影響降膜蒸發(fā)器傳熱的因素

1、影響降膜蒸發(fā)器傳熱的因素H. CHEN and R. S. JEBSON（同事）（食品技術系梅西大學北帕默斯頓新西蘭）一臺試驗性規(guī)模的單管降膜蒸發(fā)器（2米長的加熱管）是用于獲得對這種類型蒸發(fā)器 蒸發(fā)機理的一些認識，從商業(yè)牛奶蒸發(fā)器上獲得的結果被用來選擇試驗性蒸發(fā)器的操作條 件。這項研究用牛頓學說的液體進行：水和糖的方案。總的傳熱系數(shù)主要受液體蒸發(fā)和蒸 汽冷凝之間的溫差，蒸發(fā)溫度，灌溉密度，液體粘度，加熱管長，但是普朗特數(shù)也是標志。 關鍵詞：蒸發(fā)；降膜；傳熱系數(shù)；雷諾數(shù)；普朗特數(shù)引言降膜蒸發(fā)器在食品工業(yè)得到了廣泛的應用正像他們的特點一樣，由于具有在較低溫度 下高的傳熱系數(shù)和停留時間比較短，意味著

2、他們可以處理熱敏感材料。在很大程度上滿足 了現(xiàn)在食品工業(yè)的需求，比如大的生產(chǎn)量，經(jīng)濟運行，可靠性操作的可能性，以及盡可能 的單通處理。他們是乳品行業(yè)的標志性蒸發(fā)器。據(jù)計算，在新西蘭總能量的1%消耗在了蒸發(fā)過程。在奶粉的生產(chǎn)過程中，蒸發(fā)過程需 要50%的能量消耗，因此，人們希望了解降膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)機制以至于工廠可以最大容量 最大效率的使用蒸發(fā)器。盡管降膜蒸發(fā)在工業(yè)中的重要性，但是它在有精確細節(jié)描述的文 獻中記載卻比較少，特別是在牛奶的蒸發(fā)過程中。因此，試驗性的單管降膜蒸發(fā)器被開發(fā) 來研究它的熱傳遞。從商業(yè)牛奶蒸發(fā)器和與之相關的文獻得到的結果來看，對降膜蒸發(fā)器獨立參數(shù)有重大 影響的參數(shù)有：蒸發(fā)過程

3、所處的溫度；蒸發(fā)溫度和蒸汽冷凝溫度之間的差異；液體的進料速率；液體的進料溫度；蒸發(fā)器中的液體濃度；換熱管長度；換熱管的直徑；換熱管的特點：金屬類型，壁厚，管子的處理方式。在上述的影響因素中，溫差，蒸發(fā)溫度，液體的流速，換熱管長度被選為研究對象。 實驗條件是在乳品廠的工業(yè)性試驗得到的結果的基礎上被選擇的。雖然牛奶在蒸發(fā)器上被 廣泛的用作原料，但是不使用牛奶，理由如下：因為牛奶的成分，因此它的物理屬性每一天都有所不同；一旦牛奶甚至有點略為濃縮，隨著時間會越來越濃厚，即它的粘度隨時間的增加而增加， 而且它增加的速度隨著溫度和濃度的增加而增加；加熱表面會被牛奶的成分弄臟；因此，用自來水和糖的解決方案能

4、使得原料的成分以及便利相一致而不是使用牛奶。雖然一些關于商業(yè)蒸發(fā)器的研究發(fā)現(xiàn)了某些變量之間的相互作用，但這項研究決定把 注意力集中在主要影響因素的研究這一方面。實驗設備試驗型規(guī)模的單一不銹鋼管降膜蒸發(fā)器，其原理圖如圖1，是被應用的。加熱管為外 徑為32毫米，壁厚為1.6毫米，長度為2米，內徑為73毫米的2米長的蒸汽護套管。它 從外徑為20毫米，長為0.75米的同軸插入式管子（料管）進料。由于這種進料管高度是 可調的，所以加熱管的供熱面積是多種多樣的。進入該管的料液直接噴灑到蒸發(fā)管的管壁 上。這就使得在管子上流動的液體的流動模式應該被迅速的建立而不是讓它發(fā)生在商業(yè)蒸 發(fā)器的分布系統(tǒng)上。CHEN

5、和 JEBSON圖1：單管降膜蒸發(fā)器示意圖。（1）料液儲罐（2）進給泵（3）轉子流量計（4）預熱器（5）水汽混合器（6）壓力調節(jié)器（7）蒸汽調節(jié)器（8）溫度計（9）進料管（10）配對管（11）蒸汽夾套（12）蒸汽 特拉珀（13）離心泵（14）集中容器（15）冷凝器（16）冷凝泵（17）冷凝容器（18）真空機組.熱偶 探頭的位置。被蒸發(fā)的液體由一可變的高速泵通過Spiraflo型熱交換器，在那里液體被加熱到蒸 發(fā)溫度，然后再進入進料管。很短的蒸發(fā)管被使用是很重要的。那些沒有被蒸發(fā)的液體和 水蒸汽一起直接的被送入蒸汽室的底部，之后液體將會被抽出。然后蒸汽通過有一定角度 的槽型分離器和成螺旋狀的板式

6、冷凝器，冷凝水從那里被離心泵抽出。蒸汽壓力通過自動 調節(jié)閥的各種調節(jié)方式來調節(jié)。蒸汽冷凝水從加熱管的外部流下，并通過來自蒸汽夾套底 部的噴射器移除。有噴射器提供真空，并可以通過非壓縮路線上的放氣旋塞來手動調節(jié)。 一個浮子流量計用來測量料液流量，用連有錄像機的鐵/康銅熱電偶探頭（J型）測量溫度。 用熱電偶探針在九個不同的點進行監(jiān)測如圖1所示。用真空計和蒸汽壓力表測量的油氣管 線和蒸汽線壓力也分別顯示于圖一。步驟為了找到影響傳熱系數(shù)的個別變量，每次測試都只有一個參數(shù)不相同，而其他參數(shù)不變下面給出了一個典型的程序：蒸汽溫度，蒸發(fā)溫度，進料流速，進料溫度和加熱管長度被設定在預期值；幾分鐘后，當達到一個

7、穩(wěn)定的狀態(tài)，水汽凝結水的流速用秒表來測量;所有的溫度在運行中測量； 所用的實驗變量的范圍都顯示在表1?？偟膫鳠嵯禂?shù)計算使用公式1：(1)(2)j址 AKT對于一個下降液膜雷諾數(shù)定義為:平均雷諾數(shù)（加熱管頂部和底部的雷諾數(shù)平均值）被用于數(shù)據(jù)分析。表1：實驗變量的范圍范圍變量流量(kg/s)0.00,667，0.010,0.0133,0.0167,0.020,0.0233蒸發(fā)溫度（C）50, 60, 70, 80, 90換熱管長度（m）1.2,1.6,2溫差（K）3，5， 8， 10， 15， 18,料液（NO.1）10%糖溶液料液（NO.2）水統(tǒng)計分析利用QUATTROPRO 5.0電子表格程序

8、的一部分多遠回歸分析來對實驗結果進行分析。剩 余依賴變量用曲線圖表示。，第二個階段作為額外的獨立變量。在適當?shù)那闆r下，交互項 也包括在內。最后由前面增加量和后面消除量來確定方程。結果與討論薄膜系數(shù)由滴狀冷凝的類型觀察到了冷凝機制，這種類型中薄膜傳熱系數(shù)是薄膜冷凝系數(shù)的6 到18倍。在本實驗的條件下，薄膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)被計算為24 kWm-2K-1.因此，所測得的 總傳熱系數(shù)會極為近似等于蒸發(fā)膜側系數(shù)。在這種情況下滴狀冷凝是不尋常的，但作為蒸 發(fā)器就是特別為了這個目的而制造的，蒸發(fā)管的外部仍然有油膜，這將促使滴狀冷凝。溫差效應的影響隨著溫度降低的差異來觀察總的傳熱系數(shù)的增加，圖2顯示了典型的曲線，

9、10%的糖 溶液和水的總傳系數(shù)隨溫度差異的變化。在商業(yè)蒸發(fā)器實驗中發(fā)現(xiàn)了同樣的趨勢。Angeletti和Moresi1建議降膜蒸發(fā)器的水汽蒸發(fā)機制有兩種，一個是在汽液界面的直接 蒸發(fā)，另一個是汽泡在加熱管壁上的形成。Chun和Seban發(fā)現(xiàn)水在大氣壓下形成氣泡需要 3.7 C的額外熱量。Angeletti和莫雷西指出當溫差小于10C時液體在界面直接蒸發(fā)的機 制比較常見。圖2顯示了在溫差為3-8 C時降低迅速然后會越來越慢。此報告的結果顯示標志性的 泡沫形成在大約5C。氣泡的存在將大大增加薄膜的厚度，降低了氣液界面的熱傳熱速率。 界面直接氣液蒸發(fā)量（這是最有效的）的作用將迅速降低，直至形成的氣泡

10、成為主要的影 響。在這個階段傳熱系數(shù)只會隨著溫差的變化而逐漸減少。氣泡的形成依賴于表面狀態(tài)， 目前國外很少把它作為核心。應用于這種蒸發(fā)器上的加熱管是蒸發(fā)器上的標志性類型，因 此這個結果可能可以應用于水或者其他清潔液體的商業(yè)性薄膜蒸發(fā)器。然而，牛奶脫脂時 所含脂肪球直徑為0.5到2微米，在全脂奶粉中最高達10微米。這些可以作為氣泡形成的核心。.O.5.O,5.04.3.3.2,2. 7XVEWM M.2口 wvoo沼05101520IDifference K圖2：溫差與水和糖溶液的總傳熱系數(shù)的關系。蒸發(fā)溫度為90C,料液流量為0.0167kg/s,加熱管的長 度為2米。Bouman et al發(fā)

11、現(xiàn)在發(fā)生核心沸騰時牛奶的溫差為0.5C，水的溫差為5C。后者與我 們的結果相同。蒸發(fā)溫度的影響蒸發(fā)溫度對總傳熱系數(shù)影響的典型例子如圖3所示，那些直線是通過公式3畫出的回歸 直線，誤差線在由回歸線估計的點的周圍。水和糖溶液的基本趨勢是一樣的，傳熱系數(shù)隨 著蒸發(fā)溫度的升高而升高，但是糖溶液的升幅大于水，其原因可能是糖溶液的粘度高。隨 著溫度增加，粘度降低，雷諾數(shù)增加。糖溶液粘度降低的幅度比水的大。兩種液體的粘度 用以佩里的實驗研究數(shù)據(jù)為依據(jù)的康帕內拉（個人通訊）公式計算而得，有悖于總傳熱 系數(shù)。結果顯示在圖4,兩種液體的斜坡直線都不同，這表明.0.a.6.4.2.D3.2.2.2.2.2. w 由

12、usgu bx06570 了 5 BO 8590Evaporation tempeFature SC圖3：蒸發(fā)溫度對水和10%糖溶液的總傳熱系數(shù)的影響。溫差為8K,進水流量為0.0167kg/s,加熱管長度 為2米。雖然可能有粘度的影響，但也有其他因素的影響。普朗特數(shù)會有所不同，不只是來自粘度 的影響，普朗特數(shù)(Pr =CM A -1)是使用霍尼格糖溶液的熱導率和熱容量數(shù)據(jù)計算得來的。 通過使用Quattro5.0軟件，總傳熱系數(shù)的回歸由粘度和普朗特數(shù)之間的關系得到。U=4.075*-5.466*p 2-1.796*Pr+1.613*Pr2(R2=99.31%,df=6)(3)如果是雷諾數(shù)而不

13、是粘度，那么關系如下：U=-3.661-0.130Pr+6.033X 10-3Re-1.364X 10-4Re2(R2=99.24%,df=6)(4)標準化數(shù)據(jù)產(chǎn)生的誤差用方程3和方程4計算，在任何情況下這些都不超過1.4。在這些方程中粘度和雷諾數(shù)被看做是二階項，這表明粘度增加雷諾數(shù)減少，他們的影 響是很小的。在低粘度狀態(tài)下薄膜流動狀況會趨向于湍流，而且粘度的變化不會有太大的 影響。在高粘度情況下薄膜流動會呈現(xiàn)波狀或層狀，這樣的話粘度的影響會很大。在溫度 變化范圍內研究，普朗特數(shù)隨著溫度降低，是由粘度降低和導熱系數(shù)的增加導致的，遠遠 超過有輕微熱能力導致的上升。雖然在方程(2)中傳熱系數(shù)隨著普

14、朗特數(shù)在溫度范圍內 的變動而增加，但在較高溫度下，低價值數(shù)值被用來提高傳熱系數(shù)，是我們所期望的。如果蒸汽的沖力對傳熱系數(shù)有影響，如果液體在高粘度下這種影響加大，然后粘度隨 著溫度有較大的變化，糖溶液對傳熱系數(shù)的影響就很大。隨著傳熱系數(shù)的增大，蒸發(fā)量增加，導致蒸汽動力增加，進一步提高了傳熱系數(shù)。因此傳熱系數(shù)和蒸發(fā)溫度的斜坡線在糖 溶液中應該更大，在圖3中很明顯。因此在本實驗的條件下蒸汽動力的影響很小。0356 42.色 ME斐E.T逞MU版咨W二獸工2.75Vlicoiltt E Feed P2.1 X 10*3圖4：雷諾數(shù)和普朗特數(shù)對水和10%糖溶液總傳熱系數(shù)的影響。溫差為8K，料液流量為0.

15、0167kg/s，加熱 管長度為兩米。2.5 Q2.252.001.21h41.61.62.0Tube length m圖5：加熱管長度對水和10%糖溶液總傳熱系數(shù)的影響。蒸發(fā)溫度為70，溫度差為8K，料液流量為 0.0167kg/s。加熱管長度的影響圖5表示的是水和10%糖溶液總傳熱系數(shù)隨著加熱管長度的增加而減少，這可能是入口 處影響。料液通過進料管間狹小的間隙并以很高的速度噴灑到加熱管上。薄膜在入口處的 流動環(huán)境高度不穩(wěn)定，經(jīng)過一段距離后，液膜有低但穩(wěn)定的雷諾數(shù)?？倐鳠嵯禂?shù)在出口長 度上會更高。因此，在入口長度對總傳熱系數(shù)的影響上短的加熱管要比長的影響更大。在 商業(yè)蒸發(fā)器中加熱管頂部的液體

16、分布方式是不同的。Reynolds number苦 le始一口 一JluaiuaT;ural 1旦工圖6：平均雷諾數(shù)對水和糖溶液總傳熱系數(shù)的影響。蒸發(fā)溫度為90C，溫差為10K，換熱管長度為2米。 在商業(yè)蒸發(fā)器中應用的配電板能夠使得在換熱管板上的液滴流出，然后沿著加熱管內壁流 下。在商業(yè)試驗中，蒸汽壓力對傳熱系數(shù)有積極作用，但在這項試驗規(guī)模的蒸發(fā)器中蒸汽 壓力很小（最大0.1kgmm-1s-i相比于商業(yè)蒸發(fā)器的4kgmm-is-i），因此，沒有證據(jù)說明壓力對 這蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)有影響。雷諾數(shù)的影響傳熱系數(shù)隨著雷諾數(shù)增加而增加的趨勢從圖6中可以看出。在這個實驗中雷諾數(shù)由兩 個變量來改變；灌溉密度

17、，粘度。通過應用Quattro5.0程序和圖7的數(shù)據(jù)可以得出計算公 式：U=2.583+0.00153*Re-3.43*X10-7Re2-2.44*Pr(R2=95.92%,df=4)這個方程表明雷諾數(shù)在較低值是很重要，但隨著雷諾數(shù)的增加重要性減小。由于粘性的影 響，普朗特數(shù)增加，雷諾數(shù)隨之減小。因此粘度對傳熱系數(shù)的影響在本實驗范圍內是積極 地，這和Chun和Seban的觀點一致。在高雷諾數(shù)條件下兩個相互沖突的影響可能會發(fā)生。隨著雷諾數(shù)的增加，薄膜的厚度 也隨之增加，是結果波動幅度增大，降低了表面汽液的蒸發(fā)影響，它可能降低傳熱系數(shù)。 然而，雷諾數(shù)的增加會引起波動，這又將增加傳熱系數(shù)。在高的雷諾

18、數(shù)情況下，試驗點分 散可能是由于這些影響合起來影響的結果，而不是實驗的誤差。因此，相關數(shù)據(jù)不能充分 說明在高的雷諾數(shù)變化范圍內的傳熱。圖6的結果表明，在傳熱系數(shù)隨著雷諾數(shù)變化的過程中可能存在一個指數(shù)。應用 Quattro5.0程序可以得到如下關系，對于10%的糖溶液關系如下： Ln(3.0-U)=0.432-0.00239*Re(R2=97.38%,df=3)(6)對于水關系如下：Ln(3.1-U)=-0.308-0.0004Re(R2=54%,df=1)(7)增加雷諾數(shù)會增加湍流，也會減少內層厚度，但是在更高的雷諾數(shù)條件下，層的厚度是很 薄的，這時雷諾數(shù)的影響就會較小。因此該指數(shù)的曲線性質是可以預測的。S