水平管降膜蒸发器综合传热系数

水平管降膜蒸发器综合传热系数模型

摘要：基于在水平管降膜蒸发器传热性能研究现状的基础上，以及热法高倍数蒸发浓缩油田废水的具体任务与要求，建立水平管降膜蒸发器传热系数与污垢热阻的模型，通过有关方程建立污垢热阻与蒸发浓缩时浓度变化的关联式。依据各部分的关联式，经过详细推导，得到水平管降膜蒸发器综合传热系数关联式。根据物理模型和关联式，讨论浓缩倍数和流量变化对水平管降膜蒸发器综合传热系数的影响。结

果表明：在蒸发浓缩油田废水时，浓缩倍数的提高降低了水平管降膜蒸发器的综合传热系数。油田废水处理量的增加，在一定程度上强

化了水平管降膜蒸发器的传热效率。模拟计算得到水平管降膜蒸发器的综合传热系数在936~940W/(m2K)的范围内。

关键词：水平管降膜蒸发器；传热系数；污垢；浓缩倍数；油田废水

0前言

蒸发是指将含有非挥发性溶质和挥发性溶剂组成的溶液利用加热作用使溶液中一部分溶剂汽化与溶质分离、溶液被浓缩的过程[1]，常用的蒸发操作的设备有升膜蒸发器、降膜蒸发器和旋转刮膜式蒸发器3 类。具有发展前景的是水平管降膜蒸发器，因此水平管降膜蒸发器传热性能研究的文献相对多些。吴鸿等[2]研究了三效降膜管式蒸发器，建立蒸汽侧冷凝传热参数的数学模型，分析蒸汽压力、温差等因素对传热性能的影响。本文针对油田废水蒸发浓缩的实例，建立水平管降膜蒸发器综合传热系数关联式，并考察一些因素对综合传热系数的影响程度。

1 管式降膜蒸发器的结构及工作原理

管式降膜蒸发器结构简单，由加热蒸发室、分配盘、汽液分离室、除雾器、循环管等部分构成。

管式降膜蒸发器加热蒸发室是由壳体、上管板、隔板、下管板和加热管等构成。壳体是根据工作压力按压力容器或常压容器设计，并考虑到在真空状态下受外压时的稳定性合理设置加强结构。壳体、加热管和管板的材质可根据介质性质或用户使用要求，选用碳钢或不锈钢材质。加热蒸发室的中心为内置循环管，其余部分为均匀分布的加热管。经内置循环管预热并输送至上管板上部分配盘的黑液，由分配盘均匀地分布在管板的管桥上，再沿加热管内壁呈膜状流下，同时进行传热蒸发。此外，由于从黑液中蒸发出的二次蒸汽快速向下流动，将黑液液膜吹得更薄、流速更快，使传热热阻大大降低，传热系数更高。由于是液膜蒸发，降低了传热热阻，也没有由于静液位压力引起的沸点升高，故用于加热的有效温差提高，所以，管式降膜蒸发器的传热系数和热效率均高于传统的蒸发器。管式降膜蒸发器既保留了降膜

蒸发器传热效率高、运行周期长、操作弹性大等优点，又解决了其他降膜蒸发器耐压性能低、易破裂、不易维修等缺

点。另外，黑液在加热管壁上形成的垢可以用高压水、机械方法、化学方法等进行清洗，清垢方便易操作。

2水平管降膜蒸发器综合传热系数的模型

2.1 物理模型

图1 为水平管降膜蒸发器结构示意图。

泵送来的油田废水经过布液器分配，均匀降落到水平管上，废水与管内蒸汽进行热交换，产生二次蒸汽和凝结水，经相应的出口排出。在水平管降膜蒸发器上截取1 个单元，如图2 所示：从管内蒸汽高温侧到管外沸腾低温侧分别表示为(边界与边界

之间的温度)：T1，T2，T3，T4，T5，T6。即：T1 为蒸汽与凝结薄膜边界层温度；T2 为凝结薄膜与凝结污垢边界层温度；T3 为凝结污垢与管壁边界层温度；T4 为管内壁与管外壁边界层温度；T5 为管外壁与沸腾污垢边界层温度；T6 为沸腾污垢与蒸发薄膜边界层温度。降膜蒸发器综合传热系数表达式如下：

式中：K 为总的传热系数，W/(m2K)；hc 为管内凝结传热系数，W/(m2K)；hh 为管外沸腾传热系数，W/(m2K)；di 为管子内径，m；do 为管子外径，m；R1 为管内凝结污垢热阻(m2K)/W；R2 为管外沸腾污垢热阻， (m2K)/W'/ '为管壁导热热阻，(m2K)/W。

2.2 水平管降膜蒸发器管内凝结传热系数

蒸发浓缩用的水平管降膜蒸发器一般是多管束的设备，为使问题简化，常采用的方法是：先对

单管冷凝传热过程进行计算，多管束冷凝传热系数可以在单管传热系数的基础上乘以1 个合适的系数。对管内冷凝传热过程的假设如下：1）忽略冷凝液薄膜中加速

度的影响；2）y3）由y0y

2.3 水平管蒸发器管内凝结污垢热阻

2.4 水平管降膜蒸发器管外沸腾传热系数

油田废水蒸发浓缩用的水平管降膜蒸发器一般是多管束设备，为使问题简化，常采用的方法是：

先对单管沸腾传热过程进行计算，多管束沸腾传热系数可以在单管的基础上乘以1 个合适的系数。对单管沸腾传热过程假设如下：1）液体落到管壁之前和离开管壁之后均为饱和状态并且温度一致；2）传热管壁面温度均匀；3）忽略液体飞溅对液体负荷的影响；那么管外沸腾时传热系数hh

2.5 水平管降膜蒸发器管壁导热系数

值代入和按等于常数时的计算公式，就可获得合适的结果。

3结论

本文建立水平管降膜蒸发器综合传热系数的模型，通过模型分析和一定条件的假设，计算得到

综合传热系数的关联式。依据水平管降膜蒸发器综合传热系数关联式，分别分析油田废水浓缩倍数和流量变化对水平管降膜蒸发器综合传热系数的影响程度，传热系数的变化幅度不大，大致范围为936~940W/(m2K)。结果表明，浓缩倍数的提

高降低了水平管降膜蒸发器的综合传热系数。油田废水处理量的增加，提高了废水进口流速，增加污垢剥离的速度，因此一定的速有利于强化水平管降膜蒸发器的传热效率。