高立博 鄭志皋 陶樂仁 薛維超 黃理浩 劉 榮 成 簡
(上海理工大學 上海 200093)
板式升膜蒸發(fā)器是一種高效蒸發(fā)設備,被蒸發(fā)溶液在蒸發(fā)器內受熱沸騰后迅速汽化,蒸氣會帶動料液上升,沿換熱壁面形成液膜,使液體呈液膜狀流過受熱表面,加快蒸發(fā)汽化,從而縮短了加熱的停留時間,強化了蒸發(fā)效果,具有傳熱系數(shù)高、蒸發(fā)強度大和接觸時間短等優(yōu)點。
多年來,很多學者對板式升膜蒸發(fā)器的傳熱性能進行了很多實驗研究[1-3],認為蒸發(fā)器內的液位、溫差、蒸發(fā)壓力、加熱蒸氣的流量是影響傳熱性能的最主要因素。但是由于實驗條件和測試手段不一致,導致一些操作因素對換熱性能影響的結論有所差異。王迪[4]和朱紅[5]等曾對液位和溫差對豎管升膜蒸發(fā)傳熱性能的影響進行了分析和研究。本文采用一塊面積為0.21 m2的板式換熱器(換熱器的高度為H),建立了一個板式升膜蒸發(fā)器的試驗臺,針對換熱溫差△t(加熱蒸氣溫度和蒸發(fā)溫度之差)、蒸發(fā)器液位h、不同加熱蒸氣的流量Q對板式升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的影響進行了實驗研究。
實驗流程如圖1所示。以自來水為蒸發(fā)介質,由加熱水箱加熱到一定溫度后,由離心泵8送至板式換熱器2進行升膜蒸發(fā),產(chǎn)生的水蒸氣進入冷凝器3進行冷凝,冷凝水排入冷凝水箱。鍋爐1產(chǎn)生的2 K蒸氣經(jīng)蒸氣流量計進入板式換熱器2,冷凝后由出口7排出。實驗的數(shù)據(jù)由專門的數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)進行采集和存儲。
圖1 試驗系統(tǒng)原理圖
針對液位的影響,實驗分別對1/4液位(即水的液位是板式換熱器高度H的1/4)、1/3液位、1/2液位、2/3液位進行了研究。對溫差的影響,實驗對5、10、15、20℃溫差進行了研究。針對不同加熱蒸氣的流量的影響,實驗對3、5、7、9 kg/h進行了研究。
本實驗主要是計算出不同因素影響下板式升膜蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)。查閱文獻得到計算升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的計算公式[6-7]
式中:q″為換熱器的換熱量,kJ;x為出口干度;Dh為定性尺寸,m;G為水的質量流量,kg/s。
本式中出口干度X是用間接方法測量后計算出來的,測量方法的原理為:分別將待測飽和蒸汽和冷卻水引入一個水冷冷凝器。在換熱器內,冷卻水與待測飽和蒸汽充分換熱,使飽和蒸汽相變降溫為凝結水,冷卻水被飽和蒸汽加熱后溫度升高。在一個短暫的計量時間周期內,通過測量冷卻水在換熱器的吸熱量、凝結水溫和凝結水量,建立如下的換熱器能量平衡方程[8-9]:
式中:Q為冷卻水在換熱器中的吸熱量,kJ;m為凝結水量,kg;x為待測飽和蒸汽的干度;hv(p2)為壓力p2下的干飽和蒸汽比焓,kJ/kg;hw(p2)為壓力p2下的干飽和水比焓,kJ/kg;h5(T5)為溫度為T5下的凝結水比焓,kJ/kg;p2為待測飽和蒸汽的飽和壓力,MPa;T5為凝結水溫度,K。
圖2為同蒸發(fā)壓力(101.325 kPa)下、h=1/3 H、蒸汽流量Q=7 kg/h時溫差對升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的影響。
圖2 溫差對升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的影響Fig.2 Influence of rising film evaporation heat transfer coefficient by temperature difference
由圖2可知,溫差越大,換熱效果越好,熱流密度也迅速增大,換熱量也會迅速上升,從而使液膜的溫度有所升高,液膜的溫度升高使介質的粘度和表面張力減小,有利于對流傳熱;另一方面,換熱量的增加,使蒸發(fā)側產(chǎn)生的蒸汽量增多,液膜湍流程度增強,又強化了對流傳熱。但是,在給料水流量不變和其它條件不變的情況下,隨著溫差的進一步增大,沸騰變得劇烈,很容易發(fā)生“蒸干”現(xiàn)象,反而會惡化換熱效果。
在升膜蒸發(fā)時,液位的高度對傳熱效果也有較大的影響。圖 3為蒸發(fā)壓力為 101.325 kPa、△t=15℃、蒸汽流量Q=7 kg/h時不同液位對升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的影響。
圖3 液位變化對升膜蒸發(fā)換熱系數(shù)的影響Fig.3 Influence of rising film evaporation heat transfer coefficient by level difference
由圖3可以看出,液位越低越有利于換熱。這是因為,在升膜蒸發(fā)過程中,液膜的形成是靠蒸汽向上流動形成的拉力作用產(chǎn)生的。液位越低,可供形成薄液膜的面積越大,越有利于形成較薄的液膜。板壁的大部分被較薄的液膜覆蓋時,是升膜蒸發(fā)的理想狀態(tài),此時具有很好的換熱效果。液位太高,液體沸騰時來不及形成液膜或者形成的液膜太厚,就排出了換熱器,造成傳熱系數(shù)降低;但是,液位太低則容易產(chǎn)生“蒸干”現(xiàn)象,不利于換熱,也容易損壞蒸發(fā)設備。因此,在保證不被蒸干的前提下,應該盡量降低給料水的液位。
圖4為蒸發(fā)壓力 101.325 kPa、△t=15 ℃、h=1/3 H下不同的加熱蒸汽流量對升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的影響。
圖4 加熱蒸汽流量對升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的影響Fig.4 Influence of rising film evaporation heat transfer coefficient by heating steam flow rate
由圖4可知,蒸汽流量越大,會使整個換熱器熱通量增大,蒸發(fā)側的給料水蒸發(fā)速度會迅速增加,產(chǎn)生大量的蒸汽,使得蒸發(fā)壓力升高,導致液膜飽和溫度升高,液體運動粘度下降,使得液膜流動擾動加劇,同時液體的導熱系數(shù)隨著溫度升高而增大,二者均有利于膜側換熱,從而增加升膜蒸發(fā)的傳熱系數(shù)。
對影響板式升膜蒸發(fā)器換熱系數(shù)的因素展開了研究,得到了如下結論:
(1)隨著液位的升高,升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)會逐步降低,但是液位也不能過低,防止發(fā)生“蒸干”現(xiàn)象,導致傳熱系數(shù)下降。
(2)在其它條件不變的情況下,溫差越大,升膜蒸發(fā)傳熱效果越好,傳熱系數(shù)越大,但是溫差也不能太大,防止沸騰過于劇烈,發(fā)生“蒸干”現(xiàn)象,導致?lián)Q熱情況惡化,造成傳熱系數(shù)降低。
(3)隨著蒸汽流量的加大,會使整個傳熱量增加,導致液膜飽和溫度升高液體運動粘度下降,使得液膜流動擾動加劇,從而使換熱系數(shù)增大。
1 薛蕙芳,張懷清.升膜蒸發(fā)器內的兩相流傳熱研究[J].沈陽化工學院學報,1992,6(1):51-53.
2 譚天恩,麥本熙,丁惠華.化工原理上冊[M].北京:化學工業(yè)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.升膜蒸發(fā)海水淡化裝置傳熱特性研究[D].大連:大連理工大學,2007.
5 朱 紅.海水淡化升膜蒸發(fā)傳熱過程實驗研究[D].大連:大連理工大學,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,霍文達.飽和蒸汽干度的實用測量方法與裝置[J].煤氣與熱力,2008,28(10):33-35.
9 李世武,康 芹.凝結式飽和蒸汽干度測量方法與應用研究[J].化工學報,2007,58(10):74-77.