3蒸发器的传热面积计算
蒸发器的设计计算
蒸发器的设计计算蒸发器是一种用于蒸发液体的设备，广泛应用于化工、制药、食品等行业。
它通过提供适当的温度和压力条件，将液体转化为气体，并将其中的溶质分离出来。
蒸发器的设计计算是确保蒸发器能够有效地工作并达到预期性能的重要一环。
1.蒸发器的传热计算：蒸发过程是通过传热实现的，因此需要计算蒸发器的传热表面积和传热系数。
传热表面积的确定涉及到物料的传热需求以及蒸发器的设计参数，例如液体和气体的温度差，气体速度等。
传热系数的计算可以通过经验公式或者通过实验测定得到。
2.蒸发器的蒸汽消耗计算：蒸发过程需要提供适当的蒸汽量来提供传热热量，因此需要计算蒸汽的需求量。
蒸汽消耗的计算涉及到蒸发器的传热效率、物料的传热需求以及蒸汽的热量等因素。
3.蒸发器的液体供给计算：蒸发器是通过液体供给来进行蒸发的，因此需要计算液体的供给量。
液体供给的计算涉及到物料的蒸发速率、液体的流量以及液体的浓度等因素。
4.蒸发器的驱动力计算：蒸发器需要提供适当的驱动力来推动蒸发过程，因此需要计算驱动力的大小。
驱动力的计算涉及到物料的浓度差、压力差以及温度差等因素。
除了以上几个方面，蒸发器的设计还需要考虑到其他因素，例如材料的选择、操作条件的确定以及设备的尺寸等。
蒸发器的设计计算需要综合考虑这些因素，并根据实际情况进行优化。
总结起来，蒸发器的设计计算是一个复杂的过程，需要综合考虑传热、蒸汽消耗、液体供给以及驱动力等因素。
这些计算是确保蒸发器能够有效地工作并达到预期性能的关键。
通过合理的设计计算，可以提高蒸发器的效率，提高生产能力，降低能源消耗，并确保产品质量的稳定性。
蒸发物料和热量衡算
第五章蒸发本章学习要求1．熟练掌握的内容单效蒸发过程及其计算（包括水分蒸发量、加热蒸汽消耗量、有效温度差及传热面积的计算）；蒸发器的生产能力、生产强度和单位蒸汽消耗量。
2．理解的内容蒸发操作的特点；多效蒸发操作的流程及最佳效数。
3．了解的内容蒸发过程的工艺应用与分类；常用蒸发器的结构、特点和应用场合；蒸发器的选用。
多效蒸发过程的计算。
§5.1 概述一、蒸发操作及其特点工程上把采用加热方法，将含有不挥发性溶质（通常为固体）的溶液在沸腾状态下，使其浓缩的单元操作称为蒸发。
蒸发操作广泛应用于化工、轻工、食品、医药等工业领域，其主要目的有以下几个方面：1、浓缩稀溶液直接制取产品或将浓溶液再处理（如冷却结晶）制取固体产品，例如电解烧碱液的浓缩，食糖水溶液的浓缩及各种果汁的浓缩等；2、同时浓缩溶液和回收溶剂，例如有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯，中药生产中酒精浸出液的蒸发等；3、为了获得纯净的溶剂，例如海水淡化等。
图5－1为一典型的蒸发装置示意图。
图中蒸发器由加热室1和分离室2两部分组成。
加热室为列管式换热器，加热蒸汽在加热室的管间冷凝，放出的热量通过管壁传给列管内的溶液，使其沸腾并汽化，汽液混合物则在分离室中分离，其中液体又落回加热室，当浓缩到规定浓度后排出蒸图5－1 蒸发装置示意图发器。
分离室分离出的蒸汽（又称二次蒸汽，以区别于加热蒸汽或生蒸汽），先经顶部除沫器5除液，再进入混合冷凝器3与冷水相混，被直接冷凝后，通过大气腿7排出。
不凝性气体经分离器4和缓冲罐5由真空泵6排出。
工程上，蒸发过程只是从溶液中分离出部分溶剂，而溶质仍留在溶液中，因此，蒸发操作即为一个使溶液中的挥发性溶剂与不挥发性溶质的分离过程。
由于溶剂的汽化速率取决于传热速率，故蒸发操作属传热过程，蒸发设备为传热设备，如图5-1的加热室即为一侧是蒸汽冷凝，另一侧为溶液沸腾的间壁式列管换热器。
此种蒸发过程即是间壁两侧恒温的传热过程。
但是，蒸发操作与一般传热过程比较，有以下特点：1、溶液沸点升高由于溶液含有不挥发性溶质，因此，在相同温度下，溶液的蒸气压比纯溶剂的小，也就是说，在相同压力下，溶液的沸点比纯溶剂的高，溶液浓度越高，这种影响越显著，这在设计和操作蒸发器时是必考虑的。
[工学]食品工程原理06蒸发
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料液
2. 强制循环式蒸发器
5
二次蒸气
4
优点：适用于粘度大、易
1-加热室 2-循环泵
结晶、易结垢物料
加热 蒸气 3 1 完成液
3-循环管 4-蒸发室
5-除沫器
的蒸发循环速度大
小可调节，传热系 数较大。 缺点：动力消耗大。
2
（二）非循环型蒸发器（单程蒸发器）
1. 单程型蒸发器的特点 1
应用：
适于处理蒸发量大的稀溶液以及热敏性 或易生泡的溶液；不适于处理高粘度、 有结晶析出或易结垢的溶液。
3. 降膜式蒸发器
结构：
其加热室与升膜式蒸发器类似。
原理：
原料液由加热室顶部加入，经管端的液体 分布器均匀地流入加热管内，在溶液自身 重力作用下，溶液沿管内壁呈膜状下流， 并进行蒸发。
要求：
为了使溶液能在壁上均匀分布，且防止二 次蒸气由加热管顶端直接窜出，加热管顶 部必须设置加工良好的液体分布器。
（2）加热蒸气消耗量（热量衡算）
对蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽在饱和温度下排出 时，有：
FhF SHS VHV Shs Php
式中：S —— 加热蒸汽消耗量，kg/s； hF，hP，hs — 加料液，完成液和冷凝水的热焓，kJ/kg HV，Hs—— 二次蒸汽和加热蒸汽的热焓，kJ/kg。
单效蒸发
二次蒸气不加利用而直接送到冷 凝器进行冷凝的蒸发操作。
将蒸发器产生的二次蒸气通到另外一
多效蒸发
个蒸发器作为加热蒸气，以便提高加 热蒸气（生蒸气）的利用率，这种串
联蒸发操作称为多效蒸发。
蒸发的目的
除去液态食品中的大量水分，减少包装、贮藏和运输费用。 提高制品浓度，获得浓缩的溶液直接作为产品或半成品。 使溶液达到适合于结晶操作的状态（饱和或过饱和浓度， 便于结晶操作。
蒸发器效率公式
蒸发器效率公式蒸发器是一种常见的热交换设备，用于将液体转化为蒸汽。
蒸发器的效率是衡量其工作性能的重要指标。
本文将介绍蒸发器效率的计算公式及其影响因素，以及如何提高蒸发器的效率。
蒸发器的效率可以通过以下公式来计算：效率 = (蒸发器传热量 / 理论最大传热量) × 100%其中，蒸发器传热量是指单位时间内从液体中传递给蒸汽的热量，理论最大传热量是指在理想条件下蒸发器可以达到的最大传热量。
蒸发器效率的计算公式可以帮助我们评估蒸发器的工作性能。
这个公式中的两个关键参数是蒸发器传热量和理论最大传热量。
蒸发器传热量取决于蒸发器的设计和工作条件，而理论最大传热量则取决于液体的热物性和蒸汽的热物性。
蒸发器效率的影响因素有很多，下面我们将重点介绍几个关键因素。
首先是蒸发器的设计。
蒸发器的设计需要考虑液体和蒸汽的流动方式、传热面积和传热方式等因素。
合理的设计可以增加液体和蒸汽之间的接触面积，提高传热效率。
其次是蒸发器的工作条件。
蒸发器的工作条件包括液体的进口温度、蒸汽的进口温度和压力等因素。
适当调整这些参数可以提高蒸发器的效率。
例如，增加液体的进口温度可以提高蒸发器的传热量。
蒸发器的热物性也会影响其效率。
热物性是指液体和蒸汽的传热性能，包括热导率、比热容和密度等参数。
不同的液体和蒸汽具有不同的热物性，因此蒸发器的效率也会有所差异。
提高蒸发器效率的方法有很多。
首先，可以优化蒸发器的设计，增加传热面积和接触面积，提高传热效率。
其次，可以调整蒸发器的工作条件，如增加液体的进口温度和蒸汽的进口压力，以提高传热量。
此外，选择具有良好热物性的液体和蒸汽也能提高蒸发器的效率。
蒸发器效率是评估蒸发器工作性能的重要指标。
通过计算蒸发器的效率，可以评估其传热性能。
蒸发器效率的计算公式包括蒸发器传热量和理论最大传热量两个关键参数。
蒸发器效率的影响因素包括蒸发器的设计、工作条件和热物性等。
为了提高蒸发器的效率，可以优化蒸发器的设计，调整工作条件，并选择具有良好热物性的液体和蒸汽。
蒸发器安装技术—蒸发器的选择计算
L=F/0.119=130.2/0.119=1094(m)
4．计算管子重量 G=L×g=1094×1.94=2122(kg)=2.122(t)
蒸发器的选择计算
二、冷风机和排管的选择计算
（二）排管的选择计算——例题
5．顶排管设计
若冷库的进深为20m，则顶排管设计长度为19 m，管距180 mm，每根U形 管长度为38.1 m，U形管间距150 mm。U形管根数为1094/38.1=28.7根， 取29根U形管。顶排管宽度为28×150=4200mm。
(1)确定传热温差，根据表6—13可得传热温差△t=10℃ (2)据to=-18℃，从表6—11中查得 K’=6.98(W／m2·℃)
二、冷风机和排管的选择计算
（二）排管的选择计算——例题
(3)据已知条件从表6—12中查出：
C1=1，因为S／D=150／38=4
C2=1
蒸发器的选择与安装
C3=1.1(氨泵供液)
（二）排管的选择计算
各种形式排管换算系数表
排管形式
Cl S/D=4 S/D=2
C2
C3 非氨泵供液 氨泵强制供液
光滑U形顶排管
1.0 1.0000 (0.038/D)0.18
1.0
1.0
单层光滑蛇形顶排管 1.0 0.9750 (0.038/D)0.18
1.0
1.1
双层光滑蛇形顶排管 1.0 1.0000 (0.038/D)0.18
qv Qq =1.0×39000=39000 m3／h
根据冻结间所需冷却面积与风量，结合冷风机横向布置要求，可选用KLJ200 型冷风机二台(每台换热面积200m2，风量19980m3／h)。
二、冷风机和排管的选择计算
化工原理上第5章5 蒸发
效数选择：
生蒸汽经济性随效数提高幅度减小，而设备费用始终 正比于效数。 选取原则：设备费用和操作费用总和最小，
通常选取2-3效。
5.4.4 提高加热蒸汽经济性的措施
(1) 额外蒸汽的引出 (2) 冷凝水的闪蒸 (3) 多效变级闪蒸 (4) 热泵蒸发
(1) 额外蒸汽的引出
在多效蒸发中，可在前几效引出部分二次蒸气，称为额外蒸气,作为 其它加热设备的热源。引出额外蒸气时，生蒸气的消耗量增加，但 所增加的生蒸气量小于引出的额外蒸气总量，从总体来看，生蒸气 的经济性提高了.
(2) 蒸发器的传热面积计算和有效温差分配
各效有：
Ai
Qi K i ti
t1
: t2
: t3
Q1 K1 A1
:
Q2 K2 A2
:
Q3 K3 A3
一般取： A1 A2 A.3 ...An
得：
t1
:
t2
:
t3
Q1 K1
:
Q2 K2
: Q3 K3
t1
Q1
/ K1 Qi
已知： F, x0 , t0 , x, p, p
求： W，D，A （ 以平流流程为例）
(1) 物料衡算和热量衡算
1) 物料衡算
W
n
Wi
总溶质：
Fx0
i 1
(F
W )xn
W
F (1
x0
)
xn
任一效溶质：Fx0 (F W1...Wi )xi
xi
(F
Fx0 W1...Wi )
蒸发室
加热室
完成液 Fq-mW0,-xqmw,w, t,tc,,ch,,h
蒸发器的设计计算
蒸发器的设计计算蒸发器设计计算已知条件：工质为R22，制冷量为3kW，蒸发温度为7℃。
进口空气的干球温度为21℃，湿球温度为15.5℃，相对湿度为56.34%；出口空气的干球温度为13℃，湿球温度为11.1℃，相对湿度为80%。
当地大气压力为Pa。
1.蒸发器结构参数选择选择φ10mm×0.7mm紫铜管，厚度为0.2mm的铝套片作为翅片，肋片间距为2.5mm，管排方式采用正三角排列，垂直于气流方向的管间距为25mm，沿气流方向的管排数为4，迎面风速为3m/s。
2.计算几何参数翅片为平直套片，考虑套片后的管外径为10.4mm，沿气流方向的管间距为21.65mm，沿气流方向套片的长度为86.6mm。
设计结果为每米管长翅片表面积为0.3651m²/m。
每米管长翅片间管子表面积为0.03m²/m。
每米管长总外表面积为0.3951m²/m。
每米管长管内面积为0.027m²/m。
每米管长的外表面积为0.m²/m。
肋化系数为14.63.3.计算空气侧的干表面传热系数1）空气的物性空气的平均温度为17℃。
空气在下17℃时的物性参数为：密度为1.215kg/m³，比热容为1005kJ/(kg·K)。
2）空气侧传热系数根据空气侧传热系数的计算公式，计算得到空气侧的干表面传热系数为12.5W/(m²·K)。
根据给定的数据，蒸发器的尺寸为252.5mm×1mm×10.4mm。
空气在最窄截面处的流速为5.58m/s，干表面传热系数可以用小型制冷装置设计指导式(4-8)计算得到，计算结果为68.2W/m2·K。
在确定空气在蒸发器内的变化过程时，根据进出口温度和焓湿图，可以得到空气的进出口状态点1和点2的参数，连接这两个点并延长与饱和气线相交的点w的参数为hw25kJ/kg。
dw6.6g/kg。
tw8℃。
常用蒸发器的传热系数与单位换热面积推荐数据
蒸发器型式 沉浸 式 （水 箱 型） 蒸发 器 氨-盐水 氨-水 氨-盐水 氨-水 氟利昂-水 盘管 氟利昂-盐水 式 氟利昂-水 直立 管式 螺旋 管式 满式 壳管 式 氨-盐水 氨-水 传热系数
W/m2*℃
单位面积热 负荷W/m2 2300~2600 2600~2900 2300~2900 2900~3500 1（2）载冷剂流速为 0.5~0.7m/s （1）平均传热温差5℃（2）载冷剂流速为 0.3~0.7m/s 有搅拌器 （1）平均传热温差4~6℃（2）载冷剂流速为 1~1.5m/s （1）平均传热温差4~6℃（2）载冷剂流速为 1~2m/s （1）平均传热温差7~9℃（2）载冷剂流速为 2~2.5m/s （1）平均传热温差2~4℃（2）载冷剂流速为 1~1.5m/s （1）平均传热温差2~4℃（2）水流速为 1~1.2m/s（3）R22，8肋铝芯内肋管
460~520 520~580 460~580 520~700 350~460 115~140 170~200 460~580 580~750 450~900
2300~2900 2900~4000
卧式 壳管 式蒸 发器 干式 壳管 式
氟利昂-水
330~770 1628~1745
用蒸发器的传热系数与单位换热面积推荐数据
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3．蒸发器的传热面积计算
根据传热基本方程
均t K Q A ∆=
式中
A ——换热器的传热面积，m 2；Q ——蒸发器的热负荷，W ； 均
t ∆——传热平均温差，℃；K ——换热器的总传热系数，W/( m 2
·℃)。
根据热量衡算，蒸发器的热负荷
Dr Q =；蒸发过程为加热蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温传热，1t T t -=∆均；K 值可按传热章提供的公式计算.
1t T t -=∆——有效温度差（蒸发的推动力）
课堂练习：习题6-2 习题6-3
补充习题：
（1）已知单效常压蒸发器每小时处理２t Ｎa ＯＨ水溶液，溶液浓度由15％（质量）浓缩到25％(质量)。
加热蒸汽压强为400kPa(绝压)，冷凝后在饱和温度下排出。
假设蒸发器的热损失忽略不计。
溶液的沸点为113℃，分别按20℃加料和沸点加料，求此两种情况下的加热蒸汽消耗量和单位蒸汽消耗量。
[答：Ｄ＝1.15×103
kg/h Ｄ／W ＝1.44（20℃加料） Ｄ＝845kg/h Ｄ／W ＝1.06（沸点加料）]
（2）传热面积为52m 2
的蒸发器，在常压下每小时蒸发2500kg 浓度为7％(质量)的某水溶液。
原料液的温度为95℃，常压下的沸点为103℃,完成液的浓度为45％ (质量)。
加热蒸汽的绝压为300kPa 。
热损失为Ｗ。
试估算蒸发器的总传热系数。
[答：Ｋ＝924W/（m 2·℃）] 三、溶液的沸点和温度差损失
1.溶液的沸点
溶液中溶质不挥发，在相同的条件下溶液的沸点总是比纯溶剂的沸点升高。
实际操作中，已知加热蒸汽压力和二次蒸汽压力（冷凝器的压力），既可直接查得
T （加热蒸汽温度）和'T （二次蒸汽温度）
'T T t T -=∆——视温度差
()()''T t t T T T t t 11T -=---=∆-∆=∆——温度差损失
所以溶液的沸点
∆+='T t 1 2.温度差损失
产生温度差损失的原因主要有：①因溶液沸点升高引起的温度差损失'
∆；②因加热管内液柱静压力而引起的温度差损失'
'∆；③由于管路流动阻力而引起的温度差损失'
''∆。
总温度差损失为：''''''∆+∆+∆
=∆ 若二次蒸汽的温度'T 根据蒸发器分离室的压力（即不是冷凝器的压力）确定时，
则 '''∆+∆=∆
（1）因溶液沸点升高引起的温度差损失'∆
'∆值主要和溶液的种类、浓度以及蒸发压力有关，其值由实验测定。
'∆=常压下溶液的沸点-常压下饱和水蒸汽的温度
（a ）常压下，某些无机盐水溶液的沸点与浓度的关系见附录。
（b ）非常压下可用近似式计算。
'
'0f ∆=∆
f ——校正系数， ()''.r 273T 01620f 2
+= 'T ——操作压强下二次蒸汽的温度，℃；
'T 'r ——操作压强下二次蒸汽的汽化热，kJ/㎏。
河北化工医药职业技术学
院教案
第 页
【例6-2】
练习题：（1）浓度为25%（质量分数）的Nacl 水溶液在30kPa 下沸腾，试求溶液沸点升高的数值'
∆。
（2）试计算浓度为30％(质量)的Ｎa ＯＨ水溶液，在60kPa(绝压)下由于溶液的蒸气压降低所引起的温度差损失。
[答：△′＝15.2℃]
（2）因液柱静压力引起的温度差损失'
'∆ 蒸发器的加热管内溶液的压力均大于液面的压力，管内溶液的沸点高于液面溶液的沸点，两者之差即为因溶液静压力引起的温度差损失'
'∆ '
'∆=溶液平均压强下的沸点-液面压强下的沸点 即：0p p t t -=∆均''
均p
t ——根据平均压力均p 求得的水的沸点，℃； 0p t ——根据二次蒸汽压力
0p 求得的水的沸点，℃。
蒸发器中溶液的平均压强：2gh p p 0ρ+=均 (Pa)
0p ——液面处的压力，即操作压力，Pa ；
ρ——溶液的密度，㎏／m 3
； h ——液层高度，m 。
练习题：某单效蒸发器的液面高度为2m ，溶液的密度为1250kg ／m 3。
试通过计算比较在下列操作条件下，因液层静压强所引起的温度差损失：（1）操作压强为常压；
（2）操作压强为44kPa （绝压）。
[答：（1）△〞＝ 2.9℃ （2）△〞＝ 6.5℃]
（3）由于管路流动阻力引起的温度差损失'
''∆ 二次蒸汽由蒸发器流到冷凝器的过程中，因有流动阻力使其压力降低，蒸汽的饱和温度'T 也相应降低，由此引起的温度差损失即'''∆。
'
''∆值的大小与二次蒸汽在管道中的流速、物性及管道尺寸等有关。
根据经验，一般'
''∆为0.5～1.5℃，计算时般取为1℃。
综上：若二次蒸汽的温度'
T 根据冷凝器的压力确定时，则 ∆+='T t 1=1
t +''''''∆+∆+∆ 若二次蒸汽的温度'
T 根据蒸发器分离室的压力（操作压力）确定时，则 ∆+='T t 1=1
t +'''∆+∆ 练习题：（1）用单效蒸发器浓缩Ｃa Ｃl 2水溶液，操作压强为101.3kPa ，已知蒸发器中Ｃa Ｃl 2溶液的浓度为40.83％（质量），其密度为1340kg/m 3。
若蒸发时的液面高度为1m ，试求此时溶液的沸点。
[答：t 1＝122℃]
（2） 在单效蒸发器中，每小时将5000kg 的Ｎa ＯＨ水溶液从10％（质量）浓缩到30％（质量），原料液温度为50℃，蒸发室内绝压为40kPa ，加热蒸汽的绝压为140kPa 。
蒸发器的传热系数ＫＯ为2000Ｗ/(m 2·℃)。
热损失为加热蒸汽放热量的5％。
不计液柱静压强引起的温度差损失。
试求蒸发器的传热面积及加热蒸汽消耗量。
[答：A ＝63.7m 2；D ＝3984kg/h]。