薄膜蒸發器傳熱蒸發性能的實驗研究

薄膜蒸發器由于其刮板的機械刮擦成膜作用,使處理的物料在蒸發表面停留時間短而受熱效果好,適用于蒸發濃縮高粘性、熱敏性或易結晶物料,已經廣泛應用于化工、醫療、食品及輕工等行業1-3)。國內外對薄膜蒸發器的傳熱系數和蒸發效率進行了大量的實驗室研究,但由于蒸發傳熱及刮板刮擦成膜的復雜性,用于蒸發設計計算的液膜側傳熱系數主要是液膜受熱的數據。對蒸發器的蒸發實驗多以水為介質,有關粘性料液的傳熱數據則報道較少。筆者通過數值模擬分析表明,薄膜蒸發器內粘性料液和純物質水的速度分布存在差異，粘性料液薄膜內尚沒有形成明顯的傳遞邊界。對高粘度料液而言,基于堿液蒸發濃縮開發的機械攪拌式薄膜蒸發器結構從動量和熱量傳遞角度而言,尚有進一步優化設計的余地。
本文在自行研制的F=0.4㎡薄膜蒸發器實驗測試裝置的基礎上,通過改變薄膜蒸發器的操作參數對純物質水及燒堿溶液進行傳熱蒸發實驗,進一步探討各工藝操作參數及料液粘性對傳熱蒸發性能的影響,與數值模擬結果進行比較,從而為薄膜蒸發器設備從結構和操作工藝上進行優化奠定基礎。
1實驗流程設計
自行研制的0.4m2薄膜蒸發器實驗裝置的工藝流程如圖1所示。該系統由加料釜.真空機組、蒸發裝置、電加熱爐、二次蒸汽冷凝器及監測裝置幾個部分組成。開啟真空和加熱系統后,導熱油由電加熱爐加熱,導熱油進人加料釜加熱物料,經過預熱的物料由加料釜經由轉子流量計進人蒸發器,物料經濃縮后由蒸發器底部排出,進入接受罐;二次蒸汽由.上部出口被抽出,進入冷凝器,經緩沖罐進一步捕集可凝性蒸汽后,少量殘余氣體進人真空泵。
2介質水的加熱蒸發實驗與分析
2.1 實驗方案
以水為實驗介質,考察在不同系統真空度導熱油溫度、進料量、進料溫度和轉子轉速等5個參量下總傳熱系數K和蒸發強度EI的變化規律,為進一步研究薄膜蒸發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
進料溫度25、 45、65C
進料量17.5、 42、70L/h
轉子轉速
214、259、306r/min
2.2實驗結果與分析
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、進料溫度為40 ~45心、真空度91. 7kPa時,不同導熱油溫度下總傳熱系數K和蒸發強度EI與進料量的變化規律。由圖2、3可以看出,在本文實驗參數范圍內,總傳熱系數K和蒸發強度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增大的影響超過了AT增大的影響,因而總的效果是導熱油溫度升高時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、進料溫度為40~45C、導熱油溫度120C左右時,不同真空度下總傳熱系數K和蒸發強度EI與進料量的變化規律。由圖4、5可以看出,總的來說,K和EI均隨真空度的升高而增大。與導熱油溫度升高時類似,真空度升高,溫差AT增大,總傳熱量Q也增大,Q增大的影響超過了OT增大的影響,故總的效果是真空度升高時K增大。
2.2.3轉子轉速的影響
圖6.7分別給出了進料溫度為22C、導熱油溫度120C左右、真空度70. 7kPa時,不同轉子轉速下總傳熱系數K和蒸發強度EI與進料量的變化規律。由圖6、7 可以看出,總傳熱系數K和蒸發強度EI均隨轉子轉速的提高而增加,高轉速能有效地促進圈形波與薄膜之間物質熱量的交換，加強湍流程度，提高薄膜蒸發器傳熱和傳質性能。
進一步分析發現，在轉速增大的整個范圍內,K增大的幅度不同:低轉速時,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,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,當進料量為70L/h時,轉速259r/min與306r/min時的對應的K值以及EI值各自接近相等，由于本實驗條件的限制,變頻調速電機轉速高只能調至306r/min,可以預計，隨著轉速的進- -步增大,K將出現文獻[8]所示的下降趨勢。在實際生產中,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的高動力消耗。
2.2.4進料溫度 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,不同進料溫度下總傳熱系數K和蒸發強度EI與進料量的變化規律。物料在接近沸點進料能佳利用傳熱面積。由圖8、9可以看出，隨著進料溫度的升高，薄膜蒸發器內總傳熱系數K和蒸發強度EI都明顯增大。