解利昕123周文萌123陳飛123
(1天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程研究所,天津 300072;2化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué)),天津 300072;3天津市膜科學(xué)與海水淡化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)
水平管降膜蒸發(fā)器的傳熱性能
解利昕1,2,3,周文萌1,2,3,陳飛1,2,3
(1天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程研究所,天津 300072;2化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué)),天津 300072;3天津市膜科學(xué)與海水淡化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)
在換熱面積為2.375m2的水平管降膜蒸發(fā)試驗(yàn)平臺(tái)上,采用5052鋁合金管作為換熱管,以實(shí)際海水為原料,進(jìn)行了低溫多效海水淡化中水平管降膜蒸發(fā)器傳熱性能研究試驗(yàn)。研究了料液噴淋密度、管外蒸發(fā)溫度、總傳熱溫差、海水鹽度以及管內(nèi)蒸汽中不凝氣含量等因素對(duì)海水淡化過(guò)程降膜蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)的影響。結(jié)果表明,在試驗(yàn)條件范圍內(nèi),總傳熱系數(shù)隨著料液噴淋密度和管外蒸發(fā)溫度的升高而增加,隨著傳熱溫差的增大而降低;冷凝側(cè)有不凝氣存在時(shí),總傳熱系數(shù)下降幅度較大;海水濃度對(duì)傳熱系數(shù)影響較??;在控制不凝氣含量的條件下,傳熱系數(shù)在3500W/(m2·℃)以上。試驗(yàn)結(jié)果為海水淡化的工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)優(yōu)化提供了依據(jù)。
海水淡化;水平管;降膜;蒸發(fā);傳熱
水平管降膜蒸發(fā)器設(shè)備穩(wěn)定,換熱管兩側(cè)均發(fā)生相變傳熱,有著較高的熱流密度和傳熱系數(shù),換熱性能優(yōu)越[1]。對(duì)于光滑換熱管而言,水平管蒸發(fā)設(shè)備的傳熱系數(shù)能夠達(dá)到豎直管蒸發(fā)裝置的兩倍[2];并且水平管降膜蒸發(fā)器易組成多效蒸發(fā)裝置,結(jié)構(gòu)緊湊,節(jié)省設(shè)備耗材和液體循環(huán)所需能量[3],是一種高效節(jié)能換熱設(shè)備。目前,水平管降膜蒸發(fā)器被廣泛地應(yīng)用于化工、制藥、食品、制冷尤其是海水淡化等方面。
水平管降膜蒸發(fā)是目前低溫多效蒸發(fā)海水淡化(LT-MED)普遍采用的傳熱方式,一般操作溫度不高于70℃[4],能夠有效防止蒸發(fā)過(guò)程中換熱管表面結(jié)垢,同時(shí)也可以有效利用低品位余熱,是目前真正投入到商業(yè)化運(yùn)行的主要大型海水淡化方法之一[5]。
國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)影響水平管降膜蒸發(fā)器傳熱性能的影響因素進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作[6-13],但部分?jǐn)?shù)據(jù)與實(shí)際工程情況相差較大,并且多數(shù)試驗(yàn)研究采用傳統(tǒng)的不銹鋼、黃銅、鈦等材質(zhì)作為換熱管材。本文以鋁合金管材為換熱管,通過(guò)搭建水平管降膜蒸發(fā)器形成完整的海水淡化系統(tǒng),模擬低溫多效海水淡化中的各效蒸發(fā)器實(shí)際操作條件,進(jìn)行了降膜蒸發(fā)換熱試驗(yàn)研究及理論分析,以期為海水淡化的工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)優(yōu)化提供試驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。
1.1 試驗(yàn)流程
水平管降膜蒸發(fā)系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)入降膜蒸發(fā)器的水平換熱管內(nèi)部冷凝放熱,冷凝液進(jìn)入計(jì)量水罐收集計(jì)量。進(jìn)料泵將原料海水送至蒸發(fā)器的液體分布器,向傳熱管表面均勻噴淋海水,海水吸收換熱管內(nèi)蒸汽冷凝放出的熱量部分汽化,生成的二次蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝后由計(jì)量水罐收集計(jì)量,未蒸發(fā)海水從蒸發(fā)室底部回流至原料水罐循環(huán)利用。換熱管外部蒸發(fā)側(cè)和內(nèi)部冷凝側(cè)的真空度通過(guò)控制水環(huán)真空泵管路閥門實(shí)現(xiàn)。
圖1 實(shí)驗(yàn)流程簡(jiǎn)圖
1.2 試驗(yàn)裝置
降膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)室采用316L不銹鋼材質(zhì)加工,外形尺寸為1640mm×786mm×809mm。換熱管采用5052鋁合金光滑管,規(guī)格為φ24mm× 1.5mm,有效長(zhǎng)度L=800mm,換熱管數(shù)量為42根,排布方式為6列7排矩形方式排布,管束上方布置有液體噴淋裝置。
利用熱電偶溫度計(jì)測(cè)量系統(tǒng)溫度;利用壓力變送器測(cè)量蒸發(fā)器管程、殼程真空度;原料液流量和不凝氣的流量分別采用液體流量計(jì)和氣體流量計(jì)計(jì)量;各計(jì)量水罐中蒸汽冷凝水的流量利用精度為0.5g的電子天平及秒表同時(shí)計(jì)量。
1.3 試驗(yàn)方法
采用黃驊港附近海水為原料考察不同操作參數(shù)對(duì)總傳熱系數(shù)的影響。海水在進(jìn)入降膜蒸發(fā)系統(tǒng)前進(jìn)行預(yù)澄、過(guò)濾、預(yù)熱處理。為防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中換熱管壁結(jié)垢影響傳熱,在海水中加入3mg/L的阻垢劑。
低溫多效蒸發(fā)海水淡化實(shí)際工程中,首效最高蒸發(fā)溫度不超過(guò)70℃,各效傳熱溫差一般在2~4℃,蒸發(fā)后各效的海水的濃縮倍數(shù)在1.3~1.8之間變化[14]。本文試驗(yàn)選擇的操作條件范圍為:蒸發(fā)溫度為45~70℃;總傳熱溫差為1.5~4.0℃;海水鹽度為25~55g/L。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)調(diào)節(jié)海水進(jìn)料調(diào)節(jié)閥和氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥分別控制海水的噴淋量及不凝氣含量;控制真空抽氣閥調(diào)節(jié)蒸發(fā)側(cè)及冷凝側(cè)壓力,實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)溫度及傳熱溫差的控制;海水鹽度的變化采用控制蒸發(fā)量的大小實(shí)現(xiàn)。在其他操作條件固定的情況下,變化單一參數(shù),每個(gè)工況條件進(jìn)行3次平行試驗(yàn)采集數(shù)據(jù),取其平均值為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)測(cè)量冷凝液流量的變化情況,分析傳熱系數(shù)變化規(guī)律。
水平管降膜蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)由式(1)~式(3)關(guān)聯(lián)式計(jì)算。
式中,Q為熱通量,W;γ為加熱蒸汽飽和溫度下的水的汽化潛熱,kJ/kg;m為蒸汽凝結(jié)水量,kg;τ為每次計(jì)量凝結(jié)水所用時(shí)間,s;Δt為有效傳熱溫差,℃;T為傳熱管內(nèi)飽和蒸汽溫度,℃;t為蒸發(fā)室飽和蒸汽溫度,℃;S為傳熱面積,m2;Δ為海水沸點(diǎn)升高[2],℃;K為總傳熱系數(shù),W/(m2·℃)。
3.1 噴淋密度對(duì)傳熱系數(shù)的影響
在傳熱總溫差為2.4℃、蒸發(fā)溫度為50℃的條件下,降膜蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)隨噴淋密度的變化情況如圖2所示,隨著噴淋密度的增大,總傳熱系數(shù)增大。在實(shí)驗(yàn)噴淋密度0.043~0.200kg/(m·s) 范圍內(nèi),對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)在200~1500區(qū)間,液體流動(dòng)處于層流狀態(tài)。噴淋密度增大時(shí),雷諾數(shù)提高,可以有效提高海水的湍動(dòng)程度,管外蒸發(fā)傳熱增強(qiáng),總傳熱系數(shù)增大。
3.2 蒸發(fā)溫度對(duì)傳熱系數(shù)的影響
海水噴淋密度為0.114kg/(m·s)、總傳熱溫差為2.4℃時(shí),總傳熱系數(shù)隨蒸發(fā)側(cè)溫度的變化趨勢(shì)如圖3所示,隨著海水蒸發(fā)溫度的升高總傳熱系數(shù)明顯提高。管外蒸發(fā)溫度升高,使得換熱管外海水表面張力減小,黏度降低,雷諾數(shù)Re增大,換熱管外料液的湍動(dòng)程度增強(qiáng),層流內(nèi)層厚度減薄,強(qiáng)化了對(duì)流傳熱,使得管外蒸發(fā)傳熱系數(shù)增強(qiáng)。傳熱溫差一定,意味著管內(nèi)蒸汽冷凝溫度的升高。凝結(jié)溫度的升高使得管內(nèi)冷凝液體的黏度及表面張力減小,對(duì)流傳熱增強(qiáng),管內(nèi)冷凝傳熱系數(shù)增大。管內(nèi)冷凝傳熱系數(shù)和管外蒸發(fā)傳熱系數(shù)的共同增大使得總傳熱系數(shù)隨著管外蒸發(fā)溫度的升高而明顯提高。
圖2 噴淋密度對(duì)傳熱系數(shù)的影響
圖3 蒸發(fā)溫度對(duì)傳熱系數(shù)的影響
3.3 傳熱溫差對(duì)傳熱系數(shù)的影響
在海水噴淋密度為0.114kg/(m·s)、管外蒸發(fā)溫度為50℃的條件下,總傳熱系數(shù)隨傳熱溫差的變化趨勢(shì)如圖4所示,隨著傳熱溫差的增大,總傳熱系數(shù)下降。當(dāng)管外蒸發(fā)溫度固定時(shí),傳熱溫差增大意味著管內(nèi)蒸汽冷凝溫度的升高,冷凝液的溫度升高,黏度降低,表面張力減小,湍動(dòng)程度增強(qiáng),傳熱得到強(qiáng)化。與此同時(shí),隨著傳熱溫差的增大,熱流密度增大,蒸汽冷凝速率增加。管內(nèi)蒸汽冷凝液量增大,冷凝液膜的厚度增加,從而增加了冷凝傳熱的熱阻。此外,蒸汽冷凝速率增大,冷凝液在換熱管底部積聚增多,減小了傳熱管的有效傳熱面積[5]。兩者綜合作用表現(xiàn)為總傳熱系數(shù)隨著傳熱溫差的增加而降低。
3.4 海水鹽度對(duì)傳熱系數(shù)的影響
圖4 傳熱溫差對(duì)傳熱系數(shù)的影響
當(dāng)噴淋密度為0.114kg/(m·s)、傳熱溫差為2.4℃時(shí),總傳熱系數(shù)隨海水鹽度變化如圖5所示。隨著海水濃度的變化,總傳熱系數(shù)沒(méi)有明顯變化。當(dāng)海水鹽度增大時(shí),同一溫度下的海水黏度略有增大,導(dǎo)致?lián)Q熱管外液膜湍動(dòng)程度降低,傳熱熱阻增大,傳熱系數(shù)減小。但隨著鹽度增大,海水沸點(diǎn)升高值增大,有效傳熱溫差減小,根據(jù)以上第3.3節(jié)的分析,總傳熱系數(shù)又略微增大。兩方面綜合結(jié)果表現(xiàn)為,海水鹽度在25~55g/L范圍內(nèi),傳熱系數(shù)變化較小。
3.5 不凝氣含量對(duì)傳熱系數(shù)的影響
在噴淋密度為0.114kg/(m·s)、傳熱溫差為2.4℃、蒸發(fā)溫度為50℃的條件下,改變不凝氣含量,總傳熱系數(shù)變化情況如圖6所示。當(dāng)換熱管內(nèi)蒸汽中混合不凝氣時(shí),給換熱過(guò)程帶來(lái)不利影響,傳熱系數(shù)下降較多,并且隨著不凝氣含量的增加傳熱系數(shù)下降幅度較大。在管內(nèi)蒸汽冷凝放熱過(guò)程中,蒸汽凝結(jié)形成液膜將換熱管內(nèi)壁面覆蓋,管內(nèi)蒸汽的冷凝在這層冷凝液膜表面進(jìn)行。當(dāng)蒸汽中有不凝氣存在時(shí),可凝性蒸汽在冷凝液膜上不斷凝結(jié),而不凝性氣體則滯留在氣液界面上,可凝性蒸汽到達(dá)冷凝液膜表面進(jìn)行冷凝放熱之前,必須擴(kuò)散穿過(guò)不凝性氣體層[6],這相當(dāng)于增加了一層額外熱阻。不凝氣含量越高,熱阻越大,使得換熱管內(nèi)蒸汽冷凝傳熱系數(shù)降低,總傳熱系數(shù)隨之大幅度降低。
圖5 海水鹽度對(duì)傳熱系數(shù)的影響
圖6 不凝氣含量對(duì)傳熱系數(shù)的影響
模擬海水淡化實(shí)際工況進(jìn)行了水平管降膜蒸發(fā)試驗(yàn),結(jié)果顯示水平管降膜蒸發(fā)器具有較高的傳熱系數(shù)。在試驗(yàn)范圍內(nèi),水平管降膜蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)隨著噴淋密度和管外蒸發(fā)溫度的增加而增大;隨著傳熱溫差的增加而減小。海水鹽度對(duì)降膜蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)影響較?。粨Q熱管內(nèi)有不凝氣體存在時(shí),水平管降膜蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)下降程度較大。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)水平管降膜蒸發(fā)海水淡化實(shí)際工程具有指導(dǎo)意義。
符 號(hào) 說(shuō) 明
K——總傳熱系數(shù),W/(m2·℃)
m——蒸汽凝結(jié)水量,kg
Q——熱通量,W
S——傳熱面積,m2
T——傳熱管內(nèi)飽和蒸汽溫度,℃
t——蒸發(fā)室飽和蒸汽溫度,℃
Δt——有效傳熱溫差,℃
γ——加熱蒸汽飽和溫度下的水的汽化潛熱,kJ/kg
τ——每次計(jì)量凝結(jié)水所用時(shí)間,s
Δ——海水沸點(diǎn)升高,℃
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Study on heat-transfer performance of horizontal tube falling film evaporator
XIE Lixin1,2,3,ZHOU Wenmeng1,2,3,CHEN Fei1,2,3
(1Chemical Engineering Research Center,School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2State Key Laboratory of Chemical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;3Tianjin Key Laboratory of Membrane Science and Desalination Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China)
:Based on the horizontal tube falling film evaporation platform with heat-transfer area of 2.375m2,this paper studied the heat-transfer performance of the evaporator in low temperature multi-effect distillation (LT-MED),with 5052 aluminum alloy tubes as heat-transfer tubes and actual seawater as raw material. The effects of sprinkling density,evaporation boiling point,evaporation temperature difference,salinity and non-condensable gas concentration on the total heat-transfer coefficients of desalination process were investigated. The results showed that the following:within the testing scope,the total heat-transfer coefficient increased with the increase of sprinkling density and evaporation boiling point;the total heat-transfer coefficient decreased with the increase of evaporation temperature difference;the total heat-transfer coefficient decreased sharply when there was non-condensable gas mixed in the steam inside the heat-transfer tube;salinity had little effectd on the heat-transfer coefficient;the heat-transfer coefficients were more than 3500 W/(m2·℃) when controlling the concentration of non-condensable gas,These results provided an experimental basis for the engineering design and production optimization of desalination.
seawater desalination;horizontal tube;falling film;evaporation;heat transfer
P 747
A
1000-6613(2014)11-2878-05
10.3969/j.issn.1000-6613.2014.11.009
2014-04-08;修改稿日期:2014-05-15。
天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目(11ZCGYSF05300)。
及聯(lián)系人:解利昕(1964—),男,研究員,從事海水淡化及水處理方面的研究。E-mail xie_lixin@tju.edu.cn。