板式升膜蒸发器蒸发换热特性的实验研究

高立博 郑志皋 陶乐仁 薛维超 黄理浩 刘 荣 成 简

(上海理工大学 上海 200093)

1 引言

板式升膜蒸发器是一种高效蒸发设备，被蒸发溶液在蒸发器内受热沸腾后迅速汽化，蒸气会带动料液上升，沿换热壁面形成液膜，使液体呈液膜状流过受热表面，加快蒸发汽化，从而缩短了加热的停留时间，强化了蒸发效果，具有传热系数高、蒸发强度大和接触时间短等优点。

多年来，很多学者对板式升膜蒸发器的传热性能进行了很多实验研究［1-3］，认为蒸发器内的液位、温差、蒸发压力、加热蒸气的流量是影响传热性能的最主要因素。但是由于实验条件和测试手段不一致，导致一些操作因素对换热性能影响的结论有所差异。王迪［4］和朱红［5］等曾对液位和温差对竖管升膜蒸发传热性能的影响进行了分析和研究。本文采用一块面积为0.21 m2的板式换热器(换热器的高度为H)，建立了一个板式升膜蒸发器的试验台，针对换热温差△t(加热蒸气温度和蒸发温度之差)、蒸发器液位h、不同加热蒸气的流量Q对板式升膜蒸发传热系数的影响进行了实验研究。

2 实验

2.1 实验装置及流程

实验流程如图1所示。以自来水为蒸发介质，由加热水箱加热到一定温度后，由离心泵8送至板式换热器2进行升膜蒸发，产生的水蒸气进入冷凝器3进行冷凝，冷凝水排入冷凝水箱。锅炉1产生的2 K蒸气经蒸气流量计进入板式换热器2，冷凝后由出口7排出。实验的数据由专门的数据采集存储系统进行采集和存储。

图1 试验系统原理图

2.2 实验方案

针对液位的影响，实验分别对1/4液位(即水的液位是板式换热器高度H的1/4)、1/3液位、1/2液位、2/3液位进行了研究。对温差的影响，实验对5、10、15、20℃温差进行了研究。针对不同加热蒸气的流量的影响，实验对3、5、7、9 kg/h进行了研究。

3 实验数据处理

本实验主要是计算出不同因素影响下板式升膜蒸发器的传热系数。查阅文献得到计算升膜蒸发传热系数的计算公式［6-7］

式中:q″为换热器的换热量，kJ;x为出口干度;Dh为定性尺寸，m;G为水的质量流量，kg/s。

本式中出口干度X是用间接方法测量后计算出来的，测量方法的原理为:分别将待测饱和蒸汽和冷却水引入一个水冷冷凝器。在换热器内，冷却水与待测饱和蒸汽充分换热，使饱和蒸汽相变降温为凝结水，冷却水被饱和蒸汽加热后温度升高。在一个短暂的计量时间周期内，通过测量冷却水在换热器的吸热量、凝结水温和凝结水量，建立如下的换热器能量平衡方程［8-9］:

式中:Q为冷却水在换热器中的吸热量，kJ;m为凝结水量，kg;x为待测饱和蒸汽的干度;hv(p2)为压力p2下的干饱和蒸汽比焓，kJ/kg;hw(p2)为压力p2下的干饱和水比焓，kJ/kg;h5(T5)为温度为T5下的凝结水比焓，kJ/kg;p2为待测饱和蒸汽的饱和压力，MPa;T5为凝结水温度，K。

4 实验结果与分析

4.1 温差对升膜蒸发传热系数的影响

图2为同蒸发压力(101.325 kPa)下、h=1/3 H、蒸汽流量Q=7 kg/h时温差对升膜蒸发传热系数的影响。

图2 温差对升膜蒸发传热系数的影响Fig.2 Influence of rising film evaporation heat transfer coefficient by temperature difference

由图2可知，温差越大，换热效果越好，热流密度也迅速增大，换热量也会迅速上升，从而使液膜的温度有所升高，液膜的温度升高使介质的粘度和表面张力减小，有利于对流传热;另一方面，换热量的增加，使蒸发侧产生的蒸汽量增多，液膜湍流程度增强，又强化了对流传热。但是，在给料水流量不变和其它条件不变的情况下，随着温差的进一步增大，沸腾变得剧烈，很容易发生“蒸干”现象，反而会恶化换热效果。

4.2 液位对升膜蒸发传热系数的影响

在升膜蒸发时，液位的高度对传热效果也有较大的影响。图 3为蒸发压力为 101.325 kPa、△t=15℃、蒸汽流量Q=7 kg/h时不同液位对升膜蒸发传热系数的影响。

图3 液位变化对升膜蒸发换热系数的影响Fig.3 Influence of rising film evaporation heat transfer coefficient by level difference

由图3可以看出，液位越低越有利于换热。这是因为，在升膜蒸发过程中，液膜的形成是靠蒸汽向上流动形成的拉力作用产生的。液位越低，可供形成薄液膜的面积越大，越有利于形成较薄的液膜。板壁的大部分被较薄的液膜覆盖时，是升膜蒸发的理想状态，此时具有很好的换热效果。液位太高，液体沸腾时来不及形成液膜或者形成的液膜太厚，就排出了换热器，造成传热系数降低;但是，液位太低则容易产生“蒸干”现象，不利于换热，也容易损坏蒸发设备。因此，在保证不被蒸干的前提下，应该尽量降低给料水的液位。

4.3 加热蒸汽流量对升膜蒸发传热系数的影响

图4为蒸发压力 101.325 kPa、△t=15 ℃、h=1/3 H下不同的加热蒸汽流量对升膜蒸发传热系数的影响。

图4 加热蒸汽流量对升膜蒸发传热系数的影响Fig.4 Influence of rising film evaporation heat transfer coefficient by heating steam flow rate

由图4可知，蒸汽流量越大，会使整个换热器热通量增大，蒸发侧的给料水蒸发速度会迅速增加，产生大量的蒸汽，使得蒸发压力升高，导致液膜饱和温度升高，液体运动粘度下降，使得液膜流动扰动加剧，同时液体的导热系数随着温度升高而增大，二者均有利于膜侧换热，从而增加升膜蒸发的传热系数。

5 结论

对影响板式升膜蒸发器换热系数的因素展开了研究，得到了如下结论:

(1)随着液位的升高，升膜蒸发传热系数会逐步降低，但是液位也不能过低，防止发生“蒸干”现象，导致传热系数下降。

(2)在其它条件不变的情况下，温差越大，升膜蒸发传热效果越好，传热系数越大，但是温差也不能太大，防止沸腾过于剧烈，发生“蒸干”现象，导致换热情况恶化，造成传热系数降低。

(3)随着蒸汽流量的加大，会使整个传热量增加，导致液膜饱和温度升高液体运动粘度下降，使得液膜流动扰动加剧，从而使换热系数增大。

1 薛蕙芳，张怀清.升膜蒸发器内的两相流传热研究［J］.沈阳化工学院学报，1992，6(1):51-53.

2 谭天恩，麦本熙，丁惠华.化工原理上册［M］.北京:化学工业出版社.

3 Thonon B，Vidil R，Marvillet C.Recent research and developments in plate heat exchangers［J］.Journal of Enhanced Heat Transfer，1995(2):149-155.

4 王 迪.升膜蒸发海水淡化装置传热特性研究［D］.大连:大连理工大学，2007.

5 朱 红.海水淡化升膜蒸发传热过程实验研究［D］.大连:大连理工大学，2007.

6 Yan Y Y.Evaporation Heat Transfer and Pressure Drop of Refrigerant R-134a in a Plate Heat Exchanger［J］.Transactions of the ASME.1999，121(l)，118-127.

7 Wang Zhongzheng，Zhao Zhennan.Analysis of performance of steam condensation heat transfer and pressure drop in plate condensers.Heat Transfer Engineering，1993，14(4):32-41.

8 李世武，霍文达.饱和蒸汽干度的实用测量方法与装置［J］.煤气与热力，2008，28(10):33-35.

9 李世武，康 芹.凝结式饱和蒸汽干度测量方法与应用研究［J］.化工学报，2007，58(10):74-77.