薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對流體傳熱性能的影響

1、收稿日期:2006207229作者簡介:唐平(19812,男,湖南永州人,在讀碩士研究生,從事薄膜蒸發(fā)器計算流體力學(xué)方向的研究。文章編號:100027466(20070120022205薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對流體傳熱性能的影響唐平,賀小華,尹俠(南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院,江蘇南京210009摘要:以自行設(shè)計的0.4m 2薄膜蒸發(fā)器為模擬對象,采用CFD 分析軟件CFX4.4探討刮板與筒壁間隙、刮板數(shù)、筒體長徑比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對薄膜蒸發(fā)器內(nèi)不同粘性料液的蒸發(fā)段長度(有效蒸發(fā)面積和加熱段膜內(nèi)給熱系數(shù)的影響,研究結(jié)果初步為薄膜蒸發(fā)器優(yōu)化參數(shù)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:薄膜式蒸發(fā)器;結(jié)構(gòu)參數(shù);計算流體力學(xué);

2、傳熱性能中圖分類號:TQ 051.6;O 35文獻標志碼:AInfluence of Structure Parameters of Thin Film Evaporatoron the Fluid H eat T ransfer PerformanceTANG Ping ,HE Xiao 2hua ,YIN Xia(College of Mechanical and Power Engineering ,Nanjing U niversity ofTechnology ,Nanjing 210009,China Abstract :Based on t he designed 0.4m 2t

3、 hin film evaporator ,t he influence of t he struct ure pa 2rameters such as t he clearance between blade and wall ,number of blade ,lengt h 2diameter ratio on t he evaporation lengt h (effective evaporation area and t he heating section film heat t ransfer coef 2ficient was discussed using t he CFD

4、 software CFX4.4wit h different viscous liquid as feed liquid ,which primarily laid a foundation for optimization design of t hin film evaporator.K ey w ords :t hin film evaporator ;st ruct ure parameters ;CFD ;heat t ransfer performance薄膜蒸發(fā)器具有傳熱系數(shù)高、蒸發(fā)強度大、低溫蒸發(fā)效果好、物料停留時間短、適用的粘度范圍寬及操作彈性大等優(yōu)越性能,在化工、輕工、制

5、藥、環(huán)保及食品等行業(yè)中逐步得到推廣和應(yīng)用13。國內(nèi)外對薄膜蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)和蒸發(fā)效率進行了大量的實驗室研究,并從結(jié)構(gòu)和操作工藝上進行了優(yōu)化4,5。由于沸騰傳熱及刮板刮擦成膜的復(fù)雜性,用于薄膜蒸發(fā)器設(shè)計計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)十分缺乏,用于蒸發(fā)設(shè)計計算的液膜側(cè)傳熱系數(shù)主要是液膜受熱的數(shù)據(jù)6。對蒸發(fā)器的蒸發(fā)實驗多以水為介質(zhì),有關(guān)粘性料液的傳熱數(shù)據(jù)則報道較少。文獻7和文獻8采用CFX4.4研究了薄膜蒸發(fā)器內(nèi)純物質(zhì)水和粘性料液的流動特性以及各種場分布,探討了刮板轉(zhuǎn)速、進料量等參量對薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流場和溫度場的影響。模擬結(jié)果表明,粘性料液速度分布與水存在差異,粘性料液液膜厚度內(nèi)沒有形成明顯的傳遞邊界層。對高粘度料液

6、而言,基于堿液蒸發(fā)濃縮開發(fā)的薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)從動量熱量傳遞角度而言,尚有進一步優(yōu)化設(shè)計的余地。文中在文獻7和文獻8的基礎(chǔ)上,進一步探討薄膜蒸發(fā)器刮板與筒壁間隙C 、刮板數(shù)n 及筒體長徑比L /D 等結(jié)構(gòu)參數(shù)對各種粘性流體傳熱性能的影響,為薄膜蒸發(fā)器優(yōu)化參數(shù)設(shè)計及進一步研究傳熱傳質(zhì)機理奠定一個良好的基礎(chǔ)。1薄膜蒸發(fā)器工作原理薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的流體流動可視為轉(zhuǎn)子刮板引起的切向流動和重力引起的軸向流動的合成9,見圖第36卷第1期石油化工設(shè)備Vol 136No 112007年1月PETRO 2CH EMICAL EQU IPM EN T Jan.20071,液膜流態(tài)可分為3個區(qū)域:刮板前緣液體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)作用形

7、成的渦旋圈形波,此部分流體呈螺旋狀向下流動。刮板后緣附近形成的紊流液膜。紊流液膜與下一個圈形波之間由于刮板作用的消失而形成的層流液膜 。圖1薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體流動過程示意圖2傳熱模型2.1幾何模型根據(jù)文獻9對薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流場的分析,將整個薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體流道簡化為緊貼筒體內(nèi)壁的薄膜和旋轉(zhuǎn)運動的圈形波兩部分。文獻7給出了流場分析參數(shù)中各種料液膜厚、圈形波尺寸及刮板與筒壁間隙的確定方法。本文的模擬計算以文獻7的幾何模型參數(shù)作為計算基準參數(shù),即筒體長徑比L/D =4.235(L =720mm ,D =170mm ,刮板末端和筒壁之間間隙C =1.67,其中為液膜厚度。兩塊刮板周向均布。2.2 數(shù)學(xué)模型

8、2.3計算條件考慮到薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體流動傳熱的復(fù)雜性,本研究的計算條件包括:圈形波和薄膜流體的入口給定初始軸向速度。固體壁面邊界條件為無滑移固體壁面。自由表面處無剪切力。在固體表面處加以恒定的熱流率。入口溫度為定值。假設(shè)流體不可壓縮。加熱段內(nèi),假設(shè)液相流體的物理特性不變 。圖2薄膜蒸發(fā)器計算模型3傳熱模擬計算3.1實驗?zāi)康臑榱诉M一步探討粘性料液在薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的傳熱性能,本文以純物質(zhì)水為基礎(chǔ),繼而改變料液粘度(其余物理性質(zhì)同水,選取介質(zhì)水及粘性物料A 、B 、C 、D 、E 、F 、G (物料A G 由進口到蒸發(fā)段間的動力粘度分別為0.3Pa s 、0.5Pa s 、1.0Pa s 、2.0Pa

9、 s 、0.4Pa s 、1.5Pa s 和3.0Pa s ,分析刮板與筒壁間隙、刮板數(shù)、筒體長徑比對傳熱性能的影響。3.2實驗工藝參數(shù)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的工藝操作參數(shù)為,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速200r/min ,進料量60L/h ,物料進口溫度35,筒體內(nèi)壁施加q =3×104W/m 2的固定熱流,設(shè)備內(nèi)真空度選為70.17kPa ,此時各物料的沸點為70(343K 。3.3實驗結(jié)構(gòu)參數(shù)(1刮板與筒壁間隙根據(jù)文獻9,膜厚約為刮板末端和筒壁之間間隙C 的55%65%。刮板與筒壁之間間隙取值分別為C 1=1.428,C 2=1.538,C 3=1.670,C 4=1.818,C 5=2。(2刮板數(shù)刮板數(shù)

10、分別選取2、3、4。(3筒體長徑比為了進一步分析筒體長徑比對薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體傳熱性能的影響,以蒸發(fā)面積0.4m 2為基準,在相同蒸發(fā)面積的情況下改變筒體長徑比進行分析計算。根據(jù)文獻12,立式薄膜蒸發(fā)器的長徑比一般為36,現(xiàn)選取如下長徑比進行模擬計算分析:L/D =3.06(612/200、L/D =3.778(680/180、L/D =4.235(720/170、L/D =4.78132第1期唐平,等:薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對流體傳熱性能的影響(765/160、L/D=5.44(816/150。3.4影響蒸發(fā)效果的參數(shù)(1加熱段內(nèi)液膜傳熱系數(shù)將薄膜蒸發(fā)器筒體內(nèi)壁視為足夠薄,在無限薄的筒體內(nèi)壁施加一

11、個固定的熱流,與蒸發(fā)器內(nèi)料液進行對流傳熱。本文以文獻13中0.4m2薄膜蒸發(fā)器對水的實驗數(shù)據(jù)為基準,取熱流密度q=3×104W/m2,加熱段液膜內(nèi)傳熱系數(shù)=q/T,T為對數(shù)溫差。(2有效蒸發(fā)面積及蒸發(fā)段長度l在薄膜蒸發(fā)器內(nèi)部,料液從進口到出口經(jīng)歷了加熱至沸點和蒸發(fā)濃縮兩個部分,有效蒸發(fā)面積即用于蒸發(fā)濃縮的蒸發(fā)面積,蒸發(fā)段長度l即為料液進行相變蒸發(fā)的那一段筒體長度。在相同長徑比的情況下,在保證料液濃度及產(chǎn)量條件下,蒸發(fā)段越長,則筒壁的有效蒸發(fā)面積越大,蒸發(fā)效率也相應(yīng)地提高。在相同傳熱面積的條件下,有效蒸發(fā)面積和蒸發(fā)段長度也是判斷蒸發(fā)效果的因素之一。4結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析4.1刮板與筒壁間隙

12、不同粘性料液刮板與筒壁間隙對蒸發(fā)段長度l和膜內(nèi)傳熱系數(shù)的影響關(guān)系見圖3a和圖3b 。圖3刮板與筒壁間隙對蒸發(fā)段長度和膜內(nèi)傳熱系數(shù)的影響由圖可知,不同料液的蒸發(fā)段長度l和膜內(nèi)傳熱系數(shù)均隨著刮板與筒壁間隙的增大而減少。刮板與筒壁間隙愈大,壁面的熱量愈難傳遞到液膜和圈形波流體中,二者間的動量和熱量交換愈不容易,料液也愈難蒸發(fā)。進一步分析表明,高粘度料液蒸發(fā)段長度l和膜內(nèi)傳熱系數(shù)隨刮板與筒壁間隙的增大而減少的趨勢變緩。4.2刮板數(shù)不同粘性料液刮板數(shù)對蒸發(fā)段長度l和膜內(nèi)傳熱系數(shù)的影響關(guān)系見圖4a和圖4b。由圖4可以看出,各料液的蒸發(fā)段長度l均隨著刮板數(shù)的增多而增大,當(dāng)刮板數(shù)由2增大到3時,蒸發(fā)段長度l增

13、加幅度遠大于刮板數(shù)由3到4時的增加幅度。顯然,在進料量、轉(zhuǎn)速一定的情況下,刮板數(shù)愈多,料液平均徑向速度增大,徑向混合加大,流體湍流程度加劇,促進熱交換。本設(shè)備內(nèi)筒直徑較小,刮板數(shù)為3或4時已達到最優(yōu)蒸發(fā)效果 。圖4刮板數(shù)對蒸發(fā)段長度和膜內(nèi)傳熱系數(shù)的影響任一刮板數(shù)下,蒸發(fā)段長度l與料液粘度之間的關(guān)系較為復(fù)雜。文獻7中的數(shù)值模擬計算結(jié)果表明,隨著料液粘度的增加,液膜內(nèi)平均軸向速度變低,料液在設(shè)備內(nèi)的平均停留時間增加,一定程度上提高42石油化工設(shè)備2007年第36卷了蒸發(fā)強度。此外,料液粘度增大,液膜厚度以及圈形波內(nèi)流體與液膜內(nèi)流體流速之比增大,圈形波與液膜內(nèi)流體熱交換更新能力降低。由圖4a 可以發(fā)

14、現(xiàn),在同一刮板數(shù)下,隨著物料粘度的增加,蒸發(fā)段長度l 先是迅速增大,到達極值以后開始下降,當(dāng)粘度大于一定值后該蒸發(fā)段長度l 又趨于平穩(wěn)。在本文計算范圍內(nèi),物料E 的蒸發(fā)段長度最大。由圖4b 發(fā)現(xiàn)在一定粘度范圍內(nèi),膜內(nèi)傳熱系數(shù)隨著刮板數(shù)的增多而有所增大,當(dāng)粘度大于1.0Pa s 后,則隨著刮板數(shù)的增多而略有降低,這是因為在低粘度條件下,刮板數(shù)的增多能增強液膜湍動,使傳熱系數(shù)提高。但在料液粘度高時,過多的刮板數(shù)會使刮板前的前鋒波延伸到拖曳渦流,反而使傳熱系數(shù)有所下降。文中的這一結(jié)果與文獻12結(jié)論一致。4.3不同筒體長徑比不同粘性料液筒體長徑比對有效蒸發(fā)面積和膜內(nèi)傳熱系數(shù)的影響關(guān)系見圖5a 和圖5b

15、 。由圖5a 可以知道,對于介質(zhì)水,有效蒸發(fā)面積隨著長徑比的增大而有所增加,而其它粘性料液在不同長徑比下有效蒸發(fā)面積幾乎相等,長徑比的改變對有效蒸發(fā)面積的改變影響很小。由圖5b 可知,各粘性物料的隨著長徑比的增大而變小,當(dāng)L/D =3.06時,最大,對于介質(zhì)水,其 則隨著長徑比的增大而有所增大。圖5長徑比對有效蒸發(fā)面積和膜內(nèi)傳熱系數(shù)的影響文獻7數(shù)值模擬計算結(jié)果表明,粘性料液較之于水蒸發(fā)段長度較長。本文計算結(jié)果表明,對于粘性料液,低的長徑比可以獲得更高的傳熱系數(shù),這與文獻5,12的結(jié)果一致。綜合圖3圖5的模擬計算結(jié)果可知,針對高粘性料液,基于堿液蒸發(fā)濃縮開發(fā)的機械攪拌式薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)尚有進一步優(yōu)

16、化設(shè)計的余地。針對本設(shè)備而言,合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)為,刮板數(shù)n =34,長徑比L /D =3.06,刮板間隙盡量小或者采用刮壁式轉(zhuǎn)子。5結(jié)語采用CFD 分析軟件CFX4.4對薄膜蒸發(fā)器內(nèi)不同粘性料液在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的傳熱性能進行了初步研究。研究結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對蒸發(fā)段長度(有效蒸發(fā)面積和傳熱系數(shù)影響較大,其中,減少刮板與筒壁間隙可有效增大蒸發(fā)段長度l ,提高加熱段膜內(nèi)傳熱系數(shù)。刮板數(shù)的增加可增大蒸發(fā)段長度l ,一定粘度范圍內(nèi)加熱段膜內(nèi)傳熱系數(shù)隨著刮板數(shù)的增多而增大,但粘度大于一定值后,則隨著刮板數(shù)的增多而略有降低。刮板數(shù)的增加對影響不明顯。長徑比的改變對有效蒸發(fā)面積的改變影響很小,對粘性物

17、料,小的設(shè)備長徑比能提供更大的加熱段膜內(nèi)傳熱系數(shù),而對于介質(zhì)水則恰恰相反。參考文獻:1Mutzenburg A B.Agitated Thin 2Film EvaporatorsJ .Chemi 2cal Engineering ,1965,13:1752178.2Mckelvey J M ,Sharps G V.Fluid Transport in Thin Film Poly 2mer ProcessorsJ .Polym Eng.Sci.,1979,19(9:6512659.3陳合,楊輝.刮板薄膜蒸發(fā)器的特性及其應(yīng)用研究J .西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報,1998,16(2:60264.4Miya

18、shita H.Heat Transfer Correlation in High Prandtl Num 25Mckenna T F.Design Model of a Wiped Film Evaporator Ap 26馬四朋,楊卓如,涂偉萍,等.攪拌薄膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)機理及強化研究進展J .化學(xué)工業(yè)與工程,2002,19(2:1852190.7賀小華,唐平,李佳,等.薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體流動特性的數(shù)值模擬J .過程工程學(xué)報,2005,5(4:3572363.8賀小華,李佳,陸小華.薄膜蒸發(fā)器溫度場及膜內(nèi)給熱系數(shù)的數(shù)值模擬J .過程工程學(xué)報,2005,5(4:3642369.52第1期唐平,等

19、:薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對流體傳熱性能的影響9K omori S , Takata K ,Murakami Y.Flow Structure and Mixing10王志峰,黃雄斌,施力田,等.垂直列管加熱的攪拌槽中溫度場的測量與數(shù)值模擬J .化工學(xué)報,2002,53(11:117521181.11蔡樹棠,劉宇陸.湍流理論M .上海:上海交通大學(xué)出版社,1993:2532254.12化學(xué)工程手冊編輯委員會.化學(xué)工程手冊,第9篇蒸發(fā)與結(jié)晶M .北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1985:52265.13李佳.薄膜蒸發(fā)器傳熱性能分析與實驗研究D .南京:南京工業(yè)大學(xué),2004:27264.(許編收稿日期:2006

20、208211作者簡介:樊水沖(19802,男,江蘇通州人,碩士,從事高效傳熱傳質(zhì)技術(shù)的相關(guān)工作。文章編號:100027466(20070120026204SMV 型靜態(tài)混合器的試驗研究樊水沖,楊學(xué)忠,郭勇(南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院,江蘇南京210009摘要:建立了空氣2水套管式換熱器的試驗臺,分別測量、計算了空管和SMV 型靜態(tài)混合器的管內(nèi)對流傳熱系數(shù),后者比前者提高了4.36倍。通過建立與之具有相同尺寸的模型,在合理的近似工況下,數(shù)值模擬了空氣在SMV 型靜態(tài)混合器內(nèi)的流動與傳熱。與試驗數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn),數(shù)值計算具有相當(dāng)?shù)目煽啃?。關(guān)鍵詞:靜態(tài)混合器;傳熱系數(shù);強化傳熱;數(shù)值計算中圖分類號

21、:TQ 05117;T K 124文獻標志碼:AThe Experiment Study on the SMV Static MixerFAN Shui 2chong ,YANG Xue 2zhong ,GU O Yong(College of Mechanical and Power Engineering ,Nanjing U niversityof Technology ,Nanjing 210009,China Abstract :A test platform for air 2water double pipes heat exchanger has been set up.The convec 2tive coefficient s of SMV static mixer was measured and calculated.It has been found t hat it is en 2hanced 4.36times t han t he previous compared wit h t he blan