升膜蒸發(fā)管內(nèi)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(xùn)，趙利群

（常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213016 ）

升膜蒸發(fā)器廣泛應(yīng)用在食品、制藥、海水淡化、化工、輕工和污水處理等工業(yè)生產(chǎn)中，適用于蒸發(fā)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(jié)晶、結(jié)垢的溶液。其基本結(jié)構(gòu)是一種將加熱室與分離室分離的蒸發(fā)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(jìn)入，管內(nèi)真空降低了管內(nèi)液體的沸騰溫度，使管內(nèi)液體出現(xiàn)沸騰，管內(nèi)氣泡逐漸增多，聚合的大量氣泡在管內(nèi)迅速上升從而實(shí)現(xiàn)對液體的攜帶，被攜帶的液體沿管壁形成膜狀向上運(yùn)動，并繼續(xù)蒸發(fā)，氣液混合物從加熱管頂部進(jìn)入分離器進(jìn)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(shí)驗對升膜蒸發(fā)器的傳熱性能進(jìn)行了研究，得出了升膜蒸發(fā)器管內(nèi)傳熱系數(shù)的經(jīng)驗公式。Yang 等[3]對升膜蒸發(fā)器的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果管內(nèi)壁周圍沒有出現(xiàn)干斑，減少進(jìn)料水高度有助于局部傳熱系數(shù)的增加，當(dāng)傳熱溫差低于5℃時，所產(chǎn)生的蒸氣不足以拖動液膜到管的頂部，會導(dǎo)致管內(nèi)局部傳熱系數(shù)急劇減小。Lecturer[4]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)器總傳熱系數(shù)的影響進(jìn)行了實(shí)驗研究。結(jié)果表明，雷諾數(shù)、溶液入口溫度和再循環(huán)率越高，總傳熱系數(shù)也越高。

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

相對而言，國外對升膜蒸發(fā)器的研究較早且開展深入，側(cè)重于理論分析；國內(nèi)側(cè)重于實(shí)際應(yīng)用方面的研究，主要以提高升膜蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)為目的，在不同溶液、結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的條件下對升膜蒸發(fā)器進(jìn)行了實(shí)驗分析，但鮮有學(xué)者研究升膜蒸發(fā)器內(nèi)流體的流型。因升膜蒸發(fā)器擁有廣闊的發(fā)展前景，且現(xiàn)階段理論和實(shí)驗研究不夠完善，所以本文建立升膜蒸發(fā)系統(tǒng)傳熱實(shí)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(nèi)流型和傳熱系數(shù)的影響進(jìn)行實(shí)驗研究，獲得不同工況下的管內(nèi)傳熱系數(shù)，為工業(yè)應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗裝置與實(shí)驗方法

升膜蒸發(fā)傳熱實(shí)驗系統(tǒng)如圖1 所示。實(shí)驗系統(tǒng)主要由原料水箱、升膜蒸發(fā)管、氣液分離器、冷凝器和數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)等部分組成。

升膜蒸發(fā)管尺寸為φ23mm×1.5mm，長徑比為110，升膜蒸發(fā)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(dǎo)電膜，石英管內(nèi)壁固定有6 組K 型熱電偶，用來測量石英管內(nèi)壁溫度，熱電偶通過導(dǎo)電銀膠粘在石英管內(nèi)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(yīng)的管中心線位置安裝有6 組K 型熱電偶，用來測量管內(nèi)飽和溫度。

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，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括多路溫度巡檢儀、智能數(shù)顯儀和計算機(jī)。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(zhuǎn)子流量計測量精度±2.25L/h。在5min 內(nèi)，隔離調(diào)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(rèn)為升膜蒸發(fā)器達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，記錄和導(dǎo)出溫度、壓力和流量等實(shí)驗數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

升膜蒸發(fā)管加熱裝置由隔離調(diào)壓器、連接電線和透明導(dǎo)電膜等組成，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出電壓，可以調(diào)節(jié)升膜蒸發(fā)管的輸出功率，從而調(diào)節(jié)升膜蒸發(fā)管的熱量輸入，對分離器、冷凝器和連接管道等經(jīng)行了保溫處理，保溫層很厚，熱損失可以忽略，實(shí)驗誤差主要來自測量誤差。因液體是沸點(diǎn)進(jìn)料，傳熱量通過熱平衡方程式求得。

圖1 升膜蒸發(fā)實(shí)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(jìn)出口溫度，℃。

升膜蒸發(fā)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(fā)管熱流密度，kW/m2；di和L 分別為升膜蒸發(fā)管管內(nèi)直徑和管子長度，m。

升膜蒸發(fā)管管內(nèi)傳熱系數(shù)可由式（3）計算。

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

2 實(shí)驗結(jié)果及分析

2.1 管內(nèi)流型觀測結(jié)果

圖2 為實(shí)驗觀測到的流型，有泡狀流、塊狀流、彈狀流、柱塞流、環(huán)狀流和霧狀流。

當(dāng)料液以沸點(diǎn)溫度進(jìn)料時，系統(tǒng)啟動很快，升膜蒸發(fā)管內(nèi)料液的溫度快速穩(wěn)定上升，液池出現(xiàn)細(xì)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(xiàn)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(nèi)徑；然后彈狀流轉(zhuǎn)變成柱塞狀氣泡的柱塞流如圖2(d)所示；由于升膜蒸發(fā)管蒸氣不斷地產(chǎn)生，大量的蒸氣使柱塞流轉(zhuǎn)變成環(huán)狀流如圖2(e)所示；彈狀流和柱塞流不是每次啟動運(yùn)行時都會出現(xiàn)，當(dāng)熱流密度大于9.64kW/m2，液體會直接從塊狀流過渡到環(huán)狀流。

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(huán)狀流（占管長的80%）。除了這3種流型外，升膜蒸發(fā)管內(nèi)還會出現(xiàn)顯熱區(qū)域，顯熱區(qū)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(shù)急劇降低。實(shí)驗中通過調(diào)節(jié)熱流密度、真空度和流量使顯熱區(qū)控制在2%～5%，可避免霧狀流和干斑的出現(xiàn)。

圖2 升膜加熱管內(nèi)不同的流型

實(shí)驗中還觀測到升膜蒸發(fā)管中液膜由于自身重力的影響有回流現(xiàn)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(nèi)，液體邊上升邊蒸發(fā)，越向上液膜越薄，所以回流幅度會越小、頻率會越快；當(dāng)熱流密度大于26.79kW/m2且真空度大于10kPa 時，幾乎沒有回流產(chǎn)生，不過液膜在向上流動的過程中會出現(xiàn)短時間的停頓。

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

熱流密度對流型的影響（ 6.71kW/m2≤q≤26.79kW/m2），主要體現(xiàn)在產(chǎn)生氣泡的速率方面，熱流密度越大，在單位時間內(nèi)產(chǎn)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(dāng)真空度和質(zhì)量流量恒定時，熱流密度越高，流型的連續(xù)性越好。而當(dāng)熱流密度低于6.71kW/m2時，溫差很小產(chǎn)生的蒸氣不足以拖動液膜上升，管內(nèi)很難形成環(huán)狀流，此時兩相流流動開始出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，即噴泉現(xiàn)象，流型依照泡狀流、塊狀流、彈狀流、柱狀流的順序循環(huán)出現(xiàn)。

流量對流型的影響（20L/h≤M≤100L/h）主要體現(xiàn)在管內(nèi)液位高度和霧狀流等方面，當(dāng)熱流密度和真空度恒定時，流量越大，顯熱區(qū)域越長，流量越小，回流幅度越大，環(huán)狀流的連續(xù)性越差。當(dāng)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(fā)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(dāng)流量為60L/h 時，隨著熱流密度的增大，升膜蒸發(fā)管內(nèi)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(fā)管內(nèi)壁溫度小于真空度為10kPa 的內(nèi)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(dāng)壁面開始有氣泡產(chǎn)生進(jìn)入過冷沸騰區(qū)時，由于氣泡對液體的擾動使換熱強(qiáng)度突然提高，導(dǎo)致內(nèi)壁的換熱效率明顯增強(qiáng)，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(dāng)壁溫到達(dá)最高點(diǎn)后，由于液體的不斷蒸發(fā)，管內(nèi)產(chǎn)生了大量的蒸氣，蒸氣拖動液體形成連續(xù)的環(huán)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(nèi)液膜界面與蒸氣核心都處于飽和溫度，故升膜蒸發(fā)管內(nèi)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(fā)管內(nèi)壁溫度越低。越往上蒸氣的剪力越大，液膜變得越薄，從而導(dǎo)致壁溫越低，因沒有產(chǎn)生霧狀流和干壁現(xiàn)象，所以壁溫沒有出現(xiàn)急劇的升高。

在大氣壓下，只有蒸氣產(chǎn)生的向上拖動力，形成的壓差很?。?～3kPa），產(chǎn)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(nèi)，并且回流幅度會很大，液體在管內(nèi)往復(fù)上下流動，很難形成連續(xù)的環(huán)狀流動。

2.3 熱流密度對管內(nèi)傳熱系數(shù)的影響

升膜加熱器熱流密度對管內(nèi)傳熱系數(shù)的影響如圖4 所示。管內(nèi)傳熱系數(shù)隨著熱流密度的增大而增大，但是當(dāng)熱流密度低于6.71kW/m2（管內(nèi)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(nèi)會產(chǎn)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(qiáng)化了對流換熱。真空度在10～15kPa 范圍內(nèi)，真空度越高對應(yīng)的管內(nèi)傳熱系數(shù)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(diǎn)降低，蒸發(fā)量增大，升膜蒸發(fā)管中的對流傳熱速率加快，并且會導(dǎo)致升膜蒸發(fā)管進(jìn)出口的壓差增大，從而加快液體在管內(nèi)的流動，提高對流傳熱速率。當(dāng)流量在20～100L/h 范圍內(nèi)，隨著質(zhì)量流量的增大，管內(nèi)傳熱系數(shù)也跟著增長，這是由于質(zhì)量流量的增大，增加了管內(nèi)液體的湍動程度，從而強(qiáng)化了對流傳熱。

圖4 升膜加熱器熱流密度對管內(nèi)傳熱系數(shù)的影響

3 結(jié) 論

（1）在石英管外表面鍍一層極薄的透明導(dǎo)電膜，采用電加熱的方法（恒熱流密度）實(shí)現(xiàn)了升膜蒸發(fā)器的穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到了環(huán)狀流動和升膜蒸發(fā)。

（2）在本實(shí)驗范圍內(nèi)，觀測到的流型有泡狀流、塊狀流、彈狀流、柱塞流、環(huán)狀流和霧狀流，在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，泡狀流占管子長度5%，塊狀流占管子長度10%，環(huán)狀流占管子長度的80%。彈狀流、柱塞流和霧狀流在穩(wěn)定運(yùn)行時不會出現(xiàn)，當(dāng)熱流密度低于6.71kW/m2（管內(nèi)溫差低于6.5℃）時，由于溫差很小不能產(chǎn)生足夠的蒸氣，管內(nèi)很難形成環(huán)狀流，會間斷地出現(xiàn)泡狀流、塊狀流、彈狀流和柱塞流。

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

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