蔡國齊 楊 紅，2 何 垚 雷 鵬 雷文力

（1.武漢工程大學機電工程學院；2.化工裝備強化與本質(zhì)安全湖北省重點實驗室；3.深圳市純水一號水處理科技有限公司）

降膜蒸發(fā)器具有蒸發(fā)速率快、 加熱溫差低、物料停留時間短及傳熱系數(shù)高等特點， 在化工、冶金、電力、廢水處理及食品等領(lǐng)域應用廣泛，而其中豎直管降膜蒸發(fā)器的使用范圍最廣［1～4］。 布液成膜裝置是降膜蒸發(fā)器實現(xiàn)液膜均勻分布的核心部件，它與蒸發(fā)器的連續(xù)成膜、傳熱性能及操作穩(wěn)定性等有著密切關(guān)系［5，6］。 在降膜布液裝置流體流動特性與管內(nèi)流體成膜機理的研究中，數(shù) 值 模 擬 技 術(shù) 得 到 了 越 來 越 廣 泛 的 應 用［7，8］，但降膜布液與液膜形成是一個復雜的過程，單純的數(shù)值模擬存在較大的不確定性，仍需要進行實驗驗證。降膜管的布液實驗是研究降膜蒸發(fā)器布液性能的重要組成部分，采用有機玻璃材料制造降膜管可方便觀察液膜的成膜效果和流動狀況，探究在布液器下的成膜機理，對于新型布液裝置的研發(fā)具有重要價值，對于蒸發(fā)器的優(yōu)化設計有著重要作用。 目前，降膜布液研究大多著眼于單根管的布液和液膜的成膜效果，但是影響液膜成膜效果的因素眾多，單根管的模擬和實驗很難準確地對多管條件下的料液分配與成膜情況作出預測。

考慮到研究工作的實際需要，筆者基于管束環(huán)境下的降膜布液過程， 針對常用的布液板、錐形插件布液器，設計了一套降膜布液實驗系統(tǒng)。

1 實驗系統(tǒng)總體方案

圖1 為降膜布液實驗系統(tǒng)架構(gòu)示意圖，系統(tǒng)主體主要由臺架、 水箱及降膜裝置等部件構(gòu)成，管路循環(huán)部分由循環(huán)泵、調(diào)節(jié)閥、過濾器、噴嘴接頭及流量計等構(gòu)成。 流量調(diào)節(jié)由變頻器控制循環(huán)泵實現(xiàn)， 考慮到實驗臺的通用性和可擴展性，循環(huán)泵選用高揚程的多級離心泵；噴嘴接頭采用萬能接頭設計，可更換不同型式、不同口徑的噴嘴；管路主要接頭采用卡箍式快裝接頭和金屬軟管連接，便于拆卸和擴展。

2 降膜布液裝置設計

根據(jù)實驗要求，降膜布液裝置需能直觀地觀察介質(zhì)的流動過程，便于更換布液裝置的關(guān)鍵部件，能靈活控制特定工藝參數(shù)，能滿足降膜管垂直度的精度要求以及對流量的準確控制和計量。針對上述要求，降膜布液裝置設計方案如下：

a. 布液器結(jié)構(gòu)型式。 布液板、錐形插件是目前工業(yè)上使用較多的布液器結(jié)構(gòu)，采用單層布液板、單層布液板加錐形插件兩種結(jié)構(gòu)的布液裝置進行對比實驗。

b. 管束材料和排列方式?？紤]到裝置內(nèi)流體的可觀察性， 選用透明有機玻璃管 （規(guī)格為φ38mm×2mm）作為降膜管。 在多管排列中，采用正三角形排列方式， 同時選取簡化模型， 即由7根管組成的最小排列單元。

圖1 降膜布液實驗系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

c. 循環(huán)介質(zhì)和流量控制。 實驗介質(zhì)為水，介質(zhì)清潔，物性穩(wěn)定，可循環(huán)使用。 選用流量調(diào)節(jié)范圍為0～10m3/h 的變頻泵來精確調(diào)節(jié)實驗流量。

d. 降膜裝置關(guān)鍵部件連接。 為了便于拆卸更換，布液盤、插件等部件通過活連接安裝在裝置上；安裝于管束中的布液盤短節(jié)內(nèi)套由調(diào)節(jié)螺栓連接，布液盤的高度可由螺栓上的調(diào)節(jié)螺栓進行調(diào)節(jié)；放于降膜管下的液體收集器可對布液的均勻性作出評價；設置上、下兩管板用于保證降膜管對垂直度的要求。

圖2 為降膜布液裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 降膜布液裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 主要零部件設計

3.1 布液裝置

布液裝置包括布液板、筒節(jié)和法蘭，它們粘接固定在一起，如圖3 所示。 布液板以其下方降膜管的布管位置為依據(jù)，沿降膜管孔周邊布置布液孔，以保證每個降膜管周邊近似均布3 個布液孔，布液板布孔狀況如圖4 所示。 布液板設有臺階狀外緣，可與筒節(jié)嵌套，以保證布液板和筒節(jié)的垂直度。

圖3 布液裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 布液板布孔狀況示意圖

3.2 插件組件

本實驗采用常用的錐形插件， 其結(jié)構(gòu)如圖5所示。 文獻［9］研究了不同流速對液膜厚度的影響， 發(fā)現(xiàn)插件下端與降膜管內(nèi)徑之間的間隙取1mm 為宜。 為方便固定安裝，設計了支撐瓦結(jié)構(gòu)（圖6），支撐瓦與插件通過沉頭螺釘連接，以保證插件組件結(jié)構(gòu)牢固。 實驗用插件組件用3D 打印生成，可直接擱置嵌入在降膜管口，方便后續(xù)安裝更換。

圖5 錐形插件結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 支撐瓦結(jié)構(gòu)示意圖

4 實驗系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

設計的降膜布液實驗系統(tǒng)整體效果如圖7所示。 降膜布液裝置主體與降膜換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致，上端為介質(zhì)入口，用噴淋裝置均勻進料，下端為介質(zhì)出口， 可設置液體收集器收集液體，用于評價多根管的流量均勻性。 對于影響實驗效果的因素可通過更換布液盤和布液插件、物料的流量控制以及布液盤的高度調(diào)節(jié)等組合方式來進行控制，并以此為依據(jù)對降膜布液實驗系統(tǒng)的工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

圖7 降膜布液實驗系統(tǒng)整體效果

5 結(jié)束語

實驗是指導實際應用的必要手段，通過本實驗裝置的實驗驗證可以對理論研究進行很好的補充。 通過反復實驗可以對理論研究進行調(diào)整從而提高理論研究的準確度，這對理論研究指導實際應用具有重大意義。 對于實際應用中的常見工況條件，通過采用布液盤和布液插件、物料的流量控制以及布液盤的高度調(diào)節(jié)等組合方式來進行控制調(diào)整，從而實現(xiàn)對復雜條件下實際運用的指導。