CN109975046A - 一种用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于化工技术领域。本发明公开了一种用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法，其包括，向降膜蒸发器中通入热源，将测试流体以沸点温度通入到降膜蒸发器中进行蒸发传热性能测试，测试并记录数据；通过降膜蒸发传热分析，获得液膜平均雷诺数与降膜蒸发传热系数的关系；再次将测试流体以常温通入到降膜蒸发器中进行传热性能测试，测试并记录数据；通过热量平衡分析，区分降膜预热阶段长度与降膜蒸发阶段长度；通过降膜预热传热与降膜蒸发传热分析，计算降膜蒸发器预热液膜无因次传热系数和蒸发液膜无因次传热系数。本发明通过分离降膜流动过程中的降膜预热阶段和降膜蒸发阶段，准确测量降膜蒸发器预热传热性能和蒸发传热性能。

Description

一种用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法

技术领域

本发明涉及化工技术领域，尤其是涉及一种用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法。

背景技术

立式降膜蒸发器作为工业上主要的蒸发设备，广泛应用于海水淡化、食品加工、化工、造纸、污水处理等领域。其主要包括上筒体、蒸发原液进口、传热管、上管板、壳体、加热热源进口、热源出口、下管板。蒸发原液从进口流入到上筒体内，当上筒体内的蒸发原液的液位上升到降膜管的上管口时，就会从上管口向管内进行布膜，降液膜在重力、界面剪切力等作用下沿竖直壁面以薄膜的形式向下流动。液膜在向下流动的过程中受到壳体内热源加热，其液膜温度升高达到沸点，所产生的二次蒸汽从液膜表面脱离进入降膜管的中心，并带动降膜管内壁液膜一起向下流动，浓缩原液和二次蒸汽一道从降膜管的下口流出。降膜蒸发器应用量大面广，由于流体在降膜蒸发器内以预热状态单相流动及蒸发状态两相流动时，传热系数相差较大，因此，精确测试降膜蒸发器预热传热性能(单相对流传热)和蒸发传热性能(相变对流传热)对于工程设计、工业应用及技术升级具有重要的现实意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法，通过分离降膜流动过程中的降膜预热阶段和降膜蒸发阶段，准确测量降膜蒸发器预热传热性能和蒸发传热性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法，包括以下步骤：

首先向降膜蒸发器壳体中通入热源，将测试流体以沸点温度通入到降膜蒸发器传热管中对降膜蒸发器进行蒸发传热性能测试；测试并记录流体进入降膜蒸发器的温度、流体流出降膜蒸发器的温度、热源的温度、流体在降膜蒸发器中蒸发的质量和测试时间等测试数据，测量计算降膜蒸发器传热管的长度、外径、内径及外表面积等降膜蒸发器尺寸数据。

通过降膜蒸发传热分析，可以获得液膜平均雷诺数与降膜蒸发传热系数的关系。

再次向降膜蒸发器壳体中通入热源，将测试流体以常温通入降膜蒸发器传热管中降膜蒸发器进行传热性能测试，测试并记录测试流体进入降膜蒸发器的温度、流体流出降膜蒸发器的温度、热源的温度、流体在降膜蒸发器中蒸发的质量和测试时间。

当流体以常温状态进入传热管内时，流体流动过程分为降膜预热和降膜蒸发两个阶段；根据降膜蒸发阶段液膜平均雷诺数及开始降膜蒸发实验所获得的液膜平均雷诺数与降膜蒸发传热系数的关系，通过线性插值的方法，获得蒸发阶段液膜平均雷诺数所对应的降膜蒸发传热系数；然后根据热量平衡分析，将降膜预热阶段长度和降膜蒸发阶段长度预以区分。通过降膜预热传热与蒸发传热分析，利用公式计算降膜蒸发器预热液膜无因次传热系数Nu₁，利用公式计算降膜蒸发器蒸发液膜无因次传热系数Nu₂。

不同流量下多次测试并采用最小二乘法对获得的降膜蒸发器预热液膜无因次传热系数和蒸发液膜无因次传热系数进行数据拟合，得到降膜蒸发器预热传热和蒸发传热关联式。

作为优选，热源为不小于100℃的饱和水蒸气，所述测试流体的温度不大于100℃。

作为优选，计算降膜蒸发器预热液膜无因次传热系数Nu₁的公式中，所述计算降膜蒸发器蒸发液膜无因次传热系数Nu₂的公式中，

降膜蒸发器传热分析及公式推导：

1.降膜蒸发传热分析：理想情况中流体温度与传热管内液膜蒸发温度相同，流体进入传热管内后不需要进行预热处理；

以温度恒定为100℃的蒸汽作为热源，以沸点温度的水作为测试流体，测试流体进入降膜蒸发器传热管内开始蒸发，其整个过程都处于蒸发状态，如图1所示。在此过程中，以传热管内测试流体的吸热量作为换热量，降膜蒸发热流密度为：

式中，r为饱和温度下汽化潜热，kJ/kg；m_v为流体蒸发质量，kg；A为传热管内表面积，m²；t为实验时间，s。

降膜蒸发总传热系数为：

式中，T_k为传热管外加热蒸汽温度，K；T_b为液膜蒸发温度，K。

传热管外加热蒸汽冷凝传热系数(h_o)由努塞尔膜状冷凝关联式计算。由于Nusselt在推导层流膜状冷凝的平均传热膜系数理论公式时，提出了一系列假设条件，在实际应用时不能完全成立。大多数实验结果较理论公式计算得到的结果约大20％左右，故采用修正公式：

式中，r₀为饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg；ρ₀为冷凝液密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；λ₀为冷凝液的导热系数，W/(m·K)；μ₀为冷凝液的动力粘度，kg/(m·s)；L为竖管高度，m；T_k为加热蒸汽温度，K；T₀为管外壁温度，K；Re₀为加热蒸汽冷凝液雷诺数。

用热阻法计算传热管内降膜蒸发传热系数：

式中，d₀为传热管外径，m；d_i为传热管内径，m；λ_s为传热管的导热系数，W/(m·K)。

降膜蒸发无因次传热系数为：

式中，v为液膜的运动粘度，m²/s；λ为液膜的导热系数，W/(m·K)。

传热管内降膜蒸发液膜平均周流量和雷诺数分别为：

式中，m_l为液膜质量，kg；μ为液膜动力粘度，kg/(m·s)；d_e为传热管内液膜当量直径，m；u为液膜流速，m/s。

2.降膜预热传热分析：现实情况中流体温度低于传热管内液膜蒸发温度，流体进入传热管内后需要经过一个预热的过程；

以温度恒定为100℃的蒸汽作为热源，以常温的水作为测试流体，当流体以常温状态进入传热管内时，流体先被预热，达到沸点温度后开始蒸发；整个过程分为降膜预热和降膜蒸发两个阶段，如图2所示。在蒸发阶段，根据蒸发阶段液膜平均雷诺数及降膜蒸发实验所获得的液膜平均雷诺数与降膜蒸发传热系数的关系，通过线性插值的方法，获得蒸发阶段液膜平均雷诺数所对应的降膜蒸发传热系数。由于降膜预热传热分析中的降膜蒸发阶段与上一部分降膜蒸发传热分析的情况相同，因此直接相应的引用上述公式。蒸发段传热管外加热蒸汽平均冷凝传热系数可由式(1-3)进行计算。蒸发段传热管总传热系数为：

液膜蒸发段热流密度为：

q₂＝K₂(T_k-T_b) (1-9)

联合式(1-9)和式(1-10)，可计算出液膜蒸发段长度L₂。根据传热管有效长度，可得液膜预热段长度L₁。

液膜预热段热流密度为：

式中，c_p为液膜等压比热容，J/(kg·K)；T_in为液膜预热段入口温度，K；T_out为液膜预热段出口温度，K。

液膜预热段总传热系数为：

式中，ΔT_LMTD为对数平均温差，定义为：

预热段液膜和蒸发段液膜传热系数分别为：

预热段液膜和蒸发段液膜无因次传热系数分别为：

式中，预热段液膜定性温度为预热段液膜进出口平均温度，蒸发段液膜定性温度为液膜蒸发温度。

传热管内预热段和蒸发段液膜平均周流量分别为：

传热管内预热段和蒸发段液膜平均雷诺数分别为：

式中，预热段液膜定性温度为预热段液膜进出口平均温度，蒸发段液膜定性温度为液膜蒸发温度。

最后利用最小二乘法对测试获得的数据进行拟合，得到降膜蒸发器预热传热和蒸发传热关联式。

作为优选，用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法通过降膜蒸发器传热性能测试系统实现。

降膜蒸发器传热性能测试系统由加热储罐、高位水箱、降膜蒸发器、气液分离箱、冷凝器依次相连组成；加热储罐中设有加热元件，所述加热储罐和高位水箱之间设有进液泵；降膜蒸发器由壳体和传热管组成，传热管设于壳体中，传热管伸入高位水箱中，传热管的底端与气液分离箱相连通，壳体侧面设有热源入口和热源出口；热源出口通过气液分离器与第一计量罐相连；气液分离箱还设有冷凝水出口和二次蒸汽出口，冷凝水出口与第二计量罐相连；冷凝器由上筒、冷凝器壳体、下筒和冷凝管组成，冷凝管设于冷凝器壳体中间，上筒顶端设有进口，下筒低端设有冷凝液出口，下筒侧面设有蒸汽出口，冷凝器壳体侧面设有冷却水进口和冷却水出口，蒸汽出口与真空泵相连；冷凝液出口与第三计量罐相连；还设有，第一温度传感器监控高位水箱中的温度，第二温度传感器监控降膜蒸发器中传热管外加热蒸汽的温度，第三温度传感器监控传热管下端的温度；第一压力传感器监控传热管内的压力，第二压力传感器监控降膜蒸发器中传热管外的压力。

作为优选，进液泵与高位水箱之间还依次设有流量调节阀和流量计。

作为优选，高位水箱顶部设有真空度调节口并设有真空度调节阀。

作为优选，气液分离箱的冷凝水出口与第二计量罐之间设有冷凝水阀。

作为优选，冷凝器下筒低端的冷凝液出口与第三计量罐之间设有冷凝液阀。

作为优选，传热管的顶端伸入高位水箱中并高于高位水箱的底面。

作为优选，蒸汽出口与真空泵之间还设有蒸汽吸收罐。

降膜蒸发器传热性能测试系统如图3所示，测试系统主要由辅助加热装置、液膜流动系统、液膜蒸汽冷凝系统、降膜蒸发器、加热蒸汽系统及参数测量系统组成。流体在加热储罐中通过加热元件加热到所设温度后，通过流量调节阀泵入到高位水箱，高位水箱通过真空度调节阀与大气连通。流体进入降膜蒸发器测试段后，在传热管内表面形成降液膜；传热管内产生的蒸汽通过真空泵抽吸进入冷凝器，冷凝液进入到第三计量罐中进行计量；未蒸发的流体则直接进入到第二计量罐中。降膜蒸发器传热管外加热蒸汽为外界供入的一定温度、压力的饱和蒸汽，测试过程中加热蒸汽产生的蒸汽冷凝水通过汽液分离器进入到第一计量罐中。在开展竖管内降液膜传热实验时，必须使管壁上的液膜流动稳定和液膜分布均匀。如果传热管与水平面不垂直，或传热管的进口不光滑，液膜的流动就会变得不均匀，将导致管壁面局部干涸。在实验范围内，当流体被泵入到高位储水箱时，由于进口流速较低，流体将沿着高位水箱的内壁面往下流，与高位水箱内的流体汇合。高位水箱内的流体通过溢流的方式，从传热管外壁面越过壁厚，然后沿着传热管内表面以降液膜的形式向下流动。液膜流动的稳定状态主要通过高位水箱的水位是否恒定来判断，液膜分布均匀主要通过液膜流出管道时是否沿着管内壁四周流出来判断。在参数测量中，温度传感器用铜-康铜热电偶测量，并利用Agilent数据采集仪读取，测量精度为±0.1K；第一、第二和第三计量罐中液体的质量用称重传感器测量，灵敏度为±0.1kg；时间用秒表计量，精度为±0.1s；流体体积流量用转子流量计监控，精度为±1.5％；传热管外加热饱和蒸汽压力用压力表监控，精度为±0.1％FS。

本发明降膜蒸发器传热性能测试系统可以测量的参数包括：

第一温度传感器监控高位水箱中的温度即上述液膜预热段入口温度T_in(也即测试流体进入降膜蒸发器的温度)，第二温度传感器监控降膜蒸发器中传热管外加热蒸汽的温度即上述传热管外加热蒸汽温度T_k(即热源温度)，第三温度传感器监控传热管内的温度即液膜预热段出口温度T_out(也即测试流体从降膜蒸发器中输出时的温度)，由于传热管内蒸发阶段的温度都相同，因此可以采用传热管下端的温度代替液膜预热段出口温度T_out；

流体蒸发质量m_v(即测试流体在降膜蒸发器中蒸发的质量)可以由加热储罐在测试前后质量差减去第二计量罐在测试前后质量差获得；

上述推导公式中涉及的传热管内径、外径、外表面积、长度及测试时间均可以通过相应的测量获得。

除此之外涉及到的变量或参数等都可以通过查询相应的数据表格获得。

因此，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法，通过分离降膜流动过程中的降膜预热阶段和降膜蒸发阶段，准确测量降膜蒸发器预热传热性能和蒸发传热性能。本发明还提供了一种用于实现测试降膜蒸发器传热性能方法的测试系统，能够更准确的完成降膜蒸发器传热性能的测试。

附图说明

图1为降膜蒸发传热分析中饱和液膜进入传热管内蒸发过程示意图；

图2为降膜预热传热分析中过冷液膜进入传热管内预热和蒸发过程示意图；

图3为本发明中降膜蒸发器传热性能测试系统的示意图；

图中：加热储罐1，加热元件11，进液泵2，高位水箱3，流量调节阀31，真空度调节口32，真空度调节阀33，降膜蒸发器4，壳体41，传热管42，加热蒸汽入口43，加热蒸汽出口44，气液分离器45，气液分离箱5，冷凝水出口51，二次蒸汽出口52，冷凝水阀53，冷凝器6，上筒61，冷凝器壳体62，下筒63，冷凝管64，进口65，冷凝液出口66，蒸汽出口67，冷却水进口68，冷却水出口69，流量计70，第一计量罐71，第二计量罐72，第三计量罐73，第一温度传感器74，第二温度传感器75，第三温度传感器76，第一压力传感器77，第二压力传感器78，真空泵8，蒸汽吸收罐9，冷凝液阀10。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。

显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，若非特指，所有的设备和原料均可从市场上购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。

实施例1

如图1所示，用于实现测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能方法的测试系统，其由加热储罐1、高位水箱3、降膜蒸发器4、气液分离箱5、冷凝器6依次相连组成，加热储罐中设有加热元件11，加热储罐和高位水箱之间设有进液泵2，进液泵与高位水箱之间依次设有流量调节阀31和流量计70，高位水箱顶部设有真空度调节口32并设有真空度调节阀33；

降膜蒸发器由壳体41和传热管42组成，传热管设于壳体中，降膜蒸发器中的传热管与水平面垂直设置，传热管的顶端伸入高位水箱中并高于高位水箱的内底面，传热管的底端与气液分离箱相连通，壳体侧面设有热源入口43和热源出口44；蒸汽出口通过气液分离器45与第一计量罐71相连；气液分离箱还设有冷凝水出口51和二次蒸汽出口52，冷凝水出口与第二计量罐72相连，气液分离箱的冷凝水出口与第二计量罐之间设有冷凝水阀53；

冷凝器由上筒61、冷凝器壳体62、下筒63和冷凝管64组成，冷凝管设于冷凝器壳体中间，所述的上筒顶端设有进口65，下筒低端设有冷凝液出口66，下筒侧面设有蒸汽出口67，冷凝器壳体侧面设有冷却水进口68和冷却水出口69，蒸汽出口与真空泵8相连，蒸汽出口与真空泵之间设有蒸汽吸收罐9；冷凝液出口与第三计量罐73相连，冷凝器下筒低端的冷凝液出口与第三计量罐之间设有冷凝液阀10；

还设有，第一温度传感器74监控加热储罐中的温度，第二温度传感器75监控降膜蒸发器中传热管外的温度，第三温度传感器76监控传热管下端的温度；第一压力传感器77监控传热管内的压力，第二压力传感器78监控降膜蒸发器中传热管外的压力。

图1虚线部分为抽真空系统。

在开展测试过程时，首先检验测试系统的密封性，启动进液泵、真空泵，关闭真空度调节阀，检查设备各个法兰连接处及阀门处，是否漏水漏气，在确定实验系统密封完好后，检查各测量仪器，保证其正常工作。打开加热蒸汽锅炉的进水阀，确保供水箱内的水清洁无杂物并达到正常水位；确认锅炉安全阀、液位指示正常，开启总电源开关，自动补水完成后启动加热按钮，通过排气阀排出锅炉内的不凝气，然后关闭排气阀，直至加热蒸汽达到额定工作压力。启动温度采集系统及质量采集系统等，设定各数据采集时间。开启加热蒸汽进汽阀，使锅炉产生的加热蒸汽缓慢进入传热管壳程，确保加热蒸汽压力稳定在0.01MPa，此时壳程加热蒸汽温度为100℃，同时调节进水阀、进气阀等待稳定后开始测试，每组数据采集时间为30分钟。首先将测试流体以沸点温度通入到降膜蒸发器管程中对降膜蒸发器进行蒸发传热性能测试，测试并记录流体进入降膜蒸发器的温度、流体流出降膜蒸发器的温度、热源的温度、流体在降膜蒸发器中蒸发的质量和测试时间，同时测量计算降膜蒸发器传热管的长度、外径、内径及外表面积；通过降膜蒸发传热分析，获得液膜平均雷诺数与降膜蒸发传热系数的关系。再次，将测试流体以常温通入到降膜蒸发器管程中对降膜蒸发器进行传热性能测试，测试并记录流体进入降膜蒸发器的温度、流体流出降膜蒸发器的温度、热源的温度、流体在降膜蒸发器中蒸发的质量和测试时间；当流体以常温状态进入传热管内时，流体流动过程分为降膜预热和降膜蒸发两个阶段；根据降膜蒸发阶段液膜平均雷诺数及开始降膜蒸发实验所获得的液膜平均雷诺数与降膜蒸发传热系数的关系，通过线性插值的方法，获得蒸发阶段液膜平均雷诺数所对应的降膜蒸发传热系数；然后根据热量平衡分析，将降膜预热阶段长度和降膜蒸发阶段长度预以区分。

通过公式计算降膜蒸发器预热液膜无因次传热系数Nu₁，通过公式计算降膜蒸发器蒸发液膜无因次传热系数Nu₂；

其中，计算降膜蒸发器预热液膜无因次传热系数Nu₁的公式中，所述计算降膜蒸发器蒸发液膜无因次传热系数Nu₂的公式中，

在不同的流量下测试并采用最小二乘法对获得的降膜蒸发器预热液膜无因次传热系数和蒸发液膜无因次传热系数进行数据拟合，得到降膜蒸发器预热传热和蒸发传热关联式。降膜蒸发器预热与蒸发传热关联式形式为Nu＝f(Re,Pr)。

应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法，其特征在于包括以下步骤：

向降膜蒸发器壳体中通入热源，将测试流体以沸点温度通入到降膜蒸发器传热管中对降膜蒸发器进行蒸发传热性能测试；测试并记录测试数据及降膜蒸发器尺寸；

通过降膜蒸发传热分析，得到液膜平均雷诺数与降膜蒸发传热系数的关系；

向降膜蒸发器壳体中通入热源，将测试流体以常温通入降膜蒸发器传热管中降膜蒸发器进行传热性能测试，测试并记录测试数据；

通过热量平衡分析，区分降膜预热阶段长度与降膜蒸发阶段长度，通过降膜预热传热与降膜蒸发传热分析，利用公式计算降膜蒸发器预热液膜无因次传热系数Nu₁，利用公式计算降膜蒸发器蒸发液膜无因次传热系数Nu₂；

不同流量下测试并采用最小二乘法对获得的降膜蒸发器预热液膜无因次传热系数和降膜蒸发器蒸发液膜无因次传热系数进行数据拟合，得到降膜蒸发器预热传热和蒸发传热关联式。

2.根据权利要求1所述的一种用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法，其特征在于：所述的热源为不小于100℃的饱和水蒸气，所述测试流体的温度不大于100℃。

3.根据权利要求1所述的一种用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法，其特征在于：所述计算降膜蒸发器预热液膜无因次传热系数Nu₁的公式中，所述计算降膜蒸发器蒸发液膜无因次传热系数Nu₂的公式中，

4.根据权利要求1所述的一种用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法，其特征在于：其通过降膜蒸发器传热性能测试系统实现；

所述的降膜蒸发器传热性能测试系统由加热储罐、高位水箱、降膜蒸发器、气液分离箱、冷凝器依次相连组成；

所述加热储罐中设有加热元件，所述加热储罐和高位水箱之间设有进液泵；

所述降膜蒸发器由壳体和传热管组成，所述传热管设于壳体中，所述传热管伸入高位水箱中，所述传热管的底端与气液分离箱相连通，所述壳体侧面设有热源入口和热源出口；所述热源出口通过气液分离器与第一计量罐相连；所述的气液分离箱还设有冷凝水出口和二次蒸汽出口，所述冷凝水出口与第二计量罐相连；

所述冷凝器由上筒、冷凝器壳体、下筒和冷凝管组成，所述冷凝管设于冷凝器壳体中间，所述的上筒顶端设有进口，所述的下筒低端设有冷凝液出口，所述的下筒侧面设有蒸汽出口，所述的冷凝器壳体侧面设有冷却水进口和冷却水出口，所述蒸汽出口与真空泵相连；所述的冷凝液出口与第三计量罐相连；

还设有，第一温度传感器监控高位水箱中的温度，第二温度传感器监控降膜蒸发器中传热管外的温度，第三温度传感器监控传热管下端的温度；第一压力传感器监控传热管内的压力，第二压力传感器监控降膜蒸发器中传热管外的压力。

5.根据权利要求4所述的一种用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法，其特征在于：所述的进液泵与高位水箱之间还依次设有流量调节阀和流量计。

6.根据权利要求4所述的一种用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法，其特征在于：所述高位水箱顶部设有真空度调节口并设有真空度调节阀。

7.根据权利要求4所述的一种用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法，其特征在于：所述气液分离箱的冷凝水出口与第二计量罐之间设有冷凝水阀。

8.根据权利要求4所述的一种用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法，其特征在于：所述冷凝器下筒低端的冷凝液出口与第三计量罐之间设有冷凝液阀。

9.根据权利要求4所述的一种用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法，其特征在于：所述传热管的顶端伸入高位水箱中并高于高位水箱的底面。

10.根据权利要求4所述的一种用于测试降膜蒸发器预热和蒸发传热性能的方法，其特征在于：所述蒸汽出口与真空泵之间还设有蒸汽吸收罐。