薄膜蒸發(fā)器傳熱蒸發(fā)性能的實(shí)驗研究

薄膜蒸發(fā)器由于其刮板的機械刮擦成膜作用,使處理的物料在蒸發(fā)表面停留時(shí)間短而受熱效果好,適用于蒸發(fā)濃縮高粘性、熱敏性或易結晶物料,已經(jīng)廣泛應用于化工、醫療、食品及輕工等行業(yè)1-3)。國內外對薄膜蒸發(fā)器的傳熱系數和蒸發(fā)效率進(jìn)行了大量的實(shí)驗室研究,但由于蒸發(fā)傳熱及刮板刮擦成膜的復雜性,用于蒸發(fā)設計計算的液膜側傳熱系數主要是液膜受熱的數據。對蒸發(fā)器的蒸發(fā)實(shí)驗多以水為介質(zhì),有關(guān)粘性料液的傳熱數據則報道較少。筆者通過(guò)數值模擬分析表明,薄膜蒸發(fā)器內粘性料液和純物質(zhì)水的速度分布存在差異，粘性料液薄膜內尚沒(méi)有形成明顯的傳遞邊界。對高粘度料液而言,基于堿液蒸發(fā)濃縮開(kāi)發(fā)的機械攪拌式薄膜蒸發(fā)器結構從動(dòng)量和熱量傳遞角度而言,尚有進(jìn)一步優(yōu)化設計的余地。
本文在自行研制的F=0.4㎡薄膜蒸發(fā)器實(shí)驗測試裝置的基礎上,通過(guò)改變薄膜蒸發(fā)器的操作參數對純物質(zhì)水及燒堿溶液進(jìn)行傳熱蒸發(fā)實(shí)驗,進(jìn)一步探討各工藝操作參數及料液粘性對傳熱蒸發(fā)性能的影響,與數值模擬結果進(jìn)行比較,從而為薄膜蒸發(fā)器設備從結構和操作工藝上進(jìn)行優(yōu)化奠定基礎。
1實(shí)驗流程設計
自行研制的0.4m2薄膜蒸發(fā)器實(shí)驗裝置的工藝流程如圖1所示。該系統由加料釜.真空機組、蒸發(fā)裝置、電加熱爐、二次蒸汽冷凝器及監測裝置幾個(gè)部分組成。開(kāi)啟真空和加熱系統后,導熱油由電加熱爐加熱,導熱油進(jìn)人加料釜加熱物料,經(jīng)過(guò)預熱的物料由加料釜經(jīng)由轉子流量計進(jìn)人蒸發(fā)器,物料經(jīng)濃縮后由蒸發(fā)器底部排出,進(jìn)入接受罐;二次蒸汽由.上部出口被抽出,進(jìn)入冷凝器,經(jīng)緩沖罐進(jìn)一步捕集可凝性蒸汽后,少量殘余氣體進(jìn)人真空泵。
2介質(zhì)水的加熱蒸發(fā)實(shí)驗與分析
2.1 實(shí)驗方案
以水為實(shí)驗介質(zhì),考察在不同系統真空度導熱油溫度、進(jìn)料量、進(jìn)料溫度和轉子轉速等5個(gè)參量下總傳熱系數K和蒸發(fā)強度EI的變化規律,為進(jìn)一步研究薄膜蒸發(fā)器傳熱機理奠定基礎。
各參量按以下選取:導熱油溫度90、 120、 150C
系統真空度70.7、 85.6、 91. 7kPa
進(jìn)料溫度25、 45、65C
進(jìn)料量17.5、 42、70L/h
轉子轉速
214、259、306r/min
2.2實(shí)驗結果與分析
2.2.1導 熱油溫度的影響
圖2.3分別給出了轉子轉速為306r/min、進(jìn)料溫度為40 ~45心、真空度91. 7kPa時(shí),不同導熱油溫度下總傳熱系數K和蒸發(fā)強度EI與進(jìn)料量的變化規律。由圖2、3可以看出,在本文實(shí)驗參數范圍內,總傳熱系數K和蒸發(fā)強度EI均隨導熱油溫度的升高而增大。這是由于導熱油溫度升高,雖溫差AT增大,總傳熱量Q也增大,但Q增大的影響超過(guò)了AT增大的影響,因而總的效果是導熱油溫度升高時(shí)K增大。
2.2.2
系統真空度的影響
圖4、5分別給出了轉子轉速為306r/min、進(jìn)料溫度為40~45C、導熱油溫度120C左右時(shí),不同真空度下總傳熱系數K和蒸發(fā)強度EI與進(jìn)料量的變化規律。由圖4、5可以看出,總的來(lái)說(shuō),K和EI均隨真空度的升高而增大。與導熱油溫度升高時(shí)類(lèi)似,真空度升高,溫差AT增大,總傳熱量Q也增大,Q增大的影響超過(guò)了OT增大的影響,故總的效果是真空度升高時(shí)K增大。
2.2.3轉子轉速的影響
圖6.7分別給出了進(jìn)料溫度為22C、導熱油溫度120C左右、真空度70. 7kPa時(shí),不同轉子轉速下總傳熱系數K和蒸發(fā)強度EI與進(jìn)料量的變化規律。由圖6、7 可以看出,總傳熱系數K和蒸發(fā)強度EI均隨轉子轉速的提高而增加,高轉速能有效地促進(jìn)圈形波與薄膜之間物質(zhì)熱量的交換，加強湍流程度，提高薄膜蒸發(fā)器傳熱和傳質(zhì)性能。
進(jìn)一步分析發(fā)現，在轉速增大的整個(gè)范圍內,K增大的幅度不同:低轉速時(shí),增大轉速,K和EI隨轉速的增大而增大的幅度較明顯;而當轉速較高時(shí),增大轉速,K和EI增大的趨勢較小,這與文獻[6]中的變化趨勢一致。由圖6.7可知,當進(jìn)料量為70L/h時(shí),轉速259r/min與306r/min時(shí)的對應的K值以及EI值各自接近相等，由于本實(shí)驗條件的限制,變頻調速電機轉速高只能調至306r/min,可以預計，隨著(zhù)轉速的進(jìn)- -步增大,K將出現文獻[8]所示的下降趨勢。在實(shí)際生產(chǎn)中,應合理設置轉速使之既能提高傳熱性能,又能減少因高轉速帶來(lái)的高動(dòng)力消耗。
2.2.4進(jìn)料溫度 的影響圖8、9分別給出了轉子轉速306r/min、導熱油溫度120C左右,真空度70. 7kPa時(shí),不同進(jìn)料溫度下總傳熱系數K和蒸發(fā)強度EI與進(jìn)料量的變化規律。物料在接近沸點(diǎn)進(jìn)料能佳利用傳熱面積。由圖8、9可以看出，隨著(zhù)進(jìn)料溫度的升高，薄膜蒸發(fā)器內總傳熱系數K和蒸發(fā)強度EI都明顯增大。