韓磊，劉軍，許凱，李保安

（化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300350；天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072；天津市膜科學(xué)與海水淡化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350）

高分子中空纖維蒸發(fā)器傳熱過程分析

韓磊，劉軍，許凱，李保安

（化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300350；天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072；天津市膜科學(xué)與海水淡化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350）

蒸發(fā)器廣泛應(yīng)用于化工、食品等行業(yè)，傳統(tǒng)的金屬管蒸發(fā)器由于其耐酸堿腐蝕性差、表面易結(jié)垢等弱點(diǎn)，一定程度上限制了其應(yīng)用范圍，而具有優(yōu)良性能的高分子中空纖維管可有效解決這些問題，具有很好的應(yīng)用前景。采用自制的高分子改性中空纖維管，制備出非金屬換熱器，并進(jìn)行了蒸發(fā)傳熱實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，高分子中空纖維蒸發(fā)器的性能與料液溫度有密切關(guān)系，沸騰進(jìn)料時(shí)蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)、產(chǎn)水量和熱量利用率均高于低溫進(jìn)料；傳熱熱阻主要集中在管外蒸汽加熱側(cè)和管壁的導(dǎo)熱性能，當(dāng)沸騰進(jìn)料時(shí)管壁熱阻占總傳熱熱阻的66%以上，而管內(nèi)蒸發(fā)側(cè)傳熱熱阻所占比重較低，均低于15.3%，且隨著料液流速的增大而降低到5%以下；隨著料液溫度的降低,蒸發(fā)過程的傳熱系數(shù)、能量利用效率以及產(chǎn)水量均顯著下降。

中空纖維蒸發(fā)器；傳熱；熱傳導(dǎo)；能量利用率；蒸發(fā)

引 言

蒸發(fā)器廣泛應(yīng)用于化工、食品、制冷等行業(yè)中，是一種十分重要且常見的換熱設(shè)備。傳統(tǒng)蒸發(fā)器主要采用導(dǎo)熱性能優(yōu)良的銅管等作為主要換熱元件，但是金屬管件在高鹽度、高酸堿度以及高硬度環(huán)境下的應(yīng)用受到嚴(yán)重限制[1-2]。此外，金屬管壁面容易生長(zhǎng)垢層，嚴(yán)重降低蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力，引起物料流失，使操作能耗/成本上升并帶來嚴(yán)重的安全隱患[3-4]。為此尋找一種可替代金屬管的傳熱元件能夠擴(kuò)大換熱器的應(yīng)用范圍。Sirkar等[5-6]報(bào)道了一種高分子聚合物制備的中空纖維管用于替換傳統(tǒng)換熱器中金屬管的方法，并被該研究團(tuán)隊(duì)用于脫鹽過程的研究和應(yīng)用中，顯示出了良好的性能[1]。

雖然高分子中空纖維管本身傳熱性能并不突出，但是高分子中空纖維換熱元件具有優(yōu)良的抗腐蝕性能和防結(jié)垢性能，與傳統(tǒng)的金屬管相比，具有制造成本較低、密度小、填充密度大等優(yōu)勢(shì)[5-11]。纖維管件的直徑一般在1～3 mm之間，比傳統(tǒng)金屬管直徑小得多。根據(jù)Mehendale等[12]、吳極等[13]的研究報(bào)道，小管徑換熱元件具有更大的換熱面積和填充密度，傳熱系數(shù)較高。Zhao等[14]和Yan等[15]研究了中空纖維管用于管殼式換熱器中的熱量傳遞過程，結(jié)果表明中空纖維換熱器具有較好的換熱性能，具有組件質(zhì)量輕、防腐蝕性能好、單位體積換熱面積大等優(yōu)點(diǎn)。El-Dessouky等[16-17]將PTFE材料制備的中空纖維管用于單效機(jī)械壓縮蒸發(fā)過程中，并與鋼合金管、鈦管材料的蒸發(fā)器進(jìn)行了成本核算，結(jié)果表明使用高分子中空纖維管的蒸發(fā)器的制造成本大大降低，且其抗腐蝕性能較好，易于制造和清洗。Christmann等[7]報(bào)道了一種聚醚醚酮樹脂制備的高分子中空纖維管用于多效蒸發(fā)器，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)定其總傳熱系數(shù)與金屬管蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)相當(dāng)，防腐蝕性能較好。Scheffler等[8]研究了改性塑料膜作為換熱元件用于多效蒸發(fā)過程，結(jié)果表明20～50 μm厚度的高密度聚乙烯和聚丙烯中空纖維管與1 mm厚的銅鎳合金管的換熱性能相當(dāng)，且具備更好的抗腐蝕性能和更低的設(shè)備制造成本，同時(shí)可以設(shè)計(jì)出比金屬管更低的傳熱溫差，從而降低能源消耗。這些研究極大推動(dòng)了中空纖維管在蒸發(fā)器中的研究和應(yīng)用，顯示了中空纖維管在蒸發(fā)器中良好的應(yīng)用前景。但是目前在這方面的理論及應(yīng)用研究還不夠，高分子纖維管用于蒸發(fā)傳熱過程中的傳熱機(jī)理和傳熱性能還有待進(jìn)一步研究[18-20]。

本研究采用自制的高分子中空纖維換熱管制備非金屬蒸發(fā)器，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了該蒸發(fā)器的性能參數(shù)，并系統(tǒng)分析了蒸發(fā)過程中的傳熱性能、傳熱熱阻分布和能量利用效率。為中空纖維管蒸發(fā)器的性能強(qiáng)化、蒸發(fā)器操作條件參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等提供了數(shù)據(jù)參考，為進(jìn)一步研究性能優(yōu)良的高分子中空纖維管蒸發(fā)器奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)裝置以中空纖維蒸發(fā)器為主，整體裝置如圖1所示。料液在原料罐1中經(jīng)過加熱達(dá)到預(yù)定溫度，由循環(huán)泵2送至中空纖維蒸發(fā)器3中進(jìn)行蒸發(fā)并實(shí)現(xiàn)氣液分離，未蒸發(fā)的濃縮液返回至原料罐1中，產(chǎn)生的二次蒸汽由真空系統(tǒng)抽送到換熱器4中被冷凝，最后匯聚到計(jì)量罐5中。實(shí)驗(yàn)中蒸發(fā)器的加熱蒸汽由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生，蒸汽溫度105℃；換熱器冷凝水采用自來水，水溫低于25℃。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

蒸發(fā)器制備所用的中空纖維管采用實(shí)驗(yàn)室自制的石墨改性聚偏氟乙烯（PVDF）導(dǎo)熱管，外徑1.75～1.90 mm，平均值1.80 mm；壁厚0.15 mm。中空纖維蒸發(fā)器外殼采用聚丙烯(PP)管，管壁厚度20 mm，管外徑200 mm。中空纖維管在蒸發(fā)器中豎直排列，在加熱室上下兩端由環(huán)氧樹脂密封固定。加熱室有效高度240 mm，分離室有效高度200 mm，并設(shè)有除沫網(wǎng)防止氣液夾帶。蒸發(fā)器各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 中空纖維管蒸發(fā)器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of hollow fiber evaporator

實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)定并記錄的數(shù)據(jù)包括：物料進(jìn)入和離開蒸發(fā)器的溫度、產(chǎn)生的二次蒸汽的溫度、單位時(shí)間內(nèi)二次蒸汽冷凝液的質(zhì)量、物料循環(huán)流量、加熱蒸汽的溫度及冷凝水產(chǎn)量、分離室真空度等。實(shí)驗(yàn)中所有溫度均采用E型熱電偶探頭測(cè)量，由巡檢儀自動(dòng)記錄。真空度由真空表直接讀數(shù)，物料流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量，冷卻水產(chǎn)水量由在線電子天平稱量。

當(dāng)調(diào)節(jié)好實(shí)驗(yàn)操作參數(shù)并穩(wěn)定0.5 mm以上開始計(jì)時(shí)，每15 min記錄一次數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)量3次并取算術(shù)平均值作為最后數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

當(dāng)不考慮換熱管內(nèi)外表面的污垢熱阻時(shí)，蒸發(fā)器的整體傳熱過程不僅與傳熱元件（中空纖維管）的傳熱系數(shù)Kwall相關(guān)，與冷側(cè)被加熱或蒸發(fā)過程的傳熱系數(shù)hheat/evap以及熱側(cè)被冷凝的傳熱系數(shù)hcond也相關(guān)。當(dāng)不考慮壁面厚度對(duì)計(jì)算的影響時(shí)，基于纖維管平均傳熱面積的總傳熱系數(shù)K可表示為[7]

式中，δ表示中空纖維管的壁面厚度，m。傳熱系數(shù)可以表示為傳熱熱阻的疊加形式，即式（1）中1/K表示總傳熱熱阻Rtot，右側(cè)3項(xiàng)分別表示冷凝側(cè)傳熱熱阻Rcond、傳熱元件導(dǎo)熱熱阻Rwall和加熱側(cè)傳熱熱阻Rheat/evap，即式（1）可以改寫為

過程總傳熱量可以表示為

當(dāng)不考慮過冷液體進(jìn)料以及物料濃度引起的沸點(diǎn)升高，冷凝側(cè)蒸汽溫度Tcond和加熱側(cè)物料沸點(diǎn)溫度Tevap均可視為常數(shù)。這時(shí)總傳熱溫差ΔTm可由傳熱管內(nèi)外的算術(shù)平均溫差求得，計(jì)算式為

式中，Theat,min和Theat,max分別為物料在換熱器進(jìn)口和出口的溫度，K。

蒸發(fā)器的傳熱面積S可由纖維管數(shù)量N和有效長(zhǎng)度L計(jì)算得到：S=Nπd0L

纖維管內(nèi)側(cè)對(duì)流傳熱膜系數(shù)可根據(jù)Nusselt系數(shù)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算。研究中管內(nèi)流動(dòng)Reynolds數(shù)大于2300，因此為湍流流動(dòng)，其傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)表達(dá)式為[8-9]

其應(yīng)用條件為：Reynolds數(shù)Re=dνρ/μ,Prandtl數(shù)Pr=cpμ/λ=0.7～120,加熱管長(zhǎng)徑比L/d≥60,當(dāng)管內(nèi)流體被加熱時(shí)m=0.4,當(dāng)管內(nèi)流體被冷凝時(shí)m=0.3。

纖維管外對(duì)流傳熱系數(shù)可由式（1）推導(dǎo)求得

蒸發(fā)器蒸汽加熱側(cè)（纖維管外側(cè)）傳遞的總能量可以表示為加熱蒸汽量D與其相應(yīng)溫度下的冷凝潛熱rvap的乘積

加熱蒸汽放出的總熱量也可以由總熱量衡算得到

式中，F(xiàn)C0(t1-t0)項(xiàng)表示進(jìn)入蒸發(fā)器物料由初始溫度t0升高到沸點(diǎn)溫度t1所需要的熱量；Wre表示產(chǎn)生二次蒸汽量W所需要的熱量；re表示該沸點(diǎn)下物料的汽化潛熱；QL表示整個(gè)換熱過程中的熱量損失。

因此，該過程的加熱蒸汽有效熱量利用率為

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 蒸發(fā)產(chǎn)水量

實(shí)驗(yàn)中測(cè)定了不同進(jìn)料溫度和進(jìn)料流速下的產(chǎn)水量。從圖2中可以看出，進(jìn)料流速對(duì)產(chǎn)水量具有顯著影響，隨著料液流速的增加產(chǎn)水量呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)；當(dāng)進(jìn)料流速為0.138 m·s-1時(shí)各進(jìn)料溫度下均獲得最大產(chǎn)水量。同時(shí)，產(chǎn)水量隨著進(jìn)料溫度的降低而降低，進(jìn)料溫度為80℃時(shí)產(chǎn)水量大幅降低，且當(dāng)進(jìn)料流速大于0.138 m·s-1后產(chǎn)水量亦呈快速下降趨勢(shì)，由17.14 kg·m-2·h-1下降到12.93 kg·m-2·h-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同流速下飽和進(jìn)料（95℃）的18.61 kg·m-2·h-1。當(dāng)增大進(jìn)料流速時(shí)，管內(nèi)傳熱得到強(qiáng)化，但同時(shí)料液在管內(nèi)的停留時(shí)間減少，因而出現(xiàn)產(chǎn)水量隨流速先增后減的變化趨勢(shì)；進(jìn)料溫度降低使得料液被加熱到沸騰所需的熱量增加，因此在同樣進(jìn)料流速下產(chǎn)水量比高溫進(jìn)料時(shí)少，當(dāng)料液流速增大時(shí)這種差距更加明顯。

圖2 產(chǎn)水量Fig.2 Water production

從圖2中還可以看出，當(dāng)料液流速較低時(shí)，不同進(jìn)料溫度下產(chǎn)水量之間的差異較小，而隨著流速的增大，料液溫度對(duì)產(chǎn)水量的影響更加顯著。這是因?yàn)榈土魉贂r(shí)料液被加熱的時(shí)間較長(zhǎng)，而流速越大，料液被加熱的時(shí)間越短，單位料液量獲得的傳熱量較小。

2.2 中空纖維管內(nèi)外傳熱分析

中空纖維蒸發(fā)器的傳熱過程可以分為管內(nèi)傳熱、管外傳熱以及管壁導(dǎo)熱3個(gè)過程，本研究中分別對(duì)各個(gè)部分的傳熱及熱阻進(jìn)行了分析。

圖3顯示了纖維管內(nèi)外傳熱系數(shù)隨料液溫度和速度的變化關(guān)系?？偟膩碚f，中空纖維管內(nèi)側(cè)（蒸發(fā)側(cè)）傳熱系數(shù)hevap比纖維管外側(cè)（冷凝側(cè)）傳熱系數(shù)hcond高1個(gè)數(shù)量級(jí)。管內(nèi)傳熱系數(shù)隨著料液溫度的降低而降低，當(dāng)料液為非沸騰進(jìn)料時(shí)傳熱系數(shù)隨著料液流速的增大而顯著降低，而沸騰進(jìn)料時(shí)管內(nèi)傳熱系數(shù)變化不明顯，均保持在27000 W·m-2·K-1以上。當(dāng)進(jìn)料溫度為80℃時(shí)，隨著料液流速的增大，纖維管內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)由26400 W·m-2·K-1急速下降到3600 W·m-2·K-1，傳熱效果明顯下降。其主要原因是：沸騰進(jìn)料時(shí)，加熱蒸汽的熱量主要用于管內(nèi)側(cè)料液蒸發(fā)，而非沸騰進(jìn)料時(shí)，加熱蒸汽的熱量同時(shí)用于料液升溫和管內(nèi)側(cè)料液蒸發(fā)，料液溫度與沸騰溫度之間的溫差越大，用于蒸發(fā)的熱量越少，因此對(duì)于相同膜面積而言，管內(nèi)傳熱系數(shù)和蒸發(fā)量（產(chǎn)水量）均顯著降低。而當(dāng)料液流速增大時(shí)，管內(nèi)湍動(dòng)程度增大，在一定程度上有利于傳熱的強(qiáng)化，但同時(shí)料液加熱的停留時(shí)間變短，被加熱到沸騰溫度的料液量減少，因此出現(xiàn)產(chǎn)水量先增加后減小的變化趨勢(shì)（圖2）。

圖3 中空纖維管內(nèi)(hevap)、外(hcond)側(cè)傳熱系數(shù)Fig. 3 Heat transfer coefficient of inside and outside hollow fiber surface

管外傳熱系數(shù)的變化與管內(nèi)傳熱系數(shù)的變化不同。由圖3可知，除沸騰進(jìn)料對(duì)管外傳熱系數(shù)有明顯影響外，非沸騰進(jìn)料時(shí)管內(nèi)流速對(duì)管外傳熱系數(shù)的影響相對(duì)較小。但是料液溫度對(duì)管外傳熱系數(shù)有顯著影響，料液溫度越高，管外傳熱系數(shù)越大。由此可知，管外傳熱系數(shù)主要與加熱蒸汽的狀況相關(guān)，而與管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)關(guān)系較小。

為研究纖維管蒸發(fā)器中各個(gè)傳熱階段對(duì)總傳熱過程的影響，對(duì)各個(gè)階段的傳熱熱阻百分比進(jìn)行了分析。

對(duì)不同料液溫度下纖維管內(nèi)、外及管壁傳熱熱阻分析結(jié)果如圖4所示。從圖中可以得出，纖維管內(nèi)（蒸發(fā)側(cè)）的傳熱熱阻在各種進(jìn)料狀況下所占的百分比最小，低于15.3%，且隨著料液流速的提高而不斷降低，占比甚至小于5%；纖維管外側(cè)（冷凝側(cè)）的傳熱熱阻占總熱阻的百分比隨著料液流速的增大而增大。當(dāng)料液為沸騰進(jìn)料時(shí)[圖4(a)]，纖維管管壁的傳熱熱阻占總熱阻的66%以上，這說明增大材料的傳熱性能可以顯著提高纖維管蒸發(fā)器的總體傳熱性能，產(chǎn)水量能夠顯著提高；當(dāng)料液溫度為非沸騰溫度時(shí)[圖4(b)、(c)、(d)]，纖維管壁的傳熱熱阻和管外蒸汽冷凝側(cè)的傳熱熱阻是傳熱過程的主要熱阻，隨著料液溫度的降低，管壁熱阻占總傳熱熱阻的百分比不斷降低，而管外傳熱熱阻的比重卻不斷增大，同時(shí)料液流速的增大也使管外傳熱熱阻的百分比緩慢增大，當(dāng)進(jìn)料溫度為80℃時(shí)[圖4(d)]，管外傳熱熱阻所占比重超過纖維管管壁傳熱熱阻的比重，由46.1%增大到55.7%，而管壁熱阻所占比重由44.8%降低到42.6%。由此可知，當(dāng)料液為非沸騰進(jìn)料時(shí)，增強(qiáng)纖維管蒸發(fā)器的傳熱性能的主要辦法是對(duì)纖維膜材料進(jìn)行改性以及提高管外蒸汽加熱側(cè)的湍動(dòng)程度。

圖4 傳熱熱阻百分比分析Fig. 4 Percentage analysis of heat transfer resistance

2.3 總傳熱系數(shù)和熱量利用率分析

中空纖維管蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)和熱量利用率分別根據(jù)式（3）和式（9）進(jìn)行計(jì)算得到，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 總傳熱系數(shù)和熱量利用效率Fig.5 Total heat transfer coefficient and heat efficiency

由圖5可知，該蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)隨著進(jìn)料溫度的升高而升高，沸騰進(jìn)料時(shí)最高可達(dá)到1320 W·m-2·K-1，而進(jìn)料溫度低于沸點(diǎn)時(shí)，總傳熱系數(shù)顯著降低，進(jìn)料溫度為80℃、料液流速為0.368 m·s-1時(shí)，過程總傳熱系數(shù)僅為662 W·m-2·K-1。這是因?yàn)榉序v蒸發(fā)側(cè)傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于管壁傳熱系數(shù)和管外冷凝側(cè)傳熱系數(shù)，沸騰溫度進(jìn)料時(shí)傳熱熱量主要用于水蒸發(fā)，傳熱系數(shù)較高；而低溫進(jìn)料時(shí)，部分熱量用于加熱物料使其溫度提升到沸騰溫度，根據(jù)圖3的結(jié)果其傳熱系數(shù)比沸騰側(cè)傳熱系數(shù)小1個(gè)數(shù)量級(jí)，因此總傳熱系數(shù)較小。另外，從圖5中還可以看出隨著料液流速的增大，總傳熱系數(shù)也出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，這是因?yàn)榱弦毫魉僭龃髲?qiáng)化了管內(nèi)側(cè)傳熱過程，而料液流速的進(jìn)一步增大降低了料液的停留時(shí)間，被加熱到沸騰溫度進(jìn)行蒸發(fā)的料液減少，產(chǎn)水量降低，總傳熱系數(shù)降低。

系統(tǒng)的蒸發(fā)效率與其熱量的利用效率呈正比關(guān)系，其為用于蒸發(fā)所需的能量占總提供能量的比例，而物料溫度升高所需的能量和操作過程中的熱量耗散均不屬于有效蒸發(fā)熱量。從圖5中可以看出，沸騰溫度進(jìn)料時(shí)能量利用率最高，基本上保持在94%以上，過程中熱量耗散較少。隨著料液溫度的下降，能量利用率顯著降低，而料液流速的增大使能量利用效率急速降低，料液溫度與沸騰溫度之間溫差越大，能量利用效率降低的速率越大。其主要原因是：料液溫度越低用于料液升溫所需的能量比例越高，而熱量耗散量基本保持不變，用于蒸發(fā)的熱量相應(yīng)減少。此外，料液流速的提高使單位時(shí)間內(nèi)被加熱的料液量增加，料液升溫所需要熱量進(jìn)一步增加，蒸發(fā)所需能量占用的比率相應(yīng)降低，則能量利用效率降低。因此，當(dāng)進(jìn)料溫度為80℃時(shí)，隨著流速的增大，能量利用率由88.4%快速降低到64.3%。

3 結(jié) 論

本研究設(shè)計(jì)和制備了高分子中空纖維蒸發(fā)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析了中空纖維蒸發(fā)器中管內(nèi)、外及管壁的傳熱系數(shù)和傳熱熱阻，討論了過程熱量利用效率隨著料液流速和溫度的變化趨勢(shì)。主要結(jié)論如下：

（1）產(chǎn)水量隨料液溫度降低而降低，隨料液流速增大而出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)；

（2）管內(nèi)蒸發(fā)側(cè)傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于管外加熱側(cè)傳熱系數(shù)，蒸發(fā)側(cè)傳熱熱阻占總傳熱熱阻的比例較小，低于15.3%，且隨著料液流速的增大而顯著減小到5%以下；

（3）沸騰進(jìn)料時(shí)，纖維管壁的傳熱熱阻為主要熱阻，占比超過66%；非沸騰進(jìn)料時(shí)，纖維管外側(cè)（蒸汽加熱側(cè)）熱阻所占比重隨著進(jìn)料溫度降低而不斷增大，與管壁導(dǎo)熱熱阻一起成為主要傳熱熱阻；

（4）沸騰進(jìn)料時(shí)過程能量利用率較高，總傳熱系數(shù)最大，可達(dá)1320 W·m-2·K-1，料液溫度降低或者料液流速增大均能顯著降低熱量利用效率和過程總傳熱系數(shù)。

符 號(hào) 說 明

hcond,hheat/evap——分別為管外冷凝傳熱系數(shù)和管內(nèi)加熱/蒸發(fā)傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1

K——總傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1

Kwall——纖維管材料熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1

L——纖維管有效長(zhǎng)度，m

N——組件中纖維管數(shù)量

Pr——Prandtl數(shù)

Q——總傳熱量，W

QL——熱量損失，W

Re——Reynolds數(shù)

Rcond,Rheat/evap,Rwall——分別為纖維管外、管內(nèi)及纖維材料的傳熱熱阻，K·m2·W-1

re,rvap——分別為水的汽化潛熱和蒸汽的冷凝潛熱，kJ·kg-1

S——蒸發(fā)器傳熱總面積，m2

Tcond,Tevap——分別為加熱蒸汽溫度和物料沸點(diǎn)溫度，℃

Theat,min,Theat,max——分別為物料被加熱過程中的最低溫度和最高溫度，℃

W——蒸發(fā)產(chǎn)水量，kg·m-2·h-1

η——傳熱熱量有效利用效率，%

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Heat transfer process analysis in polymer hollow fiber evaporator

HAN Lei, LIU Jun, XU Kai, LI Bao'an
(School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin300072,China;Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering(Tianjin),Tianjin300072,China;State Key Laboratory of Chemical Engineering,Tianjin300072,China;Tianjin Key Laboratory of Membrane Science and Desalination Technology,Tianjin300072,China)

The evaporator is one of the common heat exchangers, which is widely used in chemical industry and food industryetc. The traditional evaporator with metal tubes is extremely limited in utilization for some reasons that the metal tubes are apt to be corroded by acid or alkali and the serious surface scaling. These problems could be well settled by using excellent performance polymer hollow fibers and good application foreground could be in foresight. In this study, the self-made polymer hollow fibers were used to manipulate the non-metal evaporator and the related evaporation experiments were carried out. The results showed that the performance of the hollow fiber evaporator relied on the thermal conditions of the feed solution. The heat transfer coefficient, the water production and the heat efficiency were better when feed with boiling solution than with low temperature solutions. The heat transfer resistances of fiber walls and the shell side were the main heat transfer resistance. The percentage of the heat transfer resistance with fiber walls can be more than 66% when feed with boiling solution. However, the percentage of heat transfer resistance in the lumen side was as low as 15.3%, and can be lower than 5% when the solution velocity increased. The heat transfer coefficient, the heat efficiency and the water production decreased dramatically when the feed temperature became lower. The results in this study can serve data support for the design and operating parameters optimization of the polymer hollow fiber evaporators, and can promote thefurther researches and applications of polymer hollow fiber evaporators.

hollow fiber evaporator; heat transfer; heat conduction; heat efficiency; evaporation

Prof. LI Bao'an, Libaoan@tju.edu.cn

TQ 015.2

：A

：0438—1157（2017）02—0594—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20160925

2016-07-04收到初稿，2016-09-22收到修改稿。

聯(lián)系人：李保安。

：韓磊（1991—），男，碩士研究生。

天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（12ZCZDSF02200）。

Received date: 2016-07-04.

Foundation item: supported by the Science and Technology of Tianjin (12ZCZDSF02200).