薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流場(chǎng)分布與傳輸特性數(shù)值模擬研究

王志文，陳入領(lǐng)，黃 瑤，鄒 鯤，彭倚天

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海 201620)

在現(xiàn)代化工、醫(yī)藥和食品等工程領(lǐng)域中存在大量的液料濃縮和蒸餾環(huán)節(jié),液料大多存在黏度高、耐熱性差、易結(jié)晶結(jié)垢等問(wèn)題,傳統(tǒng)的蒸發(fā)設(shè)備往往難以滿足液料的蒸發(fā)濃縮需求[1-4]。薄膜蒸發(fā)器是一種在低壓條件下利用旋轉(zhuǎn)刮板的機(jī)械刮擦作用,使液料在壁面成膜以促進(jìn)液料快速濃縮的高效蒸發(fā)設(shè)備,具有傳熱系數(shù)大、停留時(shí)間短、適用黏度范圍廣等優(yōu)勢(shì),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品、化工、環(huán)保、制藥等領(lǐng)域[5-7]。圖1(a)為直列刮板式薄膜蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[8-9]。

學(xué)者們對(duì)直列刮板式薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的流場(chǎng)特征進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。Godau[10]指出,在薄膜蒸發(fā)器內(nèi),當(dāng)形成的液膜厚度大于壁面與刮板間的間隙時(shí),葉片前緣會(huì)呈現(xiàn)螺旋狀的流動(dòng)結(jié)構(gòu),間隙間則為庫(kù)埃特流動(dòng),并給出了薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu),如圖1(b)所示。Komori等[11]以玉米糖漿為原料進(jìn)行刮膜試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)輪廓與圖1(b)一致;在三維流場(chǎng)輪廓圖中取一徑向截面得到流場(chǎng)的二維輪廓圖,基于二維流場(chǎng)輪廓?jiǎng)?chuàng)建單相物理模型,設(shè)置右邊為液料進(jìn)口、左邊為液料出口,對(duì)二維下的流場(chǎng)內(nèi)部速度矢量圖進(jìn)行數(shù)值模擬(見(jiàn)圖1(c)),結(jié)果顯示,刮板前緣的液團(tuán)內(nèi)部流場(chǎng)呈圈形流動(dòng),這與空間中的螺旋狀結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。Komori等[11]的研究驗(yàn)證了Godau推導(dǎo)的理論流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的正確性,但是,他們采用的是固定氣液界面的單相流模擬,無(wú)法準(zhǔn)確反映流場(chǎng)中氣液界面存在的流場(chǎng)變化情況,研究方法還存在一定的改進(jìn)空間。……