薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流體傳熱性能的影響

1、收稿日期:2006207229作者簡(jiǎn)介:唐平(19812,男,湖南永州人,在讀碩士研究生,從事薄膜蒸發(fā)器計(jì)算流體力學(xué)方向的研究。文章編號(hào):100027466(20070120022205薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流體傳熱性能的影響唐平,賀小華,尹俠(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇南京210009摘要:以自行設(shè)計(jì)的0.4m 2薄膜蒸發(fā)器為模擬對(duì)象,采用CFD 分析軟件CFX4.4探討刮板與筒壁間隙、刮板數(shù)、筒體長(zhǎng)徑比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)薄膜蒸發(fā)器內(nèi)不同粘性料液的蒸發(fā)段長(zhǎng)度(有效蒸發(fā)面積和加熱段膜內(nèi)給熱系數(shù)的影響,研究結(jié)果初步為薄膜蒸發(fā)器優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:薄膜式蒸發(fā)器;結(jié)構(gòu)參數(shù);計(jì)算流體力學(xué);

2、傳熱性能中圖分類號(hào):TQ 051.6;O 35文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AInfluence of Structure Parameters of Thin Film Evaporatoron the Fluid H eat T ransfer PerformanceTANG Ping ,HE Xiao 2hua ,YIN Xia(College of Mechanical and Power Engineering ,Nanjing U niversity ofTechnology ,Nanjing 210009,China Abstract :Based on t he designed 0.4m 2t

3、 hin film evaporator ,t he influence of t he struct ure pa 2rameters such as t he clearance between blade and wall ,number of blade ,lengt h 2diameter ratio on t he evaporation lengt h (effective evaporation area and t he heating section film heat t ransfer coef 2ficient was discussed using t he CFD

4、 software CFX4.4wit h different viscous liquid as feed liquid ,which primarily laid a foundation for optimization design of t hin film evaporator.K ey w ords :t hin film evaporator ;st ruct ure parameters ;CFD ;heat t ransfer performance薄膜蒸發(fā)器具有傳熱系數(shù)高、蒸發(fā)強(qiáng)度大、低溫蒸發(fā)效果好、物料停留時(shí)間短、適用的粘度范圍寬及操作彈性大等優(yōu)越性能,在化工、輕工、制

5、藥、環(huán)保及食品等行業(yè)中逐步得到推廣和應(yīng)用13。國(guó)內(nèi)外對(duì)薄膜蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)和蒸發(fā)效率進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室研究,并從結(jié)構(gòu)和操作工藝上進(jìn)行了優(yōu)化4,5。由于沸騰傳熱及刮板刮擦成膜的復(fù)雜性,用于薄膜蒸發(fā)器設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)十分缺乏,用于蒸發(fā)設(shè)計(jì)計(jì)算的液膜側(cè)傳熱系數(shù)主要是液膜受熱的數(shù)據(jù)6。對(duì)蒸發(fā)器的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)多以水為介質(zhì),有關(guān)粘性料液的傳熱數(shù)據(jù)則報(bào)道較少。文獻(xiàn)7和文獻(xiàn)8采用CFX4.4研究了薄膜蒸發(fā)器內(nèi)純物質(zhì)水和粘性料液的流動(dòng)特性以及各種場(chǎng)分布,探討了刮板轉(zhuǎn)速、進(jìn)料量等參量對(duì)薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響。模擬結(jié)果表明,粘性料液速度分布與水存在差異,粘性料液液膜厚度內(nèi)沒(méi)有形成明顯的傳遞邊界層。對(duì)高粘度料液

6、而言,基于堿液蒸發(fā)濃縮開(kāi)發(fā)的薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)從動(dòng)量熱量傳遞角度而言,尚有進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的余地。文中在文獻(xiàn)7和文獻(xiàn)8的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探討薄膜蒸發(fā)器刮板與筒壁間隙C 、刮板數(shù)n 及筒體長(zhǎng)徑比L /D 等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)各種粘性流體傳熱性能的影響,為薄膜蒸發(fā)器優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)及進(jìn)一步研究傳熱傳質(zhì)機(jī)理奠定一個(gè)良好的基礎(chǔ)。1薄膜蒸發(fā)器工作原理薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的流體流動(dòng)可視為轉(zhuǎn)子刮板引起的切向流動(dòng)和重力引起的軸向流動(dòng)的合成9,見(jiàn)圖第36卷第1期石油化工設(shè)備Vol 136No 112007年1月PETRO 2CH EMICAL EQU IPM EN T Jan.20071,液膜流態(tài)可分為3個(gè)區(qū)域:刮板前緣液體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)作用形

7、成的渦旋圈形波,此部分流體呈螺旋狀向下流動(dòng)。刮板后緣附近形成的紊流液膜。紊流液膜與下一個(gè)圈形波之間由于刮板作用的消失而形成的層流液膜 。圖1薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體流動(dòng)過(guò)程示意圖2傳熱模型2.1幾何模型根據(jù)文獻(xiàn)9對(duì)薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流場(chǎng)的分析,將整個(gè)薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體流道簡(jiǎn)化為緊貼筒體內(nèi)壁的薄膜和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的圈形波兩部分。文獻(xiàn)7給出了流場(chǎng)分析參數(shù)中各種料液膜厚、圈形波尺寸及刮板與筒壁間隙的確定方法。本文的模擬計(jì)算以文獻(xiàn)7的幾何模型參數(shù)作為計(jì)算基準(zhǔn)參數(shù),即筒體長(zhǎng)徑比L/D =4.235(L =720mm ,D =170mm ,刮板末端和筒壁之間間隙C =1.67,其中為液膜厚度。兩塊刮板周向均布。2.2 數(shù)學(xué)模型

8、2.3計(jì)算條件考慮到薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體流動(dòng)傳熱的復(fù)雜性,本研究的計(jì)算條件包括:圈形波和薄膜流體的入口給定初始軸向速度。固體壁面邊界條件為無(wú)滑移固體壁面。自由表面處無(wú)剪切力。在固體表面處加以恒定的熱流率。入口溫度為定值。假設(shè)流體不可壓縮。加熱段內(nèi),假設(shè)液相流體的物理特性不變 。圖2薄膜蒸發(fā)器計(jì)算模型3傳熱模擬計(jì)算3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑榱诉M(jìn)一步探討粘性料液在薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的傳熱性能,本文以純物質(zhì)水為基礎(chǔ),繼而改變料液粘度(其余物理性質(zhì)同水,選取介質(zhì)水及粘性物料A 、B 、C 、D 、E 、F 、G (物料A G 由進(jìn)口到蒸發(fā)段間的動(dòng)力粘度分別為0.3Pa s 、0.5Pa s 、1.0Pa s 、2.0Pa

9、 s 、0.4Pa s 、1.5Pa s 和3.0Pa s ,分析刮板與筒壁間隙、刮板數(shù)、筒體長(zhǎng)徑比對(duì)傳熱性能的影響。3.2實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的工藝操作參數(shù)為,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速200r/min ,進(jìn)料量60L/h ,物料進(jìn)口溫度35,筒體內(nèi)壁施加q =3×104W/m 2的固定熱流,設(shè)備內(nèi)真空度選為70.17kPa ,此時(shí)各物料的沸點(diǎn)為70(343K 。3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)(1刮板與筒壁間隙根據(jù)文獻(xiàn)9,膜厚約為刮板末端和筒壁之間間隙C 的55%65%。刮板與筒壁之間間隙取值分別為C 1=1.428,C 2=1.538,C 3=1.670,C 4=1.818,C 5=2。(2刮板數(shù)刮板數(shù)

10、分別選取2、3、4。(3筒體長(zhǎng)徑比為了進(jìn)一步分析筒體長(zhǎng)徑比對(duì)薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體傳熱性能的影響,以蒸發(fā)面積0.4m 2為基準(zhǔn),在相同蒸發(fā)面積的情況下改變筒體長(zhǎng)徑比進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)12,立式薄膜蒸發(fā)器的長(zhǎng)徑比一般為36,現(xiàn)選取如下長(zhǎng)徑比進(jìn)行模擬計(jì)算分析:L/D =3.06(612/200、L/D =3.778(680/180、L/D =4.235(720/170、L/D =4.78132第1期唐平,等:薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流體傳熱性能的影響(765/160、L/D=5.44(816/150。3.4影響蒸發(fā)效果的參數(shù)(1加熱段內(nèi)液膜傳熱系數(shù)將薄膜蒸發(fā)器筒體內(nèi)壁視為足夠薄,在無(wú)限薄的筒體內(nèi)壁施加一

11、個(gè)固定的熱流,與蒸發(fā)器內(nèi)料液進(jìn)行對(duì)流傳熱。本文以文獻(xiàn)13中0.4m2薄膜蒸發(fā)器對(duì)水的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),取熱流密度q=3×104W/m2,加熱段液膜內(nèi)傳熱系數(shù)=q/T,T為對(duì)數(shù)溫差。(2有效蒸發(fā)面積及蒸發(fā)段長(zhǎng)度l在薄膜蒸發(fā)器內(nèi)部,料液從進(jìn)口到出口經(jīng)歷了加熱至沸點(diǎn)和蒸發(fā)濃縮兩個(gè)部分,有效蒸發(fā)面積即用于蒸發(fā)濃縮的蒸發(fā)面積,蒸發(fā)段長(zhǎng)度l即為料液進(jìn)行相變蒸發(fā)的那一段筒體長(zhǎng)度。在相同長(zhǎng)徑比的情況下,在保證料液濃度及產(chǎn)量條件下,蒸發(fā)段越長(zhǎng),則筒壁的有效蒸發(fā)面積越大,蒸發(fā)效率也相應(yīng)地提高。在相同傳熱面積的條件下,有效蒸發(fā)面積和蒸發(fā)段長(zhǎng)度也是判斷蒸發(fā)效果的因素之一。4結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析4.1刮板與筒壁間隙

12、不同粘性料液刮板與筒壁間隙對(duì)蒸發(fā)段長(zhǎng)度l和膜內(nèi)傳熱系數(shù)的影響關(guān)系見(jiàn)圖3a和圖3b 。圖3刮板與筒壁間隙對(duì)蒸發(fā)段長(zhǎng)度和膜內(nèi)傳熱系數(shù)的影響由圖可知,不同料液的蒸發(fā)段長(zhǎng)度l和膜內(nèi)傳熱系數(shù)均隨著刮板與筒壁間隙的增大而減少。刮板與筒壁間隙愈大,壁面的熱量愈難傳遞到液膜和圈形波流體中,二者間的動(dòng)量和熱量交換愈不容易,料液也愈難蒸發(fā)。進(jìn)一步分析表明,高粘度料液蒸發(fā)段長(zhǎng)度l和膜內(nèi)傳熱系數(shù)隨刮板與筒壁間隙的增大而減少的趨勢(shì)變緩。4.2刮板數(shù)不同粘性料液刮板數(shù)對(duì)蒸發(fā)段長(zhǎng)度l和膜內(nèi)傳熱系數(shù)的影響關(guān)系見(jiàn)圖4a和圖4b。由圖4可以看出,各料液的蒸發(fā)段長(zhǎng)度l均隨著刮板數(shù)的增多而增大,當(dāng)刮板數(shù)由2增大到3時(shí),蒸發(fā)段長(zhǎng)度l增

13、加幅度遠(yuǎn)大于刮板數(shù)由3到4時(shí)的增加幅度。顯然,在進(jìn)料量、轉(zhuǎn)速一定的情況下,刮板數(shù)愈多,料液平均徑向速度增大,徑向混合加大,流體湍流程度加劇,促進(jìn)熱交換。本設(shè)備內(nèi)筒直徑較小,刮板數(shù)為3或4時(shí)已達(dá)到最優(yōu)蒸發(fā)效果 。圖4刮板數(shù)對(duì)蒸發(fā)段長(zhǎng)度和膜內(nèi)傳熱系數(shù)的影響任一刮板數(shù)下,蒸發(fā)段長(zhǎng)度l與料液粘度之間的關(guān)系較為復(fù)雜。文獻(xiàn)7中的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明,隨著料液粘度的增加,液膜內(nèi)平均軸向速度變低,料液在設(shè)備內(nèi)的平均停留時(shí)間增加,一定程度上提高42石油化工設(shè)備2007年第36卷了蒸發(fā)強(qiáng)度。此外,料液粘度增大,液膜厚度以及圈形波內(nèi)流體與液膜內(nèi)流體流速之比增大,圈形波與液膜內(nèi)流體熱交換更新能力降低。由圖4a 可以發(fā)

14、現(xiàn),在同一刮板數(shù)下,隨著物料粘度的增加,蒸發(fā)段長(zhǎng)度l 先是迅速增大,到達(dá)極值以后開(kāi)始下降,當(dāng)粘度大于一定值后該蒸發(fā)段長(zhǎng)度l 又趨于平穩(wěn)。在本文計(jì)算范圍內(nèi),物料E 的蒸發(fā)段長(zhǎng)度最大。由圖4b 發(fā)現(xiàn)在一定粘度范圍內(nèi),膜內(nèi)傳熱系數(shù)隨著刮板數(shù)的增多而有所增大,當(dāng)粘度大于1.0Pa s 后,則隨著刮板數(shù)的增多而略有降低,這是因?yàn)樵诘驼扯葪l件下,刮板數(shù)的增多能增強(qiáng)液膜湍動(dòng),使傳熱系數(shù)提高。但在料液粘度高時(shí),過(guò)多的刮板數(shù)會(huì)使刮板前的前鋒波延伸到拖曳渦流,反而使傳熱系數(shù)有所下降。文中的這一結(jié)果與文獻(xiàn)12結(jié)論一致。4.3不同筒體長(zhǎng)徑比不同粘性料液筒體長(zhǎng)徑比對(duì)有效蒸發(fā)面積和膜內(nèi)傳熱系數(shù)的影響關(guān)系見(jiàn)圖5a 和圖5b

15、 。由圖5a 可以知道,對(duì)于介質(zhì)水,有效蒸發(fā)面積隨著長(zhǎng)徑比的增大而有所增加,而其它粘性料液在不同長(zhǎng)徑比下有效蒸發(fā)面積幾乎相等,長(zhǎng)徑比的改變對(duì)有效蒸發(fā)面積的改變影響很小。由圖5b 可知,各粘性物料的隨著長(zhǎng)徑比的增大而變小,當(dāng)L/D =3.06時(shí),最大,對(duì)于介質(zhì)水,其 則隨著長(zhǎng)徑比的增大而有所增大。圖5長(zhǎng)徑比對(duì)有效蒸發(fā)面積和膜內(nèi)傳熱系數(shù)的影響文獻(xiàn)7數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明,粘性料液較之于水蒸發(fā)段長(zhǎng)度較長(zhǎng)。本文計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)于粘性料液,低的長(zhǎng)徑比可以獲得更高的傳熱系數(shù),這與文獻(xiàn)5,12的結(jié)果一致。綜合圖3圖5的模擬計(jì)算結(jié)果可知,針對(duì)高粘性料液,基于堿液蒸發(fā)濃縮開(kāi)發(fā)的機(jī)械攪拌式薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)尚有進(jìn)一步優(yōu)

16、化設(shè)計(jì)的余地。針對(duì)本設(shè)備而言,合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)為,刮板數(shù)n =34,長(zhǎng)徑比L /D =3.06,刮板間隙盡量小或者采用刮壁式轉(zhuǎn)子。5結(jié)語(yǔ)采用CFD 分析軟件CFX4.4對(duì)薄膜蒸發(fā)器內(nèi)不同粘性料液在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的傳熱性能進(jìn)行了初步研究。研究結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對(duì)蒸發(fā)段長(zhǎng)度(有效蒸發(fā)面積和傳熱系數(shù)影響較大,其中,減少刮板與筒壁間隙可有效增大蒸發(fā)段長(zhǎng)度l ,提高加熱段膜內(nèi)傳熱系數(shù)。刮板數(shù)的增加可增大蒸發(fā)段長(zhǎng)度l ,一定粘度范圍內(nèi)加熱段膜內(nèi)傳熱系數(shù)隨著刮板數(shù)的增多而增大,但粘度大于一定值后,則隨著刮板數(shù)的增多而略有降低。刮板數(shù)的增加對(duì)影響不明顯。長(zhǎng)徑比的改變對(duì)有效蒸發(fā)面積的改變影響很小,對(duì)粘性物

17、料,小的設(shè)備長(zhǎng)徑比能提供更大的加熱段膜內(nèi)傳熱系數(shù),而對(duì)于介質(zhì)水則恰恰相反。參考文獻(xiàn):1Mutzenburg A B.Agitated Thin 2Film EvaporatorsJ .Chemi 2cal Engineering ,1965,13:1752178.2Mckelvey J M ,Sharps G V.Fluid Transport in Thin Film Poly 2mer ProcessorsJ .Polym Eng.Sci.,1979,19(9:6512659.3陳合,楊輝.刮板薄膜蒸發(fā)器的特性及其應(yīng)用研究J .西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1998,16(2:60264.4Miya

18、shita H.Heat Transfer Correlation in High Prandtl Num 25Mckenna T F.Design Model of a Wiped Film Evaporator Ap 26馬四朋,楊卓如,涂偉萍,等.攪拌薄膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)機(jī)理及強(qiáng)化研究進(jìn)展J .化學(xué)工業(yè)與工程,2002,19(2:1852190.7賀小華,唐平,李佳,等.薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體流動(dòng)特性的數(shù)值模擬J .過(guò)程工程學(xué)報(bào),2005,5(4:3572363.8賀小華,李佳,陸小華.薄膜蒸發(fā)器溫度場(chǎng)及膜內(nèi)給熱系數(shù)的數(shù)值模擬J .過(guò)程工程學(xué)報(bào),2005,5(4:3642369.52第1期唐平,等

19、:薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流體傳熱性能的影響9K omori S , Takata K ,Murakami Y.Flow Structure and Mixing10王志峰,黃雄斌,施力田,等.垂直列管加熱的攪拌槽中溫度場(chǎng)的測(cè)量與數(shù)值模擬J .化工學(xué)報(bào),2002,53(11:117521181.11蔡樹(shù)棠,劉宇陸.湍流理論M .上海:上海交通大學(xué)出版社,1993:2532254.12化學(xué)工程手冊(cè)編輯委員會(huì).化學(xué)工程手冊(cè),第9篇蒸發(fā)與結(jié)晶M .北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1985:52265.13李佳.薄膜蒸發(fā)器傳熱性能分析與實(shí)驗(yàn)研究D .南京:南京工業(yè)大學(xué),2004:27264.(許編收稿日期:2006

20、208211作者簡(jiǎn)介:樊水沖(19802,男,江蘇通州人,碩士,從事高效傳熱傳質(zhì)技術(shù)的相關(guān)工作。文章編號(hào):100027466(20070120026204SMV 型靜態(tài)混合器的試驗(yàn)研究樊水沖,楊學(xué)忠,郭勇(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇南京210009摘要:建立了空氣2水套管式換熱器的試驗(yàn)臺(tái),分別測(cè)量、計(jì)算了空管和SMV 型靜態(tài)混合器的管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù),后者比前者提高了4.36倍。通過(guò)建立與之具有相同尺寸的模型,在合理的近似工況下,數(shù)值模擬了空氣在SMV 型靜態(tài)混合器內(nèi)的流動(dòng)與傳熱。與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn),數(shù)值計(jì)算具有相當(dāng)?shù)目煽啃浴ｊP(guān)鍵詞:靜態(tài)混合器;傳熱系數(shù);強(qiáng)化傳熱;數(shù)值計(jì)算中圖分類號(hào)

21、:TQ 05117;T K 124文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AThe Experiment Study on the SMV Static MixerFAN Shui 2chong ,YANG Xue 2zhong ,GU O Yong(College of Mechanical and Power Engineering ,Nanjing U niversityof Technology ,Nanjing 210009,China Abstract :A test platform for air 2water double pipes heat exchanger has been set up.The convec 2tive coefficient s of SMV static mixer was measured and calculated.It has been found t hat it is en 2hanced 4.36times t han t he previous compared wit h t he blan