陳庭清

（上海遠(yuǎn)躍制藥機(jī)械有限公司，上海201715）

降膜式蒸發(fā)器的若干設(shè)計(jì)要點(diǎn)

陳庭清

（上海遠(yuǎn)躍制藥機(jī)械有限公司，上海201715）

介紹了降膜式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并就傳熱系數(shù)的確定、分布器的設(shè)計(jì)及浸潤(rùn)問(wèn)題等進(jìn)行了闡述，大量引用國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)蒸發(fā)器設(shè)計(jì)者了解降膜式蒸發(fā)器具有一定的指導(dǎo)意義。

降膜式蒸發(fā)器；傳熱系數(shù)；分布器；浸潤(rùn)問(wèn)題

0 引言

降膜式蒸發(fā)器是蒸發(fā)設(shè)備中的一種，在國(guó)外應(yīng)用已經(jīng)有相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，其主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）傳熱效率高；（2）物料停留時(shí)間更短；（3）可應(yīng)用于更小的溫差工況；（4）內(nèi)部沒(méi)有壓力差，內(nèi)部物料物性一致，使內(nèi)部傳熱系數(shù)更統(tǒng)一等。其中，物料停留時(shí)間短，使其更加適用于熱敏性物料的蒸發(fā)工作。因此，降膜式蒸發(fā)器也廣泛應(yīng)用于食品、藥品、飲料和造紙等行業(yè)，典型的降膜式蒸發(fā)器的工藝流程如圖1所示。

圖1 典型的降膜式蒸發(fā)器的工藝流程

與升膜式蒸發(fā)器的工作特點(diǎn)不同，降膜式蒸發(fā)器管內(nèi)液體并非是充滿(mǎn)的，而是呈薄膜狀分布于管內(nèi)壁，如圖2所示。常識(shí)告訴我們，更薄的液相膜是更容易蒸發(fā)的，這也是降膜式蒸發(fā)器能具有更高傳熱系數(shù)的原因，如何使管內(nèi)液相膜均勻分布是整個(gè)蒸發(fā)器設(shè)計(jì)的核心與靈魂。本文就降膜式蒸發(fā)器管內(nèi)傳熱系數(shù)的確定、分布器的設(shè)計(jì)及浸潤(rùn)問(wèn)題進(jìn)行闡述。

圖2 薄膜狀分布管內(nèi)壁

1 降膜式蒸發(fā)器管內(nèi)傳熱系數(shù)的確定

關(guān)于降膜式蒸發(fā)器管內(nèi)傳熱系數(shù)的確定，國(guó)際上已有相當(dāng)多的研究成果，現(xiàn)在一般通用的有HTRI法以及CHUN和SEBAN研究出來(lái)的計(jì)算方法，由于CHUN和SEBAN方法更多地出現(xiàn)于相關(guān)科技文獻(xiàn)中，本文僅就CHUN和SEBAN方法進(jìn)行介紹。

CHUN和SEBAN在其發(fā)表的論文中總結(jié)了以下設(shè)計(jì)公式：

當(dāng)管內(nèi)流體為層流時(shí)：

式中 h*f——無(wú)量綱膜傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

Re——雷諾數(shù)。

當(dāng)管內(nèi)流體為湍流時(shí)：

式中 h*f——無(wú)量綱膜傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

Re——雷諾數(shù)；

Pr——普朗特?cái)?shù)。

式中 hf1——純物質(zhì)的降膜傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

h*f——無(wú)量綱膜傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

ρt——密度，kg/m3；

kt——傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

μt——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s。

式中 Re——雷諾數(shù)；

Pr——普朗特?cái)?shù)。

式中 Pr——普朗特?cái)?shù)；

Cp——比熱容，J/（kg·K）；

k——傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

μ——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s。

在實(shí)際運(yùn)用時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，要處理的物料不一定是純物質(zhì)，它們大部分都是混合物，所以要引入一個(gè)修正系數(shù)Fcf，主要的計(jì)算方法有沸騰范圍法（BOILING RANGE METHOD）和理論沸騰范圍法（theoretical BOLING RANGE MEYHOD）及上述兩者的組合方法（COMBINED METHOD）。一般來(lái)說(shuō)沸騰范圍法適用于沸點(diǎn)≤61.1℃的蒸發(fā)過(guò)程，而理論沸騰范圍法適用于沸點(diǎn)＞111.1℃的蒸發(fā)過(guò)程，當(dāng)蒸發(fā)溫度處于上述溫度范圍之間時(shí)，應(yīng)使用組合法（COMBINED METHOD）進(jìn)行插值運(yùn)算。具體方法在相關(guān)文獻(xiàn)中有比較詳盡的記載，不再贅述。

2 分布器的設(shè)計(jì)

分布器是液體能否成膜的關(guān)鍵所在，一般來(lái)說(shuō)分布器要求能同時(shí)完成以下任務(wù)：

（1）應(yīng)該能將液體分布至每根換熱管；

（2）應(yīng)該能將液體分布在換熱管的內(nèi)表面；

（3）蒸汽能夠自由通過(guò)換熱管，且不影響液體分布工作；

（4）能夠允許在過(guò)流工況下正常工作；

（5）能夠從底部進(jìn)行清洗；

（6）不會(huì)導(dǎo)致液體停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

在實(shí)際工程運(yùn)用中，分布器的形式是各式各樣的，相關(guān)文獻(xiàn)介紹了以下幾種分布器的結(jié)構(gòu)，即簡(jiǎn)單堰式、帶缺口式和插入式（圖3）。顯然這些結(jié)構(gòu)對(duì)換熱管的裝配精度的要求是比較高的，如果有某些換熱管伸出長(zhǎng)度過(guò)低，則會(huì)造成其他換熱管沒(méi)有物料通過(guò)的情況，這不是我們希望看到的現(xiàn)象。

另有文獻(xiàn)也介紹了一種分布器的結(jié)構(gòu)，其上面設(shè)有布液孔（LIQUID HOLES）升氣管（VAPOR TUBES）結(jié)構(gòu)，如圖4所示，用于下降液體的分布及蒸發(fā)后氣體的上升。

顯然，這種結(jié)構(gòu)是能保證下方每根換熱管內(nèi)均能布有液體的，而文獻(xiàn)中也給出了布液孔數(shù)量與大小的計(jì)算方案，如下式表述：

圖3 分布器結(jié)構(gòu)

圖4 設(shè)有布液孔升氣管的分布器結(jié)構(gòu)

式中 F——介質(zhì)流量，m3/s；

nholes——布液孔數(shù)量；

Ahole——布液孔面積，m2；

Cd——修正系數(shù)；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

h——積液高度，m。

式中 Dholes——布液孔直徑，m；

F——介質(zhì)流量，m3/s；

nholes——布液孔數(shù)量；

Cd——修正系數(shù)；

g——重力加速度,9.8 m/s2；

h——積液高度，m。

Cd一般取0.6～0.7，其中布液孔的數(shù)量（nholes）可根據(jù)換熱管的數(shù)量及分布情況推算出來(lái)，那么布液孔的直徑也就很容易推算出來(lái)了。這種分布器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效，有計(jì)算依據(jù)，是本文著力推薦的結(jié)構(gòu)。

3 浸潤(rùn)問(wèn)題

換熱管的浸潤(rùn)問(wèn)題是降膜式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的又一重要因素，如果換熱管沒(méi)有處于浸潤(rùn)狀態(tài)，那么換熱管會(huì)出現(xiàn)重度結(jié)垢或紅銹，從而使整個(gè)蒸發(fā)器處于低熱傳遞效果之下。這里引入一個(gè)物理量Γ來(lái)闡述這個(gè)問(wèn)題。

Γ是每根換熱管內(nèi)物料的實(shí)際質(zhì)量流量；Γmin是保證每根換熱管內(nèi)壁都能被浸潤(rùn)的最低質(zhì)量流量。

研究表明，當(dāng)浸潤(rùn)程度（WETTING RANGE）低于0.2 kg/（m·s）時(shí)，蒸發(fā)器的整體換熱系數(shù)將會(huì)被Γ/Γmin的比值修正。同樣，也有研究表明，當(dāng)浸潤(rùn)程度（WETTING RANGE）低于0.08 kg/（m·s）時(shí)，蒸發(fā)器的整體換熱系數(shù)將會(huì)降低13%左右。提高浸潤(rùn)程度的方法一般認(rèn)為是加大管徑或換熱管長(zhǎng)度，這也是降膜蒸發(fā)器的管徑能達(dá)到Φ50.8 mm、管長(zhǎng)一般取5～10 m的原因。

通過(guò)以上描述，會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)于Γmin的求解成為關(guān)鍵，在國(guó)際上已經(jīng)有一些人對(duì)此進(jìn)行過(guò)總結(jié)，如Paramalingam在相關(guān)文獻(xiàn)中提出在以牛奶為操作對(duì)象的蒸發(fā)器中，推薦Γmin不能低于0.123～0.151 kg/（m·s），但更多的人認(rèn)為Γmin最好不要低于0.2 kg/（m·s）。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上描述，我們能清晰地認(rèn)識(shí)到降膜式蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，即液體分布效果的好壞：分布得好，則流量控制到位，浸潤(rùn)問(wèn)題就解決了，換熱效果也就上來(lái)了；分布得差，則不能形成理想的薄膜蒸發(fā)，換熱效果就差，也容易出現(xiàn)蒸發(fā)器重度結(jié)垢或紅銹現(xiàn)象，影響設(shè)備使用壽命。

[1]CHUN K R，SEBAN R A.Haet Transfer to Evaporating Liquid films [J].Journal of Heat Transfer，1971（11）.

[2]K.S.N.Raju.Fluid Mechanics，heat transfer，and mass transfer：Chemical Engineering Practice[M].Wiley，2011.

[3]Heat Transfer Research Inc. HTRI design manual[Z].

[4]Heldman D R，Lund D B.Handbook of food engineering[M].2th ed.CRC PRESS，2006.

[5]Paramalingam S，Winchester J，Marsh C.On the fouling of falling film evaporators due to film break-up [J].Transactions of the Insti-tution of Chemical Engineers，2000（78C）.

2015-03-03

陳庭清（1984—），男，江西贛州人，助理工程師，研究方向：化工設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)。