板式升膜蒸發器蒸發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

板式升膜蒸發器是一種高效蒸發設備，被蒸發溶液在蒸發器內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，加快蒸發汽化，從而縮短了加熱的停留時間，強化了蒸發效果，具有傳熱系數高、蒸發強度大和接觸時間短等優點。

多年來，很多學者對板式升膜蒸發器的傳熱性能進行了很多實驗研究［1-3］，認為蒸發器內的液位、溫差、蒸發壓力、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器的試驗臺，針對換熱溫差△t(加熱蒸氣溫度和蒸發溫度之差)、蒸發器液位h、不同加熱蒸氣的流量Q對板式升膜蒸發傳熱系數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。以自來水為蒸發介質，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，產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產生的2 K蒸氣經蒸氣流量計進入板式換熱器2，冷凝后由出口7排出。實驗的數據由專門的數據采集存儲系統進行采集和存儲。

圖1 試驗系統原理圖

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 實驗數據處理

本實驗主要是計算出不同因素影響下板式升膜蒸發器的傳熱系數。查閱文獻得到計算升膜蒸發傳熱系數的計算公式［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，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，通過測量冷卻水在換熱器的吸熱量、凝結水溫和凝結水量，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下的凝結水比焓，kJ/kg;p2為待測飽和蒸汽的飽和壓力，MPa;T5為凝結水溫度，K。

4 實驗結果與分析

4.1 溫差對升膜蒸發傳熱系數的影響

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

圖2 溫差對升膜蒸發傳熱系數的影響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，使蒸發側產生的蒸汽量增多，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，很容易發生“蒸干”現象，反而會惡化換熱效果。

4.2 液位對升膜蒸發傳熱系數的影響

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

圖3 液位變化對升膜蒸發換熱系數的影響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，在升膜蒸發過程中，液膜的形成是靠蒸汽向上流動形成的拉力作用產生的。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，是升膜蒸發的理想狀態，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，造成傳熱系數降低;但是，液位太低則容易產生“蒸干”現象，不利于換熱，也容易損壞蒸發設備。因此，在保證不被蒸干的前提下，應該盡量降低給料水的液位。

4.3 加熱蒸汽流量對升膜蒸發傳熱系數的影響

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

圖4 加熱蒸汽流量對升膜蒸發傳熱系數的影響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，蒸發側的給料水蒸發速度會迅速增加，產生大量的蒸汽，使得蒸發壓力升高，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隨著溫度升高而增大，二者均有利于膜側換熱，從而增加升膜蒸發的傳熱系數。

5 結論

對影響板式升膜蒸發器換熱系數的因素展開了研究，得到了如下結論:

(1)隨著液位的升高，升膜蒸發傳熱系數會逐步降低，但是液位也不能過低，防止發生“蒸干”現象，導致傳熱系數下降。

(2)在其它條件不變的情況下，溫差越大，升膜蒸發傳熱效果越好，傳熱系數越大，但是溫差也不能太大，防止沸騰過于劇烈，發生“蒸干”現象，導致換熱情況惡化，造成傳熱系數降低。

(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，從而使換熱系數增大。

1 薛蕙芳，張懷清.升膜蒸發器內的兩相流傳熱研究［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.凝結式飽和蒸汽干度測量方法與應用研究［J］.化工學報，2007，58(10):74-77.