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） 符号说明 A 换热面积, m2 C 凝结蒸汽质量流量, kg/s F 冷流质量流量, kg/s g 重力加速度, m/s2 h 单位质量焓, J/kg h+ 因次传热系数, 根据公式（8） k 热导率, W/(m ℃) L 液体质量流量, kg/s Pr 普朗特数，无因次数 Re 雷诺数,无因次数 Q 热交换, W r 蒸发管半径, m RF 污垢热阻, m2 ℃ /W S 蒸汽质量流量, kg/s U 总传热系数, W/(m2 ℃) V 蒸汽质量流量, kg/s x 蔗糖的质量分数, kg 蔗糖/kg 水 △T 冷热流体之间温差, ℃ ρ 密度, kg/mρ μ 粘性, Pa s 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ALVAL。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NPr,L和NRe,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 价值大大高于由这些方法计算的关联式更高。 虽然湍流区没有包括在目前的工作，可以预计，在该区域的趋势回归，就表明了Bays (1940)等人的关联式。 在Ahmed和Kaparthi（1963）的关联式，Wilke(1962)和Drew, Bays (1940)等人似乎维持在层流和过渡区相同的斜率，这与这项工作的结果相矛盾。 另一方面，从Uche, Artal,和Serra (2002)最近的工作中，根据很多作者的不同数据得到Rel的范围从10到20000，并且知道，随着系数的下降，当Rel=2500它成为最低，随着Rel的增加系数增大（见图3）。 这个结果是有说服力的，并且显示了比率是以前结果的3到11倍，从1到4.5比较他们和目前的工作。工程师面临的问题是，他/她要选择一个适当的蒸发传热系数方程是显而易见的。 表3 相关分析报告，无因次传热系数的计算

6.结论 这项工作的目的在于收集影响单效立式降膜蒸发器传热的实验数据，确定影响条件，获得计算传热系数的关联式,关联式应适用于果汁生产中的任何一个蒸发单元。 传热系数的关联式可以由雷诺数和普朗特数得到。但是只含雷诺数的关联式应用有特定的系统。 尽管这些设备都是在层流区和过渡区得到的实验结果，但是从条件中知道这个结果是在果汁生产中得到的。特别对于第二效，使其真正的增加了浓度和降低了温度，从而使粘度增加，降低当前的雷诺数。 鸣谢 作者们感谢阿根廷下列机构的财政支持：Consejo Nacional de