P-RC APMP制浆废水沸腾传热系数的研究

霍晓东 刘秋娟 贾原媛

(天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457)

P-RC APMP制浆废水沸腾传热系数的研究

霍晓东 刘秋娟 贾原媛

(天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457)

研究了P-RC APMP制浆废水的沸腾传热系数，实验在强制循环蒸发器上进行，考察了热通量、流体流速、流体浓度对P-RC APMP制浆废水沸腾传热系数的影响。结果表明，在一定的热通量下，随着流体流速的增加，P-RC APMP制浆废水沸腾传热系数增加;浓度不同，流速对传热系数的影响不同，浓度越大，流速对传热系数的影响越大。

P-RC APMP制浆废水;沸腾传热系数;热通量;流速

目前，CTMP和APMP制浆废水处理工艺技术方法主要有3种：①好氧处理法，如活性污泥法;②包括厌氧和好氧处理在内的二级或三级不同组合综合处理方法;③新近研究开发的燃烧法。许多化机浆厂采用初级和二级生物处理法处理制浆废水。经过沉淀、好氧或厌氧生物等多道工序处理后，制浆废水中BOD5可除去95%以上，处理后的制浆废水对水生生物的危害基本消除［1-5］。但是，由于水资源的日益紧缺以及环境压力的不断增加，制浆废水减量化甚至零排放技术已经开始被现代化浆厂选用，例如芬兰的Joutseno BCTMP厂安装了一套包括1台MVR降膜式蒸发器的Rinheat蒸发系统，磨浆时产生的蒸汽用于再沸器中生产清洁蒸汽，用作蒸发车间的能源，只有少量废水由蒸发器送往处理车间，冷凝水回用于BCTMP制浆厂。加拿大Millar Western Pulp(Meadow Lake)Ltd．实现了封闭循环，全厂的废水经初级处理澄清后，把纤维物质除去，然后送进机械蒸汽再压缩蒸发器 (MVR)，通过三效MVR降膜蒸发器，将废水浓度从2%浓缩至35%，最后继续用两效蒸汽加热的降膜蒸发器增浓至65%，送碱回收炉焚烧［6-7］。太阳纸业股份有限公司化机浆生产线P-RC APMP制浆废水也实现了“零排放”，经过初步过滤，送MVR，废水浓度从2%浓缩至15%，然后与麦草浆黑液混合后进入多效蒸发系统继续浓缩，最后送碱回收炉焚烧。采用燃烧法的废水减量化技术可达到“零排放”，无疑是现代化浆厂发展的一种趋势。

传热系数是反映蒸发器工作状况最重要的参数之一，它是蒸发过程中计算蒸发效率，蒸发强度，蒸发面积，进而计算蒸发能耗和经济效益的重要数据［8-11］。本实验利用自制的强制循环蒸发器测定了P-RC APMP制浆废水的沸腾传热系数，为蒸发燃烧技术在化机浆废水处理中的推广应用提供理论和实验依据。

图1 实验装置流程图

1 实验

1.1 原料

实验所用的P-RC APMP制浆废水取自太阳纸业股份有限公司，分两种废水，一种是P-RC APMP二期制浆车间过滤后送热泵蒸发前的，废水固形物含量为2．22%;另一种是经过热泵蒸发以后的，其固形物含量为12．40%，而浓度为4．83%和7．91%的废水是将上述两种废水混合而得的。

1.2 实验仪器

实验仪器及流程如图1所示，实验段为 Φ37 mm，壁厚1．5 mm，长1200 mm的垂直不锈钢圆管，沿其轴向分布5对铜-康铜热电偶以测量壁温，另外利用两根铜-康铜热电偶测量料液进、出口温度。在一定的电加热功率下，P-RC APMP制浆废水在蒸发管2内沸腾形成气液两相流，液体和沸腾产生的蒸汽进入气液分离器7。分离出的二次蒸汽进入冷凝器8，冷凝液经计量后返回系统循环。

1.3 实验流程与方案

①向系统中加入一定量的P-RC APMP制浆废水。

②开启料液循环泵，调节泵出口阀，使流量计显示到所需的流量。

③开启电加热系统，调节各变压器使蒸发管在一定的加热功率下被均匀加热。

④加热管内液体临近沸腾时打开蒸汽冷凝器冷却水进口阀。

⑤当料液主体温度达到沸点而且显示值达到稳定时，定时采集壁温及主题温度数据，同时测量蒸汽冷凝液量及进出口压力。

⑥按实验计划改变各参数并重复上述步骤。

1.4 主要测量参数

本实验测量的主要参数有：①电炉丝的加热电压Ui，V，加热电流Ii，A;②P-RC APMP制浆废水进出 口 温 度 Tl，in，Tl，out，℃ ; ③ 蒸发管中各个测温点的壁温 Ti，℃;④P-RC APMP制浆废水主体循环量Vl，m3/h;⑤P-RC APMP制浆废水蒸发二次蒸汽冷凝液量 Vg，m3/h;⑥蒸发器进出口压力 Pf，in，Pf，out，MPa。

1.5 沸腾传热系数的计算

(1)热通量的计算

本实验采用如下方法计算热通量［12-14］，计算公式为：

式中：

q——加热管的热通量，W/m2;

AT——加热管的内壁面积，m2。

Qg——单位时间汽化蒸汽所需要的热量，W;

Ql——单位时间废水从进口温度加热到出口温度所需要的热量，W;

msg——产生蒸汽的质量流量，kg/s;

msl——加热管内废水的主体质量流量，kg/s;

Cpl——废水的比热容，J/(kg·K);

rl——废水中的水蒸发时的汽化潜热，J/kg;

AT——加热管的内表面积，m2;

Tl，in——蒸发管废水的进口温度，℃ ;

Tl，out——蒸发管废水的出口温度，℃。

(2)管内流动沸腾传热系数hfbs的计算沸腾传热系数hfbs的计算公式为：

式中：

Tf——蒸发管内废水的平均温度，℃;

Tw——蒸发管的平均内壁温度，℃;

因热电偶嵌在管壁中，其测得的温度并不是蒸发管的内壁温度，因此需做如下修正：

式中：

Ti——蒸发管各个测温点对应的实测温度，℃;

Twi——蒸发管各个测温点对应的内壁温度，℃;

di——蒸发管的内径，m;

do——蒸发管的外径，m;

L——管长，m;

λ——不锈钢的导热系数，W/(m·K)。本实验中取18 W/(m·K)。

2 结果与讨论

固定P-RC APMP制浆废水的浓度以及流量，考察热通量对P-RC APMP制浆废水沸腾传热系数的影响。浓度为2．22%的P-RC APMP制浆废水沸腾传热系数与热通量的关系如图2所示。当热通量在7000～10000 W/m2时，传热系数随着热通量的增大而增大，这是因为随着热通量的增大，加热壁面的温度升高，导致单位面积上汽化核心增多，因此传热系数增大，这个阶段称为核状沸腾阶段。当热通量在10000～12500 W/m2时，传热系数随着热通量的增大而减小，这是因为随着加热壁面温度的升高，单位面积的汽化核心急剧增多，在加热壁面上形成了一层气膜，而热量必须透过这层气膜才可以传给液体，从而导致传热系数下降，这个阶段称为膜状沸腾阶段。当热通量大于12500 W/m2时，传热系数又随着热通量的增大而增大，这是因为随着热通量的增大，加热壁面温度的升高，热辐射的影响已经超过了气膜的影响，因此传热系数又增大，这个阶段也属于膜状沸腾阶段。由核状沸腾转变为膜状沸腾时的温差称为临界温度差，这时的热通量称为临界热通量。

浓度为4．83%的P-RC APMP制浆废水沸腾传热系数与热通量的关系如图3所示。当流速在2．5～3．5 m3/h，热通量在7000～16000 W/m2时，传热系数随着热通量的增大而增大;当热通量大于16000 W/m2时，传热系数随着热通量的增大而减小。当流速为 4．0 ～4．5 m3/h，热通量在 8000 ～10000 W/m2时，传热系数随着热通量的增大而增大;热通量在10000～13000 W/m2时，传热系数随着热通量的增大而减小;当热通量大于13000 W/m2时传热系数又随着热通量的增大而增大，而热通量大于15000 W/m2时传热系数随热通量的增大变化不明显。

图2 2．22%浓度时传热系数与热通量的关系

图3 浓度4．83%时传热系数与热通量的关系

浓度为7．91%的P-RC APMP制浆废水沸腾传热系数与热通量的关系如图4所示。当流速为2．5 m3/h，热通量在6000～16000 W/m2时，传热系数随着热通量的增大而增大。当流速为3．0～3．5 m3/h，热通量在6000～13000 W/m2时，传热系数随着热通量的增大而增大;热通量在13000～16000 W/m2时，流速为3．0 m3/h的传热系数随热通量的增大无明显变化，但流速为3．5 m3/h的传热系数随着热通量的增大而减小。当流速为4．0～4．5 m3/h，热通量在6500～11000 W/m2时，传热系数随着热通量的增大而增大;热通量在11000～16000 W/m2时，传热系数随着热通量的增大略有下降;当热通量大于16000 W/m2时传热系数随着热通量的变化不明显。

图4 浓度7．91%时传热系数与热通量的关系

浓度为12．40%的P-RC APMP制浆废水沸腾传热系数与热通量的关系如图5所示。当流速为2．5 m3/h，热通量在7000～10000 W/m2时，传热系数随着热通量的变化不明显;当热通量在10000～19000 W/m2时，传热系数随着热通量的增大而增大;当热通量大于19000 W/m2时，传热系数随着热通量的增大而减小。当流速为3．0 m3/h，热通量在7000～13000 W/m2时，传热系数随着热通量的变化不明显;热通量在13000～16000 W/m2时，传热系数随着热通量的增大而减小;当热通量大于16000 W/m2时，传热系数随着热通量的增大而略微增大。流速为3．5 m3/h，热通量大于7000 W/m2时，传热系数随着热通量的增大而减小。流速为4．0 m3/h，热通量在7000～10000 W/m2时，传热系数随着热通量的增大而增大;当热通量大于10000 W/m2时，传热系数随着热通量的增大而减小。

图5 浓度12．40%时传热系数与热通量的关系

综合分析图2～图5，可以发现，当流速为2．5～4．5 m3/h，热通量在6000～16000 W/m2时，传热系数随着浓度的增大而增大;另外还可发现，热通量为6000 ～10000 W/m2、废水浓度在2．22% ～12．40%范围内，沸腾传热系数随着废水浓度的增加而增大。在工厂实际生产的多效蒸发系统中，蒸发器的热通量大都在这个范围之内，因此，可通过配浓，适当提高进效废水的浓度，以获得较高的传热系数，提高蒸发传热效率。

3结论

3.1 在一定的热通量下，随着流体流速的增加，P-RC APMP制浆废水沸腾传热系数增加。浓度不同，流速对传热系数的影响不同，浓度越大，流速对传热系数的影响越大。在低热通量的时候，流速对传热系数的影响比较大。

3.2 同样的流速下，浓度不同，P-RC APMP制浆废水的临界热通量不同。当流速为2．5 m3/h时，可看出随着浓度的增大临界热通量增大。当流速为3．0～4．5 m3/h时，随着浓度的增大临界热通量先增大后减小。

3.3 同样的浓度下，流速不同，P-RC APMP制浆废水的临界热通量也不同。当浓度为2．22%时，不同流速下的临界热通量几乎相同;当浓度为4．83% ～7．91%时，随着流速的增加，临界热通量减小。

3.4 当流速为2．5～4．5 m3/h，热通量在 6000～16000 W/m2时，传热系数随着浓度的增大而增大。因为工厂中多效蒸发系统中蒸发器的热通量大都在这个范围之内，因此可以通过配浓将P-RC APMP制浆废水调配成合适的浓度再进入蒸发系统以获得较高的传热系数。

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(责任编辑：马 忻)

Study on Boiling Heat Transfer Coefficient of P-RC APMP Waste Water

HUO Xiao-dong LIU Qiu-juan*JIA Yuan-yuan
(Tianjin Key Lab of Pulp and Paper，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin，300457)
(*E-mail：liuqiujuan@tust．edu．cn)

The boiling heat transfer coefficient of P-RC APMP waste water was studied in this paper．The experiment was carried out using the forced circulation evaporator．The influence of heat flux，velocity of flow and the solid content of the waste water on boiling heat transfer coefficient was investigated．The results showed that under a certain heat flux，the boiling heat transfer coefficient of P-RC APMP waste water increases as the velocity of flow increases．The influence of flow velocity on the boiling heat transfer coefficient varies with the solid content of P-RC APMP waste water，it becomes greater as the solid content increases．

P-RC APMP waste water;boiling heat transfer coefficient;heat flux;flow velocity

TQ021．3

A

0254-508X(2011)03-0025-04

霍晓东先生，在读硕士研究生;主要研究方向：清洁制浆。

2010-11-16(修改稿)

国家“十一五”科技支撑计划项目 (2006BAD32B07)。