板式升膜蒸發(fā)器蒸發(fā)換熱特性的實驗研究

高立博 鄭志皋 陶樂仁 薛維超 黃理浩 劉 榮 成 簡

(上海理工大學 上海 200093)

1 引言

板式升膜蒸發(fā)器是一種高效蒸發(fā)設(shè)備，被蒸發(fā)溶液在蒸發(fā)器內(nèi)受熱沸騰后迅速汽化，蒸氣會帶動料液上升，沿換熱壁面形成液膜，使液體呈液膜狀流過受熱表面，加快蒸發(fā)汽化，從而縮短了加熱的停留時間，強化了蒸發(fā)效果，具有傳熱系數(shù)高、蒸發(fā)強度大和接觸時間短等優(yōu)點。

多年來，很多學者對板式升膜蒸發(fā)器的傳熱性能進行了很多實驗研究［1-3］，認為蒸發(fā)器內(nèi)的液位、溫差、蒸發(fā)壓力、加熱蒸氣的流量是影響傳熱性能的最主要因素。但是由于實驗條件和測試手段不一致，導致一些操作因素對換熱性能影響的結(jié)論有所差異。王迪［4］和朱紅［5］等曾對液位和溫差對豎管升膜蒸發(fā)傳熱性能的影響進行了分析和研究。本文采用一塊面積為0.21 m2的板式換熱器(換熱器的高度為H)，建立了一個板式升膜蒸發(fā)器的試驗臺，針對換熱溫差△t(加熱蒸氣溫度和蒸發(fā)溫度之差)、蒸發(fā)器液位h、不同加熱蒸氣的流量Q對板式升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的影響進行了實驗研究。

2 實驗

2.1 實驗裝置及流程

實驗流程如圖1所示。以自來水為蒸發(fā)介質(zhì)，由加熱水箱加熱到一定溫度后，由離心泵8送至板式換熱器2進行升膜蒸發(fā)，產(chǎn)生的水蒸氣進入冷凝器3進行冷凝，冷凝水排入冷凝水箱。鍋爐1產(chǎn)生的2 K蒸氣經(jīng)蒸氣流量計進入板式換熱器2，冷凝后由出口7排出。實驗的數(shù)據(jù)由專門的數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)進行采集和存儲。

圖1 試驗系統(tǒng)原理圖

2.2 實驗方案

針對液位的影響，實驗分別對1/4液位(即水的液位是板式換熱器高度H的1/4)、1/3液位、1/2液位、2/3液位進行了研究。對溫差的影響，實驗對5、10、15、20℃溫差進行了研究。針對不同加熱蒸氣的流量的影響，實驗對3、5、7、9 kg/h進行了研究。

3 實驗數(shù)據(jù)處理

本實驗主要是計算出不同因素影響下板式升膜蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)。查閱文獻得到計算升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的計算公式［6-7］

式中:q″為換熱器的換熱量，kJ;x為出口干度;Dh為定性尺寸，m;G為水的質(zhì)量流量，kg/s。

本式中出口干度X是用間接方法測量后計算出來的，測量方法的原理為:分別將待測飽和蒸汽和冷卻水引入一個水冷冷凝器。在換熱器內(nèi)，冷卻水與待測飽和蒸汽充分換熱，使飽和蒸汽相變降溫為凝結(jié)水，冷卻水被飽和蒸汽加熱后溫度升高。在一個短暫的計量時間周期內(nèi)，通過測量冷卻水在換熱器的吸熱量、凝結(jié)水溫和凝結(jié)水量，建立如下的換熱器能量平衡方程［8-9］:

式中:Q為冷卻水在換熱器中的吸熱量，kJ;m為凝結(jié)水量，kg;x為待測飽和蒸汽的干度;hv(p2)為壓力p2下的干飽和蒸汽比焓，kJ/kg;hw(p2)為壓力p2下的干飽和水比焓，kJ/kg;h5(T5)為溫度為T5下的凝結(jié)水比焓，kJ/kg;p2為待測飽和蒸汽的飽和壓力，MPa;T5為凝結(jié)水溫度，K。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 溫差對升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的影響

圖2為同蒸發(fā)壓力(101.325 kPa)下、h=1/3 H、蒸汽流量Q=7 kg/h時溫差對升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的影響。

圖2 溫差對升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的影響Fig.2 Influence of rising film evaporation heat transfer coefficient by temperature difference

由圖2可知，溫差越大，換熱效果越好，熱流密度也迅速增大，換熱量也會迅速上升，從而使液膜的溫度有所升高，液膜的溫度升高使介質(zhì)的粘度和表面張力減小，有利于對流傳熱;另一方面，換熱量的增加，使蒸發(fā)側(cè)產(chǎn)生的蒸汽量增多，液膜湍流程度增強，又強化了對流傳熱。但是，在給料水流量不變和其它條件不變的情況下，隨著溫差的進一步增大，沸騰變得劇烈，很容易發(fā)生“蒸干”現(xiàn)象，反而會惡化換熱效果。

4.2 液位對升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的影響

在升膜蒸發(fā)時，液位的高度對傳熱效果也有較大的影響。圖 3為蒸發(fā)壓力為 101.325 kPa、△t=15℃、蒸汽流量Q=7 kg/h時不同液位對升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的影響。

圖3 液位變化對升膜蒸發(fā)換熱系數(shù)的影響Fig.3 Influence of rising film evaporation heat transfer coefficient by level difference

由圖3可以看出，液位越低越有利于換熱。這是因為，在升膜蒸發(fā)過程中，液膜的形成是靠蒸汽向上流動形成的拉力作用產(chǎn)生的。液位越低，可供形成薄液膜的面積越大，越有利于形成較薄的液膜。板壁的大部分被較薄的液膜覆蓋時，是升膜蒸發(fā)的理想狀態(tài)，此時具有很好的換熱效果。液位太高，液體沸騰時來不及形成液膜或者形成的液膜太厚，就排出了換熱器，造成傳熱系數(shù)降低;但是，液位太低則容易產(chǎn)生“蒸干”現(xiàn)象，不利于換熱，也容易損壞蒸發(fā)設(shè)備。因此，在保證不被蒸干的前提下，應(yīng)該盡量降低給料水的液位。

4.3 加熱蒸汽流量對升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的影響

圖4為蒸發(fā)壓力 101.325 kPa、△t=15 ℃、h=1/3 H下不同的加熱蒸汽流量對升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的影響。

圖4 加熱蒸汽流量對升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的影響Fig.4 Influence of rising film evaporation heat transfer coefficient by heating steam flow rate

由圖4可知，蒸汽流量越大，會使整個換熱器熱通量增大，蒸發(fā)側(cè)的給料水蒸發(fā)速度會迅速增加，產(chǎn)生大量的蒸汽，使得蒸發(fā)壓力升高，導致液膜飽和溫度升高，液體運動粘度下降，使得液膜流動擾動加劇，同時液體的導熱系數(shù)隨著溫度升高而增大，二者均有利于膜側(cè)換熱，從而增加升膜蒸發(fā)的傳熱系數(shù)。

5 結(jié)論

對影響板式升膜蒸發(fā)器換熱系數(shù)的因素展開了研究，得到了如下結(jié)論:

(1)隨著液位的升高，升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)會逐步降低，但是液位也不能過低，防止發(fā)生“蒸干”現(xiàn)象，導致傳熱系數(shù)下降。

(2)在其它條件不變的情況下，溫差越大，升膜蒸發(fā)傳熱效果越好，傳熱系數(shù)越大，但是溫差也不能太大，防止沸騰過于劇烈，發(fā)生“蒸干”現(xiàn)象，導致?lián)Q熱情況惡化，造成傳熱系數(shù)降低。

(3)隨著蒸汽流量的加大，會使整個傳熱量增加，導致液膜飽和溫度升高液體運動粘度下降，使得液膜流動擾動加劇，從而使換熱系數(shù)增大。

1 薛蕙芳，張懷清.升膜蒸發(fā)器內(nèi)的兩相流傳熱研究［J］.沈陽化工學院學報，1992，6(1):51-53.

2 譚天恩，麥本熙，丁惠華.化工原理上冊［M］.北京:化學工業(yè)出版社.

3 Thonon B，Vidil R，Marvillet C.Recent research and developments in plate heat exchangers［J］.Journal of Enhanced Heat Transfer，1995(2):149-155.

4 王 迪.升膜蒸發(fā)海水淡化裝置傳熱特性研究［D］.大連:大連理工大學，2007.

5 朱 紅.海水淡化升膜蒸發(fā)傳熱過程實驗研究［D］.大連:大連理工大學，2007.

6 Yan Y Y.Evaporation Heat Transfer and Pressure Drop of Refrigerant R-134a in a Plate Heat Exchanger［J］.Transactions of the ASME.1999，121(l)，118-127.

7 Wang Zhongzheng，Zhao Zhennan.Analysis of performance of steam condensation heat transfer and pressure drop in plate condensers.Heat Transfer Engineering，1993，14(4):32-41.

8 李世武，霍文達.飽和蒸汽干度的實用測量方法與裝置［J］.煤氣與熱力，2008，28(10):33-35.

9 李世武，康 芹.凝結(jié)式飽和蒸汽干度測量方法與應(yīng)用研究［J］.化工學報，2007，58(10):74-77.