降膜蒸发器中决定和影响传热系数的因素

降膜蒸发器中决定和影响传热系数的因素

摘要

这项工作的目的是确定不同操作条件下的单效蒸发器的传热系数，为了判断它们有多种影响因素。降膜蒸发器包括12根外径25mm、长3m的垂直不锈钢管，蒸发器的蒸发容量为240 kg/h。对每一个多效蒸发器的影响条件进行模拟，改变进料浓度和压力，设置每一种条件下的饱和温度和热传递系统，。从而获得一个关联式，即传热系数与流体性质、几何参数和流量的关系。2005年Elsevier公司保留所有权利。

关键词: 传热、蒸发器、降膜、传热系数

1. 前言

果汁的浓度是果汁制造业中被广泛使用的参数，它有两个主要目的：（1）降低产品的体积和重量，随后降低储存、包装及分销的成本。（2）增加水的活动，减少其对果汁的稳定性影响，这是影响果汁品质的主要因素。

虽然冷冻浓缩和反渗透浓度等其他方法现在也经常被用到，但由于业务和经济原因蒸发仍然是最流行的。

蒸发是一个单元操作即从液体中去除水。如果液体中含有溶解固体，解决方案是可以使其成为饱和或过饱和固体晶体沉积。

如果长时间高温蒸发，会造成果汁中许多物质被破坏,，真空蒸发似乎是合理的解决方案。真空蒸发进行的沸点降低，所以热降解趋于最小化。

降膜蒸发器在本质上是管壳式换热器。降膜蒸发器本质上是一个管壳式换热器。蒸汽冷凝的壳程提供了潜热，使从管程流动溶液中的水蒸发量。水蒸气和浓缩果汁，在热力学方面是平衡的，然后分离。这个过程可以完成一次蒸发，因此沸腾浓缩液退出单元作进一步处理，蒸汽在一个独立的冷凝器中冷凝。这种设备被命名为“单效蒸发器”。

然而，如果需要高浓度，最好是使用多个更小的单元，而不是用一个大的单元。在这种条件下，解决方案是水汽离开第一个单元，加热介质为第二个过程蓄流。对于一个合适的动力，由于第二单元存在，其沸点减小，这是通过减少在蒸发室的压力。这样，减少了蒸发器在加热蒸汽压力方向的热能损失和压力损失。

这种被定义为“多效蒸发器”，3，4，5设备在食品工业是非常容易见到的。

在蒸发器内发生的是一个众所周知的质量和能量平衡，传热速率方程热。参考图1，它们可以说明如下：

质量平衡，稳定状态：

冷流（进程，或果汁一方），全部：

（1）

冷流（进程，或果汁一方），溶解固体：

（2）

热力学平衡状态的关系即

热流（冷凝的蒸汽）：（3）

能量平衡，稳定状态：

冷流（进程，或果汁一方）：（4）

热流（冷凝的蒸汽）：（5）

转移方程：（6）

整体逆传热系数可作为所有的热阻，以双方传热流体边界层构成（对流），与管壁和污垢（导电）：

（7）

由于阻力和墙壁污垢是相当于施加的液膜，而这些液膜传热系数的蒸汽冷凝远远高于其他的，在这个系统控制的阻力是内部液膜。因此，一个单元的设计很大依赖于这个变量的预测值，作为与计算面积成正比的阻力，这是内部控制的传热系数。

这项工作是为了获得在不同条件下蒸发流的液膜系数的实验值，找到适合这些值的公式。如果得到合适的关联式，然后评价现有的单元并且设计新的方案，那么可以提高其精确度。

图1 蒸发器的示意图

2. 实验设备

实验蒸发器是降膜类型，在这些单元的液体是流动的，管内表面的膜向下。由于蒸发的缘故，沸腾后的平衡蒸气向下流动离开底部，即发生相分离。

这种蒸发器的类型对于果汁浓度是特别有用的，因为它与受热面的接触时间短，减少热损失的机会少。而且易清洁和启动，这就保证了产品的最低损失。

蒸发器使用的是ALV AL。它由12个外径25mm、长3m的垂直管组成，蒸发量为240 kg/h。其中包含所有辅助设备（分离器，预热器，冷凝器，水泵）和仪器仪表。

由于现有的设备是一种单效蒸发器, 最初的操作条件为在一个多效蒸发器发生反应的典型条件。经过多次试验，第二效的变化满足当时的条件，然后再次改变了第三效的条件。这样做，使得进气浓度，流量和压力是多方面变化。其他国家的作者是通过模拟手段确定的参数值(Ugrin & Urbicain, 1999; Gonza ´lez, Ugrin, &Urbicain, 2001)。

该流体模型研究的是蔗糖水溶液，因为从热的角度来看，它可以被视为液压行为果汁。果汁易受细菌和真菌污染，涉及的费用低，并且考虑到其他因素，因此果汁是溶液模型的最佳选择。

操作条件列于表1。

表1

三效蒸发器的实验条件

表2

传热计算参数值

3.实验结果

测量的变量有：流量和饱和蒸汽（供热流压力），压力，入口温度，进口和出口蔗糖溶液浓度（过程流）。

大量的热平衡，公式（1）-（6）影响整体热量传递系数的计算，污垢所带来的热阻是已知值，并计算了蒸汽, 对液膜的过程流系数的计算，得到公式（7）。

液膜系数乘以适当的参数，得到无量纲h+。这是在文献中常见的做法，以显示这种形式的结果，这是方便与其他结果作比较。无因次传热系数得到以下方程方法：

（8）

实验结果和一些计算值见表2。

4. 实验值的相关性

在无量纲传热系数的值为蒸发拟合一个公式：

（9）

回归是由两种不同的方法：第一个是要符合相关的数据，每一个流动涵盖了不同的范围：层流和过渡；第二个回归是，所有的参数都与雷诺数建立了一个关系。比较两个相关参数R2，得出最合适的结论是实现了一个独特的关联式，雷诺数从15到3000是有效的，普朗特值从2.5到200是有效的。

由此产生的公式是：

（10）

实验获得的数据如图2所示。

图2 实验值与拟合曲线

这个方程可以进一步简化为由雷诺数和普朗特数之间的关系。严格来说，这些值都是彼此不相关的，因为它们是独立的，传热系统的几何和物理参数的关系是量纲数。然而，其中任何一项的任何变化引起对另一个的变化。事实上，对于一个给定的温度，液体粘度的定义为流动时所停留的时间。另一方面，由于浓度和温度等物理特性是固定的，因此这些条件确定一个雷诺数也只确定一个普朗特数。

结果发现，研究两者间的系统关系为：

(11)

把公式（11）带入到公式(10)得到一个简单的关系：

(12)

当然，将N Pr,L和N Re,L带入到公式（12）是对于研究严格的系统。对于其他的方案或几何构型，普遍有效的应该考虑公式（10）。

图3 与其他作者结论的图形比较

5.相关性比较

表3用不同的计算方法表示h+，和图3的数值进行比较，计算得到普朗特数为4。

可以看出，这项工作的结果与Mc Adams et al. (1940), Garwin 和Kelly (1955), Wilke(1962), Ahmed和Kaparthi (1963), Herbert和Stern(1968),和Chung and Seban (1971).Mc Adams, Drew, 和Bays (1940)得到的在层流和过渡地区，都得到h+与ReL下降。然而，虽然该曲线的形状相似，很明显的关联式，但这项工作取得的