密度的增大管內(nèi)換熱系數(shù)逐漸地減小。流量為40~ 80L/h時，流量越大相對應(yīng)的管內(nèi)換熱系數(shù)越大，在120~200L/h，流量越大相對應(yīng)的管內(nèi)換熱系數(shù)越小。

  (3)真空度越大，升膜管的內(nèi)壁溫度越低，料液的流量對管內(nèi)換熱系數(shù)的影響越明顯。4摘要：為了探究熱流密度、真空度和流量對升膜蒸發(fā)器傳熱性能的影響，建立了升膜蒸發(fā)系統(tǒng)傳熱實驗平臺，實驗所用升膜管管長2 800 mm，升膜管采用TP2紫銅管，工作介質(zhì)為純水，升膜管采用電加熱方式加熱；研究了熱流密度(4. 20 kW/m2≤q≤16- 81  kW/m2)、流量(40 L/h≤M≤200 L/h)和真空度(20 k Pa≤P≤40 k Pa)對升膜管傳熱特性的影響。結(jié)果表明，升膜管沿軸線方向內(nèi)壁溫度是先急速增大到最大值然后再逐漸減小。當(dāng)熱流密度為6. 05 kW/m2，流量為80 L/h時，相對應(yīng)的管內(nèi)換熱系數(shù)最大。流量為40~ 80 L/h時，流量越大相對應(yīng)的管內(nèi)換熱系數(shù)越大。真空度越大，升膜管的內(nèi)壁溫度越低。