水平管降膜蒸发器的传热性能

解利昕123周文萌123陈飞123

（1天津大学化工学院化学工程研究所，天津 300072；2化学工程联合国家重点实验室（天津大学），天津 300072；3天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室，天津 300072）

水平管降膜蒸发器的传热性能

解利昕1，2，3，周文萌1，2，3，陈飞1，2，3

（1天津大学化工学院化学工程研究所，天津 300072；2化学工程联合国家重点实验室（天津大学），天津 300072；3天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室，天津 300072）

在换热面积为2.375m2的水平管降膜蒸发试验平台上，采用5052铝合金管作为换热管，以实际海水为原料，进行了低温多效海水淡化中水平管降膜蒸发器传热性能研究试验。研究了料液喷淋密度、管外蒸发温度、总传热温差、海水盐度以及管内蒸汽中不凝气含量等因素对海水淡化过程降膜蒸发器总传热系数的影响。结果表明，在试验条件范围内，总传热系数随着料液喷淋密度和管外蒸发温度的升高而增加，随着传热温差的增大而降低；冷凝侧有不凝气存在时，总传热系数下降幅度较大；海水浓度对传热系数影响较小；在控制不凝气含量的条件下，传热系数在3500W/(m2·℃)以上。试验结果为海水淡化的工程设计和生产优化提供了依据。

海水淡化；水平管；降膜；蒸发；传热

水平管降膜蒸发器设备稳定，换热管两侧均发生相变传热，有着较高的热流密度和传热系数，换热性能优越[1]。对于光滑换热管而言，水平管蒸发设备的传热系数能够达到竖直管蒸发装置的两倍[2]；并且水平管降膜蒸发器易组成多效蒸发装置，结构紧凑，节省设备耗材和液体循环所需能量[3]，是一种高效节能换热设备。目前，水平管降膜蒸发器被广泛地应用于化工、制药、食品、制冷尤其是海水淡化等方面。

水平管降膜蒸发是目前低温多效蒸发海水淡化（LT-MED）普遍采用的传热方式，一般操作温度不高于70℃[4]，能够有效防止蒸发过程中换热管表面结垢，同时也可以有效利用低品位余热，是目前真正投入到商业化运行的主要大型海水淡化方法之一[5]。

国内外众多学者针对影响水平管降膜蒸发器传热性能的影响因素进行了大量的实验研究工作[6-13]，但部分数据与实际工程情况相差较大，并且多数试验研究采用传统的不锈钢、黄铜、钛等材质作为换热管材。本文以铝合金管材为换热管，通过搭建水平管降膜蒸发器形成完整的海水淡化系统，模拟低温多效海水淡化中的各效蒸发器实际操作条件，进行了降膜蒸发换热试验研究及理论分析，以期为海水淡化的工程设计和生产优化提供试验依据和理论基础。

1 试验设备及试验方法

1.1 试验流程

水平管降膜蒸发系统流程简图如图1所示。蒸汽发生器产生的水蒸气进入降膜蒸发器的水平换热管内部冷凝放热，冷凝液进入计量水罐收集计量。进料泵将原料海水送至蒸发器的液体分布器，向传热管表面均匀喷淋海水，海水吸收换热管内蒸汽冷凝放出的热量部分汽化，生成的二次蒸汽经冷凝器冷凝后由计量水罐收集计量，未蒸发海水从蒸发室底部回流至原料水罐循环利用。换热管外部蒸发侧和内部冷凝侧的真空度通过控制水环真空泵管路阀门实现。

图1 实验流程简图

1.2 试验装置

降膜蒸发器的蒸发室采用316L不锈钢材质加工，外形尺寸为1640mm×786mm×809mm。换热管采用5052铝合金光滑管，规格为φ24mm× 1.5mm，有效长度L=800mm，换热管数量为42根，排布方式为6列7排矩形方式排布，管束上方布置有液体喷淋装置。

利用热电偶温度计测量系统温度；利用压力变送器测量蒸发器管程、壳程真空度；原料液流量和不凝气的流量分别采用液体流量计和气体流量计计量；各计量水罐中蒸汽冷凝水的流量利用精度为0.5g的电子天平及秒表同时计量。

1.3 试验方法

采用黄骅港附近海水为原料考察不同操作参数对总传热系数的影响。海水在进入降膜蒸发系统前进行预澄、过滤、预热处理。为防止实验过程中换热管壁结垢影响传热，在海水中加入3mg/L的阻垢剂。

低温多效蒸发海水淡化实际工程中，首效最高蒸发温度不超过70℃，各效传热温差一般在2～4℃，蒸发后各效的海水的浓缩倍数在1.3～1.8之间变化[14]。本文试验选择的操作条件范围为：蒸发温度为45～70℃；总传热温差为1.5～4.0℃；海水盐度为25～55g/L。

实验过程中，通过调节海水进料调节阀和氮气调节阀分别控制海水的喷淋量及不凝气含量；控制真空抽气阀调节蒸发侧及冷凝侧压力，实现对蒸发温度及传热温差的控制；海水盐度的变化采用控制蒸发量的大小实现。在其他操作条件固定的情况下，变化单一参数，每个工况条件进行3次平行试验采集数据，取其平均值为实验数据。通过测量冷凝液流量的变化情况，分析传热系数变化规律。

2 试验数据的处理

水平管降膜蒸发器的总传热系数由式（1）～式（3）关联式计算。

式中，Q为热通量，W；γ为加热蒸汽饱和温度下的水的汽化潜热，kJ/kg；m为蒸汽凝结水量，kg；τ为每次计量凝结水所用时间，s；Δt为有效传热温差，℃；T为传热管内饱和蒸汽温度，℃；t为蒸发室饱和蒸汽温度，℃；S为传热面积，m2；Δ为海水沸点升高[2]，℃；K为总传热系数，W/(m2·℃)。

3 试验结果及分析

3.1 喷淋密度对传热系数的影响

在传热总温差为2.4℃、蒸发温度为50℃的条件下，降膜蒸发器的总传热系数随喷淋密度的变化情况如图2所示，随着喷淋密度的增大，总传热系数增大。在实验喷淋密度0.043～0.200kg/(m·s) 范围内，对应雷诺数在200～1500区间，液体流动处于层流状态。喷淋密度增大时，雷诺数提高，可以有效提高海水的湍动程度，管外蒸发传热增强，总传热系数增大。

3.2 蒸发温度对传热系数的影响

海水喷淋密度为0.114kg/(m·s)、总传热温差为2.4℃时，总传热系数随蒸发侧温度的变化趋势如图3所示，随着海水蒸发温度的升高总传热系数明显提高。管外蒸发温度升高，使得换热管外海水表面张力减小，黏度降低，雷诺数Re增大，换热管外料液的湍动程度增强，层流内层厚度减薄，强化了对流传热，使得管外蒸发传热系数增强。传热温差一定，意味着管内蒸汽冷凝温度的升高。凝结温度的升高使得管内冷凝液体的黏度及表面张力减小，对流传热增强，管内冷凝传热系数增大。管内冷凝传热系数和管外蒸发传热系数的共同增大使得总传热系数随着管外蒸发温度的升高而明显提高。

图2 喷淋密度对传热系数的影响

图3 蒸发温度对传热系数的影响

3.3 传热温差对传热系数的影响

在海水喷淋密度为0.114kg/(m·s)、管外蒸发温度为50℃的条件下，总传热系数随传热温差的变化趋势如图4所示，随着传热温差的增大，总传热系数下降。当管外蒸发温度固定时，传热温差增大意味着管内蒸汽冷凝温度的升高，冷凝液的温度升高，黏度降低，表面张力减小，湍动程度增强，传热得到强化。与此同时，随着传热温差的增大，热流密度增大，蒸汽冷凝速率增加。管内蒸汽冷凝液量增大，冷凝液膜的厚度增加，从而增加了冷凝传热的热阻。此外，蒸汽冷凝速率增大，冷凝液在换热管底部积聚增多，减小了传热管的有效传热面积[5]。两者综合作用表现为总传热系数随着传热温差的增加而降低。

3.4 海水盐度对传热系数的影响

图4 传热温差对传热系数的影响

当喷淋密度为0.114kg/(m·s)、传热温差为2.4℃时，总传热系数随海水盐度变化如图5所示。随着海水浓度的变化，总传热系数没有明显变化。当海水盐度增大时，同一温度下的海水黏度略有增大，导致换热管外液膜湍动程度降低，传热热阻增大，传热系数减小。但随着盐度增大，海水沸点升高值增大，有效传热温差减小，根据以上第3.3节的分析，总传热系数又略微增大。两方面综合结果表现为，海水盐度在25～55g/L范围内，传热系数变化较小。

3.5 不凝气含量对传热系数的影响

在喷淋密度为0.114kg/(m·s)、传热温差为2.4℃、蒸发温度为50℃的条件下，改变不凝气含量，总传热系数变化情况如图6所示。当换热管内蒸汽中混合不凝气时，给换热过程带来不利影响，传热系数下降较多，并且随着不凝气含量的增加传热系数下降幅度较大。在管内蒸汽冷凝放热过程中，蒸汽凝结形成液膜将换热管内壁面覆盖，管内蒸汽的冷凝在这层冷凝液膜表面进行。当蒸汽中有不凝气存在时，可凝性蒸汽在冷凝液膜上不断凝结，而不凝性气体则滞留在气液界面上，可凝性蒸汽到达冷凝液膜表面进行冷凝放热之前，必须扩散穿过不凝性气体层[6]，这相当于增加了一层额外热阻。不凝气含量越高，热阻越大，使得换热管内蒸汽冷凝传热系数降低，总传热系数随之大幅度降低。

图5 海水盐度对传热系数的影响

图6 不凝气含量对传热系数的影响

4 结 论

模拟海水淡化实际工况进行了水平管降膜蒸发试验，结果显示水平管降膜蒸发器具有较高的传热系数。在试验范围内，水平管降膜蒸发器总传热系数随着喷淋密度和管外蒸发温度的增加而增大；随着传热温差的增加而减小。海水盐度对降膜蒸发器的总传热系数影响较小；换热管内有不凝气体存在时，水平管降膜蒸发器的总传热系数下降程度较大。试验结果对水平管降膜蒸发海水淡化实际工程具有指导意义。

符 号 说 明

K——总传热系数，W/(m2·℃)

m——蒸汽凝结水量，kg

Q——热通量，W

S——传热面积，m2

T——传热管内饱和蒸汽温度，℃

t——蒸发室饱和蒸汽温度，℃

Δt——有效传热温差，℃

γ——加热蒸汽饱和温度下的水的汽化潜热，kJ/kg

τ——每次计量凝结水所用时间，s

Δ——海水沸点升高，℃

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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。

天津市科技计划项目（11ZCGYSF05300）。

及联系人：解利昕（1964—），男，研究员，从事海水淡化及水处理方面的研究。E-mail xie_lixin@tju.edu.cn。