降膜式蒸发器的若干设计要点

陈庭清

（上海远跃制药机械有限公司，上海201715）

降膜式蒸发器的若干设计要点

陈庭清

（上海远跃制药机械有限公司，上海201715）

介绍了降膜式蒸发器的结构特点，并就传热系数的确定、分布器的设计及浸润问题等进行了阐述，大量引用国外先进的技术经验，对蒸发器设计者了解降膜式蒸发器具有一定的指导意义。

降膜式蒸发器；传热系数；分布器；浸润问题

0 引言

降膜式蒸发器是蒸发设备中的一种，在国外应用已经有相当长的一段时间，其主要优点有：（1）传热效率高；（2）物料停留时间更短；（3）可应用于更小的温差工况；（4）内部没有压力差，内部物料物性一致，使内部传热系数更统一等。其中，物料停留时间短，使其更加适用于热敏性物料的蒸发工作。因此，降膜式蒸发器也广泛应用于食品、药品、饮料和造纸等行业，典型的降膜式蒸发器的工艺流程如图1所示。

图1 典型的降膜式蒸发器的工艺流程

与升膜式蒸发器的工作特点不同，降膜式蒸发器管内液体并非是充满的，而是呈薄膜状分布于管内壁，如图2所示。常识告诉我们，更薄的液相膜是更容易蒸发的，这也是降膜式蒸发器能具有更高传热系数的原因，如何使管内液相膜均匀分布是整个蒸发器设计的核心与灵魂。本文就降膜式蒸发器管内传热系数的确定、分布器的设计及浸润问题进行阐述。

图2 薄膜状分布管内壁

1 降膜式蒸发器管内传热系数的确定

关于降膜式蒸发器管内传热系数的确定，国际上已有相当多的研究成果，现在一般通用的有HTRI法以及CHUN和SEBAN研究出来的计算方法，由于CHUN和SEBAN方法更多地出现于相关科技文献中，本文仅就CHUN和SEBAN方法进行介绍。

CHUN和SEBAN在其发表的论文中总结了以下设计公式：

当管内流体为层流时：

式中 h*f——无量纲膜传热系数，W/（m2·K）；

Re——雷诺数。

当管内流体为湍流时：

式中 h*f——无量纲膜传热系数，W/（m2·K）；

Re——雷诺数；

Pr——普朗特数。

式中 hf1——纯物质的降膜传热系数，W/（m2·K）；

h*f——无量纲膜传热系数，W/（m2·K）；

ρt——密度，kg/m3；

kt——传热系数，W/（m2·K）；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

μt——动力黏度，Pa·s。

式中 Re——雷诺数；

Pr——普朗特数。

式中 Pr——普朗特数；

Cp——比热容，J/（kg·K）；

k——传热系数，W/（m2·K）；

μ——动力黏度，Pa·s。

在实际运用时会发现，要处理的物料不一定是纯物质，它们大部分都是混合物，所以要引入一个修正系数Fcf，主要的计算方法有沸腾范围法（BOILING RANGE METHOD）和理论沸腾范围法（theoretical BOLING RANGE MEYHOD）及上述两者的组合方法（COMBINED METHOD）。一般来说沸腾范围法适用于沸点≤61.1℃的蒸发过程，而理论沸腾范围法适用于沸点＞111.1℃的蒸发过程，当蒸发温度处于上述温度范围之间时，应使用组合法（COMBINED METHOD）进行插值运算。具体方法在相关文献中有比较详尽的记载，不再赘述。

2 分布器的设计

分布器是液体能否成膜的关键所在，一般来说分布器要求能同时完成以下任务：

（1）应该能将液体分布至每根换热管；

（2）应该能将液体分布在换热管的内表面；

（3）蒸汽能够自由通过换热管，且不影响液体分布工作；

（4）能够允许在过流工况下正常工作；

（5）能够从底部进行清洗；

（6）不会导致液体停留时间过长。

在实际工程运用中，分布器的形式是各式各样的，相关文献介绍了以下几种分布器的结构，即简单堰式、带缺口式和插入式（图3）。显然这些结构对换热管的装配精度的要求是比较高的，如果有某些换热管伸出长度过低，则会造成其他换热管没有物料通过的情况，这不是我们希望看到的现象。

另有文献也介绍了一种分布器的结构，其上面设有布液孔（LIQUID HOLES）升气管（VAPOR TUBES）结构，如图4所示，用于下降液体的分布及蒸发后气体的上升。

显然，这种结构是能保证下方每根换热管内均能布有液体的，而文献中也给出了布液孔数量与大小的计算方案，如下式表述：

图3 分布器结构

图4 设有布液孔升气管的分布器结构

式中 F——介质流量，m3/s；

nholes——布液孔数量；

Ahole——布液孔面积，m2；

Cd——修正系数；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

h——积液高度，m。

式中 Dholes——布液孔直径，m；

F——介质流量，m3/s；

nholes——布液孔数量；

Cd——修正系数；

g——重力加速度,9.8 m/s2；

h——积液高度，m。

Cd一般取0.6～0.7，其中布液孔的数量（nholes）可根据换热管的数量及分布情况推算出来，那么布液孔的直径也就很容易推算出来了。这种分布器结构简单有效，有计算依据，是本文着力推荐的结构。

3 浸润问题

换热管的浸润问题是降膜式蒸发器设计时应考虑的又一重要因素，如果换热管没有处于浸润状态，那么换热管会出现重度结垢或红锈，从而使整个蒸发器处于低热传递效果之下。这里引入一个物理量Γ来阐述这个问题。

Γ是每根换热管内物料的实际质量流量；Γmin是保证每根换热管内壁都能被浸润的最低质量流量。

研究表明，当浸润程度（WETTING RANGE）低于0.2 kg/（m·s）时，蒸发器的整体换热系数将会被Γ/Γmin的比值修正。同样，也有研究表明，当浸润程度（WETTING RANGE）低于0.08 kg/（m·s）时，蒸发器的整体换热系数将会降低13%左右。提高浸润程度的方法一般认为是加大管径或换热管长度，这也是降膜蒸发器的管径能达到Φ50.8 mm、管长一般取5～10 m的原因。

通过以上描述，会发现对于Γmin的求解成为关键，在国际上已经有一些人对此进行过总结，如Paramalingam在相关文献中提出在以牛奶为操作对象的蒸发器中，推荐Γmin不能低于0.123～0.151 kg/（m·s），但更多的人认为Γmin最好不要低于0.2 kg/（m·s）。

4 结语

通过以上描述，我们能清晰地认识到降膜式蒸发器的设计要点，即液体分布效果的好坏：分布得好，则流量控制到位，浸润问题就解决了，换热效果也就上来了；分布得差，则不能形成理想的薄膜蒸发，换热效果就差，也容易出现蒸发器重度结垢或红锈现象，影响设备使用寿命。

[1]CHUN K R，SEBAN R A.Haet Transfer to Evaporating Liquid films [J].Journal of Heat Transfer，1971（11）.

[2]K.S.N.Raju.Fluid Mechanics，heat transfer，and mass transfer：Chemical Engineering Practice[M].Wiley，2011.

[3]Heat Transfer Research Inc. HTRI design manual[Z].

[4]Heldman D R，Lund D B.Handbook of food engineering[M].2th ed.CRC PRESS，2006.

[5]Paramalingam S，Winchester J，Marsh C.On the fouling of falling film evaporators due to film break-up [J].Transactions of the Insti-tution of Chemical Engineers，2000（78C）.

2015-03-03

陈庭清（1984—），男，江西赣州人，助理工程师，研究方向：化工设备的研发设计。