降膜蒸发器中热传递的影响因素

降膜蒸发器中热传递的影响因素

H.CHEN 和R.S.JEBSON

新西兰.北帕.梅西大学.食品技术部门

应用一台小型规模的单管式降膜蒸发器来获得关于这种类型蒸发器蒸发原理的一些认知。设定在试点蒸发器上的操作条件是取自于商业牛奶蒸发器获得的研究成果。这项研究成果是在使用像水和糖溶液等牛顿流体作为物料条件下而获得实现的。总传热系数受液体蒸发和蒸汽冷凝温度之间的温差，蒸发温度，排出密度，液体粘度和加热管长度的影响，但是普朗特系数对其也有着非常重要的影响。

关键词：蒸发降膜传热系数雷诺数普朗特系数

简介

降膜蒸发器在类似于以在较低的蒸发温度和相对较短的停留时间条件下具有较高的传

热系数为特征的食品工业行业中有着极为广泛的应用，这意味着它们能够处理热敏感材料。在很大程度上它们能够满足当今现代食品工业的需求，例如尽可能大的容量，经济，运转可靠，单程控制等。它们是乳品行业中的标准蒸发器。

据估算在新西兰有占总消耗能量的1%的能量用于蒸发过程的消耗。在牛奶生产过程中，蒸发阶段需消耗50%的能源。因此，人们乐于去了解降膜蒸发器的蒸发原理，以便使蒸发

器在工业应用中达到最大的容量和最高的效益。尽管降膜蒸发器在工业领域中有着极为广泛的应用，但是只有极少量的文献论文是关于降膜蒸发器的，尤其是牛奶蒸发器。因此，我们建立了一台小型规模的单管降膜蒸发器用来学习其内部的热传递。

从商业牛奶蒸发器和文献获得的结果可以看出，很显然降膜蒸发器中热传递的影响参数可以归结如下：

1.蒸发发生的温差

2.蒸发温度和蒸汽冷凝温度之间的温差

3.液体进料的流速

4.液体进料的温度

5.蒸发器内部液体的浓度

6.加热管的长度

7.加热管的直径

8.加热管的特征：金属材料的种类，壁厚和适合于加热管的处理方式上述

可变物，温度区别，蒸发温度，进料流速和加热管长度被选择作为研究对象。其实验条件是基于牛奶工厂的实验结果来选择确定的。虽然牛奶作为蒸发器的进料被广泛应用，但是在本次实验中却不能使用牛奶，其原因如下：

1．牛奶的物理特性天天在变化

2．一旦牛奶稍有浓缩，它会随着时间而增厚，即其粘度会随着时间增加而增长，并且增长速度在较高的温度和浓度条件下增长更快。

3．加热表面会被牛奶污染

因此，自来水和糖溶液常被用来作为进料而不是牛奶。尽管在商业蒸发器研究中一些相互作用在不同变量之间被发现，但是对于这项研究来说它主要取决于是否能够集中主效应。

实验

设备

一台如图1简图所示的小型规模的不锈钢单管降膜蒸发器，其加热管外径32mm，壁厚1.6mm，长2m，被放置在内直径为73mm长2m的蒸汽夹套管中。它是从外直径为20mm长为0.75m的管道进料（进给管），该管是同轴的插入在加热管中的。这种进给管的高度可以调控，以便来变化加热管的换热面积。从该管出来的进料直接喷洒在蒸发管的壁上。这能够使在管下的液体比发生在商业蒸发器中的流通体制更迅速的建立流型。

将要被蒸发的液体通过一台可变速的泵输送到可将液体加热到蒸发温度的Spiraflo型换

热器中，然后进入进给管。这一小段必须被使用的蒸发管十分重要。没有蒸发的液体和液体直接通过蒸气室底部形成的蒸汽被输送出去。蒸汽然后通过了一台有角度的槽孔分离器，接着进入一台用于抽送浓缩物的螺旋离心水泵中。蒸汽压力通过一个自动调整阀门控制。蒸汽冷凝水在加热管外侧向下流动，并且依靠喷射器从蒸汽套管底部移动。喷射器提供了真空，在不可压缩管道内可以通过通气旋塞手动调整。进料流速可以通过转子流量计测量，并且连接到记录器上，如图1所示。热电偶探头有九个不同的监测点，真空表和蒸汽压力表分别被用来测量水蒸气和蒸汽管道压力，其也在图1显示。

图1：单管式降膜蒸发器原理图

（1）进料灌（2）输液泵（3）转子流量计（4）预热计（5）蒸汽-水混合器（6）调压器（7）蒸汽调节器（8）温度计（9）进料管（10）除沫器（11）蒸汽夹套（12）蒸汽控制

器（13）浓缩泵（14）浓缩液收集器（15）冷凝器（16）冷凝泵（17）冷凝液收集器（18）真空装置。热电偶探头位置

步骤

为了了解各不同变量对传热系数的影响，在每个试验中，仅使一个参数变化，而其他参数保持不变。下面给一个典型的实验步骤：

1.将蒸汽温度，蒸发的温度，进料流速，进料温度和加热管长度设定在期望值。

2.几分钟过后，当状态达到稳定时，用盘状计时器测出蒸汽冷凝物的流速。

3.在运行期间，记录下所有的温度。

总传热系数用方程式1计算：

U=（1）

降膜的雷诺数被定义如下：

R

=（2）

e

平均雷诺数（在加热管顶部和底部的雷诺数的平均值）被用来数据分析。

表1：实验变量范围

统计分析

实验结果用QUATTRPRO5.0电子制表程序多重回归分析方法来统计分析。在从属变量显示为曲线的部位，二级关系作为附加量被测出。在适当的部位，相互关系也被包括。，最后的方程式在前加后减后被确定下来。

结果和讨论

薄膜系数

冷凝方面原理以逐滴冷凝类型被观察，这种类型的传热系数是薄膜冷凝的6-18倍。在本次试验条件下，蒸发薄膜被估算在2-4KWm-2k-1。因此，测定的总传热系数将和蒸发作用方面薄膜系数相近。在这些情况下，逐滴冷凝式与众不同的，但是蒸发器是专门为这一目的制造的。蒸发器的外侧一直有油膜的存在，这可以促进逐滴冷凝的进行。

温差的影响

通过观察，总传热系数随着温差的减小而又确切的增加. 图2展示的就是水和10%的糖溶液的总传热系数相对与温差的典型曲线。在商业蒸发器试验中发现了同样的趋势。

Angeletti and Moresi认为对于降膜蒸发器来说有两种蒸发机制，一个是在液体蒸汽接口直接蒸发，另一个是在加热管壁形成水泡。Chun 和 Seban发现，在大气压下，需加热超过37.8℃才能在水中形成气泡。Angeletti 和 Moresi指出，当总温差低于10℃时，液体蒸汽界面蒸发机制恰好流行。

图2显示了在3-8℃范围内，总传热系数迅速减少，然后逐渐缓慢。由此得出的结果表明，气泡的形成也许主要在5℃左右。气泡的形成在很大程度上增加了薄膜的厚度，因为它减小了液体蒸汽接口的传热速率。液体蒸汽界面接口的影响将会迅速减小直到气泡形成主效应。在这种状况下，随着温差的增加，传热系数将会慢慢减小。