超聲式蒸發(fā)器強化傳熱性能分析

宋玉臣 宋繼田 韓 峰 田 瑋 許曉飛

（天津科技大學機械工程學院，天津300222）

超聲式蒸發(fā)器強化傳熱性能分析

宋玉臣 宋繼田 韓 峰 田 瑋 許曉飛

（天津科技大學機械工程學院，天津300222）

從改變進料溫度、改變進料流量、改變進料溫度與蒸汽溫度的溫差、改變超聲功率的大小這4個方面分別對超聲蒸發(fā)裝置的傳熱性能進行了研究，實驗采用單因子評價法進行分析。實驗結果表明：進料溫度越大、進料流量越大、超聲功率越大，則傳熱系數(shù)K越大，蒸發(fā)傳熱性能越強；進料溫度與蒸汽溫度的差值越大，則傳熱系數(shù)K呈現(xiàn)減小趨勢，即蒸發(fā)傳熱性能呈現(xiàn)減弱的趨勢；在改變進料溫度、改變進料流量以及改變進料溫度與蒸汽溫度的溫差等情況下，增加超聲均比不加超聲對蒸發(fā)性能具有不同程度的強化效果；隨著加入超聲功率的增大，蒸發(fā)強化效果明顯增強，但是當超聲功率達到某一值時，強化效果略有減弱。

超聲式蒸發(fā)器；單因子評價法；蒸發(fā)強化；傳熱性能；分析

0 引言

在蒸發(fā)器中采用超聲技術，可以使液體表面產生蒸汽型噴霧，即在液體表面產生一層霧化帶，因而蒸發(fā)表面積會大大增加，另外噴霧可以造成液體與周圍氣體產生相對運動，使湍動系數(shù)大大增加[1]。同時，超聲技術可以使液體產生超聲空化，這不僅造成液體內部之間非常劇烈的湍動，使液體與周圍氣體壓力差幅度加大，而且降低溶液的表面張力，從而降低了成核勢壘，促進了液體內部的能量交換，使液體蒸發(fā)過程得以強化[2]。超聲波對于防止和去除加熱室內的結垢具有明顯的效果，從而進一步增加傳熱系數(shù)，使液體蒸發(fā)過程得以強化。因此，超聲技術非常適用于糖類、黑液、石油等在蒸發(fā)過程中結垢嚴重的溶液濃縮[3-5]。

近年來，國內外關于超聲波在清洗、分離和防結垢方面的研究已有較多文獻報道[6-9]。其研究表明，由于超聲波產生的“空化霧化作用”，能夠達到強化傳熱和防、除垢的目的。但是，理論研究與食品液體的實際濃縮存在極大的差別，其結果不能直接應用于食品工業(yè)中[10]。對于具體的蒸發(fā)溶液采用何種頻率和功率的超聲波才能達到最佳的強化效果、超聲波產生的“空化現(xiàn)象”對蒸發(fā)溶液是否有影響等，這些研究至今沒有具體的相關文獻報道[11-13]。從所查的文獻[14]來看，有研究者將超聲源加入蒸發(fā)系統(tǒng)的汽液分離室內，目的是提高汽液的分離速度，縮短分離時間，但無法防止加熱室中物料的結垢，從而無法強化傳熱。

本課題擬將超聲源直接作用于蒸發(fā)器的加熱室內，可有效地減少垢層生成，增加流體的湍流速度，提高傳熱系數(shù)，該研究未見公開的文獻報道。

1 實驗過程

1.1 研究方法簡介

單因子評價法就是用蒸發(fā)性能最差的單項指標所屬因素來確定綜合蒸發(fā)性能，即用單個因素對蒸發(fā)性能影響的實驗結果對照其總體蒸發(fā)性能研究結果，確定其蒸發(fā)性能的好壞。在所有影響其蒸發(fā)性能的因素中選取蒸發(fā)性能最差的一類作為其蒸發(fā)性能[15]。

1.2 實驗設備及流程

實驗設備主要包括超聲蒸發(fā)器、蒸汽鍋爐、離心泵、冷凝器及各種儲罐等。超聲蒸發(fā)裝置實驗流程如圖1所示，該流程主要由物料系統(tǒng)、蒸汽加熱系統(tǒng)、二次蒸汽及冷凝系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等組成。于其容量的2/3處，過少則導致真空泵不能正常工作，過多則容易造成水從水箱溢出。

實驗第三步，當收集鍋爐蒸汽的冷凝水儲罐內有冷凝水，即生蒸汽產生，二次蒸汽（物料被蒸發(fā)后經冷凝器冷凝形成的冷凝水）和濃縮液（未被蒸發(fā)物料）產量穩(wěn)定時，調節(jié)真空泵示數(shù)到設定值，調節(jié)轉子流量計到設定流量，并時刻關注其讀數(shù)。

圖1 超聲蒸發(fā)裝置實驗流程

實驗開始之前，先檢查設備，確認無誤后，開始進行實驗。

實驗第一步，進行預熱，向蒸汽鍋爐內注入冷水，打開蒸汽加熱開關將蒸汽加熱到設定溫度，同時時刻注意蒸汽鍋爐上的壓力表示數(shù)，使其不可過大以保證安全。同時，將物料注入進料預熱罐，打開進料預熱開關，對物料進行預熱。

實驗第二步，當蒸汽鍋爐內蒸汽溫度以及進料預熱罐內物料溫度達到設定溫度并且相對穩(wěn)定之后，打開水箱進、出水閥門，打開真空泵，調節(jié)真空表壓力到設定值，打開進料閥。與此同時，要時刻關注蒸汽鍋爐上壓力表示數(shù)以及水箱水量，確保蒸汽鍋爐內壓強不能過大以保證安全，水箱內水量要處

在此步驟中需要注意的是，由于在真空體系中任何一個閥門的調大或調小都會對真空度造成較大影響，進而對流量的大小產生影響，導致實驗結果的不準確。因此，調節(jié)鍋爐蒸汽出口閥門，以保證蒸汽溫度穩(wěn)定在設定值，確保實驗結果的準確性；不斷測量進料預熱罐內物料溫度，適當加入冷水或熱水以調節(jié)物料溫度穩(wěn)定在設定值，以保證實驗結果的準確性；當真空表示數(shù)和轉子流量計示數(shù)調節(jié)到設定值并達到穩(wěn)定，蒸汽鍋爐壓力表示數(shù)顯示正常并穩(wěn)定，水箱水量正常，蒸汽溫度、物料溫度達到設定值并保持穩(wěn)定時，開始進行測量。同時，切換二次蒸汽冷凝水儲罐和濃縮液儲罐并計時（本實驗設定的單因子實驗時間間隔5 min），在實驗測量中，要時刻注意真空表示數(shù)、轉子流量計示數(shù)、鍋爐蒸汽溫度、進料物料溫度保持穩(wěn)定在設定值，水箱水量合適，蒸汽鍋爐壓力合適，以保證實驗結果的準確和實驗的安全。在測量中，把暫時不用來收集二次蒸汽和濃縮液的儲罐內部水排出，以備緊接著下次測量用。在排出廢水時，要注意先關閉儲罐真空閥（保證試驗中真空度的穩(wěn)定），再慢慢打開儲罐排空閥（防止儲罐內外壓力差過大，對儲罐尤其是視鏡處造成破壞，減短儲罐使用壽命），最后打開排水閥排水。排完水后，要先關閉排水閥，再關閉排空閥，最后打開真空閥，以保證試驗中真空度的穩(wěn)定。

實驗第四步，達到測量時間后，同時切換二次蒸汽冷凝水儲罐和濃縮液儲罐閥門，第一組實驗結束。同時第二組實驗開始，第二組實驗與第一組實驗條件完全相同，所以不用再次調節(jié)各閥門和表，只需適當加以調整即可。排水方法同上，收集并測量二次蒸汽、生蒸汽和濃縮液，記錄下實驗數(shù)據。

2 實驗結果與討論

實驗的設計采用了單因子評價法，根據傳熱系數(shù)速率方程求出其傳熱系數(shù)，從而比較其傳熱性能的大小，看其對蒸發(fā)傳熱是否具有強化作用。本實驗從改變進料溫度、改變進料流量、改變進料溫度與蒸汽溫度的溫差、改變超聲功率的大小這4個方面分別對超聲蒸發(fā)裝置的傳熱性能進行了研究。

2.1 公式推導

在試驗中分別測出二次蒸汽和濃縮液的體積，利用公式（1）求出進料物料的質量。

式中 m——進料物料的質量，g；

ρ——水的密度，g/cm3；

v——進料體積，為二次蒸汽體積與濃縮液體積之和，mL。

物料的質量流量：

式中 m——進料物料的質量，g；

Δt——每組實驗的傳熱時間，s；

qm——流體的質量流量，kg/s。

熱流量：

式中 qm——流體的質量流量，kg/s；

Q——熱流量，W；

r——汽化潛熱，kJ/kg。

傳熱系數(shù)速率方程：

式中 Q——熱流量，W；

K——總傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

A——傳熱面積，m2，本實驗裝置A=0.3 m2；

Δtm——進料溫度與蒸汽溫度溫差，℃。

合并公式（1）、（2）、（3）、（4），得到傳熱系數(shù)的計算公式為：

其中，汽化潛熱r由飽和水蒸氣表查得。

2.2 不同進料溫度的影響

本組實驗通過改變不同進料溫度以及有無超聲對其傳熱性能產生的影響進行研究。其中，穩(wěn)定進料流量為60 L/h，進料溫度與蒸汽溫度的溫差穩(wěn)定在50℃，有超聲時超聲功率為0.8 W/m2，進料溫度從50～75℃每隔5℃測量1次。根據公式（5）計算出其傳熱系數(shù)。

不同進料溫度時，有無超聲與傳熱系數(shù)的變化關系如圖2所示，表明了在上述條件下，傳熱系數(shù)隨進料溫度變化的情況。隨著進料溫度的增加，傳熱系數(shù)相應增大。因為隨著溫度的升高，物料的黏度減小，雷諾數(shù)變大，物料的流動性能變好，湍動程度加強，因而其傳熱性能得到強化。加入超聲后，在進料溫度較小時，傳熱系數(shù)要比沒有超聲的時候大許多，在進料溫度55℃時，傳熱系數(shù)減小，到70℃時達到最小，隨著進料溫度繼續(xù)增大，傳熱系數(shù)又有所回升，但是傳熱系數(shù)在總體上比沒有超聲時要大，這是因為加入超聲以后，湍動系數(shù)相應加大，即增大了其傳熱系數(shù)。該實驗表明，在改變進料溫度的情況下，超聲對蒸發(fā)器傳熱性能有一定的強化作用。

圖2 不同進料溫度時有無超聲與傳熱系數(shù)的變化關系

2.3 不同進料量的影響

本組實驗通過改變不同進料流量，以及有無超聲對其傳熱性能產生的影響進行了研究。其中，穩(wěn)定進料溫度60℃，進料溫度與蒸汽溫度的溫差穩(wěn)定在50℃，即蒸汽溫度為110℃，有超聲時超聲功率0.8 W/m2。進料流量從30～75 L/h每隔10 L/h測量1次。根據公式（5）計算出其傳熱系數(shù)。

不同進料流量時有無超聲與傳熱系數(shù)的變化關系如圖3所示，表明了在上述條件下，傳熱系數(shù)隨進料流量變化的情況。隨著進料流量的增大，傳熱系數(shù)呈增大趨勢，有超聲作用比沒有超聲作用的傳熱系數(shù)大。由于隨著物料的質量流量增大，即物料的流速增大，使得雷諾數(shù)變大，湍動系數(shù)變大。另外，物料的速度增大使其當量膜厚減薄，傳熱系數(shù)也將增大。而當加入超聲時，超聲空化作用使流體質點雜亂程度加劇，傳熱性能相應增強。該實驗表明在改變進料流量的情況下，超聲對蒸發(fā)器傳熱性能有一定的強化作用。

圖3 不同進料流量時有無超聲與傳熱系數(shù)的變化關系

2.4 不同傳熱溫差的影響

本組實驗通過改變不同溫差，以及有無超聲對其傳熱性能產生的影響進行了研究。其中，穩(wěn)定進料溫度60℃，進料流量60 L/h，超聲功率0.8 W/m2，進料溫差從40～60℃每隔5℃測量1次。根據公式（5）計算出其傳熱系數(shù)。

不同溫差時有無超聲與傳熱系數(shù)的變化關系如圖4所示，表明了在上述條件下，傳熱系數(shù)隨進料溫差變化的情況。隨著進料溫差的增大，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)出減小的趨勢，傳熱系數(shù)在有超聲作用時比沒有超聲作用時大。因為隨著溫差的增大，汽化核心數(shù)增加，氣泡長大速率加快，致使大量氣泡在加熱表面匯合，形成一層蒸氣膜，而熱量必須通過此蒸汽膜才能傳遞到液體主流中去，使傳熱系數(shù)下降。而加入超聲以后，超聲產生強烈的振動，使氣泡破裂，這就對蒸氣膜的形成起到一定的阻礙作用，因而對蒸發(fā)傳熱有強化作用。該實驗表明，在改變進料溫差的情況下，超聲對蒸發(fā)器的傳熱性能有一定的強化作用。

2.5 不同超聲功率的影響

本組實驗通過改變不同超聲功率，對其傳熱性能進行了研究。其中，穩(wěn)定進料溫度60℃，進料溫差50℃，即蒸汽溫度110℃，進料流量60 L/h，超聲功率從0～1.5 W/m2每隔0.3 W/m2測量1次。根據公式（5）計算出其傳熱系數(shù)。

圖4 不同溫差時有無超聲與傳熱系數(shù)的變化關系

不同功率與傳熱系數(shù)的關系如圖5所示，表明了在上述條件下，傳熱系數(shù)隨超聲功率變化的趨勢，隨著超聲功率的增大，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢，當超聲波功率達到1.2 W/m2時，傳熱系數(shù)達到最大值，之后略有減小。這是因為：（1）超聲可以在液體表面產生一層霧化帶，增大了蒸發(fā)表面積，同時也增大了湍動系數(shù)；（2）超聲使液體產生超聲空化，這既造成了液體內部之間非常劇烈的湍動，又降低溶液的表面張力，促進其內部能量交換，使蒸發(fā)過程得以強化；（3）超聲波的防止結垢和除垢功能較明顯，亦能增加傳熱系數(shù)。該實驗表明，超聲功率越大，對蒸發(fā)器的傳熱性能的強化作用越明顯。

圖5 不同功率與傳熱系數(shù)的關系

3 結論

通過實驗，對超聲源直接作用于蒸發(fā)器加熱室，得出了以下結論：

（1）進料溫度越大、進料流量越大和超聲功率越大，則傳熱系數(shù)K越大，蒸發(fā)傳熱性能越強。

（2）進料溫度與蒸汽溫度的差值越大，則傳熱系數(shù)K呈現(xiàn)減小趨勢，即蒸發(fā)傳熱性能呈現(xiàn)減弱的趨勢。

（3）在改變進料溫度的情況下，增加超聲比不加超聲對蒸發(fā)性能效果更好。加入超聲后，在進料溫度較小時，傳熱性能強化效果明顯，隨著進料溫度的增大，傳熱性能強化效果相對較弱。

（4）在改變進料流量以及改變進料溫度與蒸汽溫度的溫差兩種情況下，加入超聲均比不加超聲的傳熱性能要強。

（5）隨著加入超聲功率的增大，蒸發(fā)強化效果明顯增強，但是當超聲功率達到某一值時，強化效果略有減弱。

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2015-04-22

宋玉臣（1988—），男，山東莒縣人，碩士研究生，研究方向：蒸發(fā)與傳熱過程模擬與優(yōu)化。

宋繼田（1967—），男，吉林松原人，副教授，博士，從事蒸發(fā)與結晶技術研究、新型節(jié)能設備的開發(fā)與利用工作。

過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室開放基金資助項目，項目編號：GK201303；天津科技大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，項目編號：201410057134