薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流場分布與傳輸特性數(shù)值模擬研究

王志文，陳入領(lǐng)，黃 瑤，鄒 鯤，彭倚天

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海 201620)

在現(xiàn)代化工、醫(yī)藥和食品等工程領(lǐng)域中存在大量的液料濃縮和蒸餾環(huán)節(jié),液料大多存在黏度高、耐熱性差、易結(jié)晶結(jié)垢等問題,傳統(tǒng)的蒸發(fā)設(shè)備往往難以滿足液料的蒸發(fā)濃縮需求[1-4]。薄膜蒸發(fā)器是一種在低壓條件下利用旋轉(zhuǎn)刮板的機(jī)械刮擦作用,使液料在壁面成膜以促進(jìn)液料快速濃縮的高效蒸發(fā)設(shè)備,具有傳熱系數(shù)大、停留時(shí)間短、適用黏度范圍廣等優(yōu)勢,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品、化工、環(huán)保、制藥等領(lǐng)域[5-7]。圖1(a)為直列刮板式薄膜蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)簡圖[8-9]。

學(xué)者們對直列刮板式薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的流場特征進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。Godau[10]指出,在薄膜蒸發(fā)器內(nèi),當(dāng)形成的液膜厚度大于壁面與刮板間的間隙時(shí),葉片前緣會呈現(xiàn)螺旋狀的流動(dòng)結(jié)構(gòu),間隙間則為庫埃特流動(dòng),并給出了薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的三維流場結(jié)構(gòu),如圖1(b)所示。Komori等[11]以玉米糖漿為原料進(jìn)行刮膜試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)流場輪廓與圖1(b)一致;在三維流場輪廓圖中取一徑向截面得到流場的二維輪廓圖,基于二維流場輪廓?jiǎng)?chuàng)建單相物理模型,設(shè)置右邊為液料進(jìn)口、左邊為液料出口,對二維下的流場內(nèi)部速度矢量圖進(jìn)行數(shù)值模擬(見圖1(c)),結(jié)果顯示,刮板前緣的液團(tuán)內(nèi)部流場呈圈形流動(dòng),這與空間中的螺旋狀結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。Komori等[11]的研究驗(yàn)證了Godau推導(dǎo)的理論流場結(jié)構(gòu)的正確性,但是,他們采用的是固定氣液界面的單相流模擬,無法準(zhǔn)確反映流場中氣液界面存在的流場變化情況,研究方法還存在一定的改進(jìn)空間。

圖1 薄膜蒸發(fā)器模型簡圖及內(nèi)部流場示意圖Fig.1 Schematic of thin-film evaporator and inner flow field

近年來,國內(nèi)也有不少學(xué)者對刮膜蒸發(fā)設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)展開研究,其中不少研究采用了數(shù)值模擬的方法。賀小華[2]基于文獻(xiàn)[11]的固定氣液界面的方法,建立了薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的三維單相流模型,集中研究了水等低黏流體在薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性,但無法真實(shí)反映氣液界面變化情況。周怒潮等[12]通過構(gòu)建薄膜蒸發(fā)器二維兩相流模型,研究了薄膜蒸發(fā)器內(nèi)刮板角度、數(shù)量和傾角等因素對流場的影響,該模型雖真實(shí)反映了薄膜蒸發(fā)器內(nèi)二維流場的變化,但未體現(xiàn)液料在蒸發(fā)器中的軸向傳輸特性。

綜上所述,目前對于薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流場特性的數(shù)值模擬研究已有一定的基礎(chǔ),但研究中建立的仿真模型大多難以準(zhǔn)確反映三維空間中薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流場的變化情況,這使得對于薄膜蒸發(fā)器內(nèi)液料的徑向混合特性和軸向傳輸特性的認(rèn)識尚存不足,無法根據(jù)液料的特性對薄膜蒸發(fā)器進(jìn)行有效設(shè)計(jì)和改進(jìn)。為了加深對薄膜蒸發(fā)器中液料的徑向混合和軸向傳輸特性的認(rèn)識,本文通過Fluent數(shù)值模擬軟件,以薄膜蒸發(fā)器中常處理的高黏假塑性流體液料為模擬介質(zhì),采用多相流VOF模型追蹤氣液界面,建立薄膜蒸發(fā)器內(nèi)氣液兩相流三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬模型[13-14]。先將模擬結(jié)果與現(xiàn)有理論流場圖進(jìn)行對比驗(yàn)證,然后分析薄膜蒸發(fā)器內(nèi)液料的徑向混合特性和軸向傳輸特性,同時(shí)探討液料黏度對液料流動(dòng)特性的影響。研究結(jié)論有望為大型蒸發(fā)刮膜設(shè)備的刮板設(shè)計(jì)和改進(jìn)工作提供參考。

1 建模及其求解設(shè)置

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

為確保仿真模擬的實(shí)際意義,采用的物理模型(見圖2(a))的主要尺寸和后續(xù)的相關(guān)工藝參數(shù)均參照文獻(xiàn)[15],即模型高100 mm,外徑164 mm,內(nèi)徑120 mm,刮板寬2 mm,刮板頂端距離壁面0.5 mm。模型的4個(gè)直列刮板相間90°周期分布。因模型具有對稱性,為簡化計(jì)算,取原模型的1/4創(chuàng)建三維周期性網(wǎng)格模型。薄膜蒸發(fā)器內(nèi)刮板前沿及其附近的液流流動(dòng)較為復(fù)雜,為獲得更為準(zhǔn)確的氣液相界面結(jié)果,需對壁面和刮板前沿附近的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。模型通過Fluent meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用3種不同尺度的壁面網(wǎng)格細(xì)化方案,網(wǎng)格尺度分別為0.2、0.3、0.4 mm;采用boi局部網(wǎng)格加密方法對薄膜蒸發(fā)器的壁面與刮板前端區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密,在壁面處創(chuàng)建5層邊界層網(wǎng)格;最后采用四面體網(wǎng)格填充模型。3種模型的網(wǎng)格數(shù)量分別為356萬、238萬和156萬。建模并模擬后發(fā)現(xiàn)3個(gè)模型的力矩變化相差均在5%以內(nèi),流場特征也無明顯改變,故采用0.3 mm尺度下的網(wǎng)格作為后續(xù)的網(wǎng)格模型,如圖2(b)所示。

圖2 薄膜蒸發(fā)器物理模型和網(wǎng)格模型Fig.2 Geometry model and mesh model of thin-film evaporator

1.2 數(shù)學(xué)模型

在不考慮傳熱和傳質(zhì)的前提下對薄膜蒸發(fā)器內(nèi)液膜的流動(dòng)特性進(jìn)行研究,鑒于研究對象的復(fù)雜性,假設(shè)流體不可壓縮且互不相溶[16]。模擬中,流體從刮板與壁面間的小縫中流出,對于這種小縫出流的情況,采用壁面函數(shù)近似求解可能會導(dǎo)致模擬結(jié)果不合理,故采用κ-ω湍流模型,在加密近壁面處網(wǎng)格的條件下,通過近壁面網(wǎng)格模型直接求解壁面處的流場流態(tài)。Fluent軟件中常用的多相流模型包括離散相模型、VOF模型、Mixture模型及歐拉模型。刮膜蒸發(fā)主要屬于氣-液分層流動(dòng),為了更好地捕捉到刮膜蒸發(fā)過程中的氣-液界面特性,采用VOF模型進(jìn)行模擬[17]。在薄膜蒸發(fā)器內(nèi),液料在旋轉(zhuǎn)刮板的刮擦作用下在壁面成膜,同時(shí)也在重力的作用下沿壁面向下流動(dòng),此時(shí),氣-液兩相間的表面張力與壁面接觸角均會對液膜的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生重要影響,因此需要在動(dòng)量方程中加入表面張力的源項(xiàng),從而對表面張力進(jìn)行建模,本文采用連續(xù)表面力(continuous surface force,CSF)模型。

1.3 求解設(shè)置

1.3.1 邊界條件和求解方法

由圖2所示物理模型可知,在模型四周設(shè)置環(huán)狀進(jìn)口,采用流量入口,進(jìn)料量為6 kg/h。底部整體設(shè)置為壓力出口。采用單參考系模型(single reference frame,SRF),設(shè)置流體域轉(zhuǎn)速為120 r/min,外壁面為移動(dòng)壁面,相對于流體域的速度為零,刮板為移動(dòng)壁面,絕對速度設(shè)置為零。采用Fluent中的3 D穩(wěn)態(tài)求解器求解,考慮重力,g=9.8 m/s2。壓力差值采用body force weight格式。采用壓力-速度耦合求解方法,以二階迎風(fēng)算法求解動(dòng)量方程,其余方程均設(shè)為一階迎風(fēng)算法求解[18]。

1.3.2 液料屬性

從文獻(xiàn)[19-20]中選取與Komori等[11]的研究中黏度相近的幾種假塑性流體液料作為研究對象,液料為3種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的紅薯粉懸浮液。假塑性流體液料在受到剪切力作用時(shí)會迅速發(fā)生稀化,液料的表觀黏度會迅速向無限剪切黏度靠近;剪切力消失后,液料的表觀黏度又迅速恢復(fù)至零切黏度附近。設(shè)置3種液料均為單相,均服從式(1)～(3)所示的冪律方程,表1為3種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)紅薯粉懸浮液的冪律模型參數(shù),除黏度外,3種液料的其余參數(shù)皆與水相同。

μ=k·Sn-1

(1)

μ∞<μ=k·Sn-1<μ0

(2)

式中:μ為黏度,Pa·s;S為剪切速率,s-1;n為非牛頓指數(shù),無量綱;k為稠度系數(shù),Pa·sn。引入黏度的數(shù)值極限μ∞和μ0,Pa·s。μ∞為液料受到無限剪切力時(shí)的黏度,也稱無限剪切黏度;μ0為液料不受剪切力時(shí)的黏度,也稱零剪切黏度。

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)紅薯粉懸浮液冪律模型參數(shù)

2 薄膜蒸發(fā)器內(nèi)基本流場結(jié)構(gòu)分析與驗(yàn)證

模擬發(fā)現(xiàn),3種液料的表觀黏度變化相似,為了對薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流場的基本特征進(jìn)行驗(yàn)證,先以液料3的模擬結(jié)果為對象進(jìn)行分析。圖3(a)為截取的1/4周期模型,45°處為刮板所處位置,從頂部看,刮板做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),0°～45°為上一刮板刮擦過且當(dāng)前刮板即將要刮擦的區(qū)域,45°～90°為當(dāng)前刮板已經(jīng)刮擦過的區(qū)域。提取模型中進(jìn)口處向下20～21 mm壁面上的表觀黏度和剪切速率數(shù)據(jù),以散點(diǎn)圖形式沿周向進(jìn)行繪制,如圖3(b)所示。由圖3(b)可知:45°刮板所在方向上液料的表觀黏度出現(xiàn)明顯的凹峰,同時(shí)該處的剪切速率出現(xiàn)明顯的凸峰;除刮板附近外,壁面處的其余位置剪切強(qiáng)度較低,液料表觀黏度均在零剪切黏度附近小幅波動(dòng)。這是因?yàn)槟M采用的是假塑性流體,該流體在流動(dòng)過程中的表觀黏度隨剪切速率的增大而減小,即出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象。

圖3 薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的液相分布及相黏度變化圖Fig.3 Diagram of liquid phase distribution and its viscosity change in thin-film evaporator

在刮膜過程中,刮板處的液料受到剪切力的作用,表觀黏度迅速降低,流動(dòng)性增強(qiáng),液料更容易通過刮板與壁面間的間隙在壁面成膜。當(dāng)刮板離開后,剪切力下降,液料黏度恢復(fù),壁面黏附力增大,已鋪展開的液膜也更容易在壁面上保持完整。如圖3(c)所示,假塑性流體液料在旋轉(zhuǎn)刮板的作用下在壁面鋪展形成完整的液膜。圖3(d)為進(jìn)口處向下20 mm處的相截面。在刮板的刮擦作用下,大部分液料能夠很好地通過壁面與刮板間的間隙,剩余部分液料則會在刮板與壁面間堆積成液團(tuán),該液團(tuán)又被稱為圈形波。從形狀上看,截面相圖中的氣液界面輪廓與Komori等[11]模擬時(shí)所使用的二維物理模型的外形基本一致[8]。為了表征圈形波的尺寸,測得圈形波的最大徑向直徑a和最大切向直徑b,而后將(a+b)/2作為圈形波的當(dāng)量直徑,用于反映圈形波的變化趨勢。

圖4(a)為流場的三維相圖。從圖4(a)可以看出,二維截面中液料在刮板前緣堆積成的團(tuán)在三維空間中呈圓柱狀,液料堆積在刮板前緣并靠重力向下傳遞,該流場的輪廓特征與現(xiàn)有理論流場圖基本一致[2,10]。圖4(b)為流場的跡線圖,其中,紅色跡線代表液相,藍(lán)色跡線代表氣相。從圖4(b)可以看出,壁面處的液相跡線大致呈沿壁面螺旋向下的流動(dòng)結(jié)構(gòu),但向下流動(dòng)速度極慢。從局部跡線圖4(c)可以看出,刮板前緣的圈形波內(nèi)部在空間上也呈螺旋向下的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。綜合來看,模擬所得跡線圖的基本特征與文獻(xiàn)[10]中的理論圖一致。

圖4 薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流場和跡線分布圖Fig.4 Flow field and trace distribution in thin-film evaporator

3 結(jié)果與討論

3.1 薄膜蒸發(fā)器內(nèi)液料的徑向混合特性和軸向傳輸特性分析

為分析液料的流動(dòng)特性,提取模型進(jìn)口向下20 mm處截面內(nèi)的相關(guān)信息。圖5(a)是該截面內(nèi)圈形波處的相對速度矢量圖,其中,紅色箭頭代表液相,藍(lán)色箭頭代表氣相,箭頭大小表示速度。在平面內(nèi)呈螺旋狀向下流動(dòng)液料的內(nèi)部表現(xiàn)為圈形的速度矢量場,因而稱為圈形波。圈形波中心區(qū)域的相對速度較小,而在自由表面處較大。在速度梯度圖(圖5(b))中的團(tuán)膜交界處可明顯看出,圈形波中靠近液膜處的速度梯度線幾乎與液膜一致且平行于壁面,這與Komori等[11]的推測一致,在這種近乎層流的情況下,圈形波與液膜間的物質(zhì)交換受到抑制[11]。

圖5 薄膜蒸發(fā)器中二維截面內(nèi)速度分布圖Fig.5 Velocity distribution in 2D section of thin-film evaporator

Komori等[11]的模擬忽略了氣相的影響,無法真實(shí)反映刮膜過程中氣液界面的變化情況。而本文建立的是氣液兩相流模型,因此可進(jìn)一步觀察到刮膜過程中氣液界面的細(xì)節(jié)特征。雖然模擬結(jié)果中二維相截面圖的外形輪廓與Komori等[11]采用的物理模型基本一致,但仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn),在二維截面相圖(見圖3(b))中,團(tuán)膜交界處為黃色的氣液混合相而非紅色的純液相,在二維截面內(nèi)相對速度矢量圖(見圖5(a))中,團(tuán)膜交界處存在大量代表氣相的藍(lán)色箭頭,這說明交界處存在氣體夾帶,而文獻(xiàn)[11]中的單相流模型無法反映這一特征。這些夾帶的氣體隔絕了圈形波與液膜間的直接接觸,阻礙了圈形波與液膜間的徑向混合,從而抑制了圈形波與液膜間的物質(zhì)交換。液料的軸向傳輸特性是本文關(guān)注的另一重點(diǎn)。在圖5(c)的軸向速度矢量圖中,液膜的軸向速度矢量箭頭呈點(diǎn)狀分布于壁面附近,細(xì)小得幾乎不可見,與綠色的氣液混合相速度矢量箭頭以及紅色的圈形波內(nèi)液相的速度矢量箭頭形成了鮮明的對比。此外,從圖5(d)的速度梯度圖中可以看出,圈形波與液膜間的速度相差較大,圈形波的軸向速度明顯高于液膜。因此在本文模型中,圈形波是薄膜蒸發(fā)器中軸向輸運(yùn)的主力,液膜則通過與圈形波的攪拌混合,實(shí)現(xiàn)物質(zhì)更新。

由于圈形波中的液料不能與加熱壁面直接接觸,因此圈形波中的液料吸熱蒸發(fā)速率較慢。此外,雖然圈形波與液膜間存在物質(zhì)交換,但這種交換主要發(fā)生在圈形波外圍和液膜間。圖6(a)為圈形波中的最高黏度分布圖。由圖6(a)可知,圈形波外圍的液料黏度較低、流動(dòng)性好,更容易與液膜間發(fā)生物質(zhì)交換,而圈形波內(nèi)部的液料黏度較高、流動(dòng)受限。當(dāng)圈形波尺寸較大時(shí),其內(nèi)部的液料可能得不到及時(shí)更新,導(dǎo)致液料在未經(jīng)充分處理的情況下流出蒸發(fā)器,影響產(chǎn)物的質(zhì)量。

圖6 薄膜蒸發(fā)器內(nèi)軸向方向上圈形波特征變化圖Fig.6 Characteristic changes of fillet in axial direction of thin-film evaporator

由此可見,圈形波與液膜間存在無法進(jìn)行充分物質(zhì)交換的情況,過大的圈形波可能不利于蒸發(fā)。因此,圈形波在軸向方向的發(fā)展和變化情況應(yīng)當(dāng)受到關(guān)注。圈形波在向下流動(dòng)的過程中主要受到4個(gè)力的作用,即黏性阻力、自身重力、離心力以及刮板的推力,其中影響圈形波向下傳遞的主要是黏性阻力和自身重力。由于圈形波的自身重力大于黏性阻力,因此圈形波呈現(xiàn)向下加速的趨勢。圖6(b)為圈形波當(dāng)量直徑和軸向速度分布圖。由圖6(b)可知,在流量不變的情況下,圈形波軸向速度的增大會導(dǎo)致其當(dāng)量直徑的減小。此外,在向下傳遞的過程中,圈形波一直受到刮板的推力作用,這使得圈形波中靠近刮板處的液料極易受剪切力作用而發(fā)生稀化。由圖6(a)可知,圈形波在向下傳遞的過程中,其液料黏度也在逐漸降低,這使得圈形波內(nèi)液料的流動(dòng)性得到提高,因而液料更容易進(jìn)入液膜中,致使圈形波當(dāng)量直徑逐漸減小。

3.2 液料黏度對液料流動(dòng)特性的影響分析

為探討液料黏度對流動(dòng)特性的影響,對比分析3種不同黏度液料模擬得到的結(jié)果。圖7是壁面處周向的流體表觀黏度散點(diǎn)圖,數(shù)據(jù)提取位置如圖3(a)所示。假塑性流體液料在遇到刮板后受剪切力作用迅速稀化,表觀黏度快速降低,當(dāng)刮板離開后,剪切強(qiáng)度降低,液料的黏度又迅速恢復(fù)至零剪切黏度附近?？傮w而言,除了零剪切黏度不同外,3種液料的剪切稀化和黏度恢復(fù)速度都非?？?剪切特性基本相似,這可能是由它們的非牛頓指數(shù)n相近所致。

圖7 3種液料在薄膜蒸發(fā)器內(nèi)周向壁面處的液料黏度變化散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter of liquid viscosity of three kinds of liquid on the wall in circumferential direction of thin-film evaporators

圖8 采用不同黏度液料時(shí)薄膜蒸發(fā)器的壁面相圖和圈形波截面圖Fig.8 Phase distribution of the wall and fillet using different viscosity liquid in thin-film evaporator

采用不同黏度液料時(shí)薄膜蒸發(fā)器的壁面相圖和圈形波截面圖如圖8所示。從圖8(a)～(c)中的壁面相圖可以看出,3種假塑性流體液料的壁面成膜性都非常好,液料在壁面上鋪展成完整的液膜。這主要是由假塑性液料的剪切稀化特性導(dǎo)致的。刮板處的液料受到剪切力作用而發(fā)生稀化,黏度降低,液料容易鋪展到壁面形成完整液膜;而當(dāng)刮板離開后,液料的黏度恢復(fù),高黏液膜黏附在壁面上,不易在表面張力的作用下發(fā)生破裂[21]。

液料黏度是影響液料流動(dòng)特性的重要因素,也會導(dǎo)致圈形波與液膜交界處流場的轉(zhuǎn)變,進(jìn)而影響液團(tuán)與液膜間的混合。從圖8(a)～(c)中的圈形波處的二維截面圖可知:在相同工藝參數(shù)下,黏度較低的液料1的圈形波尺寸較小,黏度較高的液料3的圈形波尺寸較大;隨著液料黏度的增大,交界處夾帶的氣體量越來越多,這抑制了圈形波與液膜間的徑向混合,降低了圈形波中的液料通過刮板與壁面的間隙的可能,導(dǎo)致大量液料滯留在刮板前緣。圈形波在徑向上主要受兩個(gè)力的作用:一是由旋轉(zhuǎn)刮板的推動(dòng)帶來的離心力;二是刮板壁面上徑向黏附力的阻礙作用。當(dāng)液料黏度較低時(shí),刮板壁面上的徑向黏附阻力較小,離心力強(qiáng),圈形波能在離心力的作用下與液膜充分接觸。但隨著液料黏度的增大,液料的徑向壁面黏附阻力與其所受離心力的差距越來越小,這使得推動(dòng)圈形波與液膜接觸的力也逐漸減小,圈形波與液膜逐漸分離,兩者間產(chǎn)生間隙并混入大量氣體。綜上所述,直列刮板在處理高黏液料時(shí),圈形波與液膜間的物質(zhì)交換受到抑制,因此從促進(jìn)圈形波與液膜間物質(zhì)交換的角度出發(fā),適宜采用頂端帶有彎折角度的刮板。在旋轉(zhuǎn)刮膜過程中,除了離心力外,彎折的刮板還能給予圈形波一個(gè)徑向推力,以促進(jìn)圈形波與液膜的充分接觸和混合。

液料黏度的增大影響了其徑向混合,進(jìn)而對液料的軸向傳輸產(chǎn)生影響。采用不同黏度液料時(shí)薄膜蒸發(fā)器中的圈形波在軸向上的特征變化如圖9所示。由圖9(a)可知,3種液料的圈形波尺寸在軸向上都呈逐漸減小的趨勢。對于液料2和液料3,導(dǎo)致圈形波減小的主要原因是圈形波軸向速度的增大以及圈形波中液料黏度的下降,如圖9(b)和9(c)所示。但在采用液料1的模型中,圈形波的軸向速度在向下傳遞時(shí)逐漸減小。這是因?yàn)榈宛ひ毫吓c刮板壁面和液膜間的接觸更充分,使得模型中的圈形波更易受到壁面黏附力的影響,因而出現(xiàn)軸向速度不斷衰減的現(xiàn)象。反觀液料團(tuán)的黏度,其在軸向上依舊呈不斷減小的趨勢,由此可見,軸向上圈形波當(dāng)量直徑的不斷減小主要是由圈形波中液料在軸向傳輸過程中的剪切稀化導(dǎo)致的。此外,隨著黏度的增大,圈形波軸向減小的速度也在明顯放緩,這進(jìn)一步說明黏度的增大抑制了圈形波與液膜間的物質(zhì)交換。

圖9 采用不同黏度液料時(shí)薄膜蒸發(fā)器中的圈形波在軸向上的特征變化圖Fig.9 Characteristic changes of fillet in axial direction of thin-film evaporator with different viscosity liquid

從軸向傳輸角度看,直列刮板在處理低黏液料時(shí)是有效的。這是因?yàn)榈宛ひ毫系娜π尾ǔ叽巛^小,其徑向混合充分,在向下傳輸?shù)倪^程中圈形波逐漸融入液膜,軸向傳輸?shù)闹髁τ扇π尾ㄖ饾u轉(zhuǎn)變?yōu)橐耗?。高黏液料的圈形波尺寸較大,徑向混合受到抑制,液料不易融入液膜,此時(shí)圈形波是軸向輸運(yùn)的主力。大尺寸圈形波的存在容易導(dǎo)致部分未經(jīng)充分處理的液料流出蒸發(fā)器,但在處理高黏液料時(shí),圈形波是難以避免的,因此可以考慮從刮板結(jié)構(gòu)角度著手,如采用多段刮板結(jié)構(gòu)(見圖10(a))促進(jìn)圈形波與液膜間的物質(zhì)交換。

圖10 多段刮板式薄膜蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其流場示意圖Fig.10 Structural diagram of thin-film evaporator with multi-section scraper and inner flow field

圖10(b)為多段刮板內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)示意圖。初始階段,液料依然會在刮板前緣堆積從而形成圈形波,但當(dāng)液料流動(dòng)到刮板下的斷口處時(shí),團(tuán)積的液料會從斷口處流出,此時(shí)圈形波與液膜發(fā)生重新混合,混合后的液料在重力作用下繼續(xù)向下流動(dòng),到達(dá)下一個(gè)刮板的頂部后,多余液料又在刮板前緣堆積,圈形波再次形成。在這一過程中,斷板起到打破液料的團(tuán)積、促進(jìn)圈形波與液膜間物質(zhì)交換的作用[22]。此外,也可通過增加刮板列數(shù)的方法,增強(qiáng)攪拌混合的湍動(dòng)能,減小圈形波尺寸[12],從而避免大尺寸圈形波的快速流出。

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬研究高黏假塑性流體在直列刮板式薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的流動(dòng)特性,得出的主要結(jié)論如下:

(1)液料在薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的流動(dòng)可分為圈形波流動(dòng)和液膜流動(dòng)兩部分。圈形波在三維空間中呈螺旋狀的流動(dòng)結(jié)構(gòu),軸向流速較快;液膜在空間中呈沿壁面螺旋式向下的流動(dòng)結(jié)構(gòu),軸向流速較慢。圈形波與液膜的交界處為層流且夾帶大量氣體,這抑制了液膜與圈形波間的物質(zhì)交換;圈形波向下傳遞時(shí),當(dāng)量直徑不斷減小,這主要是由于圈形波外圍液料的剪切稀化促進(jìn)了物質(zhì)交換,使得圈形波外圍的液料逐漸融入液膜,最終導(dǎo)致圈形波當(dāng)量直徑的減小。

(2)直列刮板在處理低黏液料時(shí)是相對高效的,此時(shí)刮板前緣圈形波的尺寸較小,圈形波與液膜能夠很好地進(jìn)行物質(zhì)交換,在向下傳遞時(shí)能夠逐漸融入液膜,液料軸向輸運(yùn)的主力逐漸由圈形波轉(zhuǎn)變?yōu)橐耗ぁ５且毫橡ざ鹊脑龃笾率挂毫系牧鲃?dòng)性降低,易團(tuán)積在刮板前面,同時(shí)使得圈形波與液膜交界處的氣體夾帶量增多,圈形波與液膜的物質(zhì)交換受到抑制,導(dǎo)致圈形波尺寸增大以及軸向減小速度變慢,此時(shí),圈形波是液料軸向輸運(yùn)的主力,液膜則通過與圈形波的物質(zhì)交換實(shí)現(xiàn)更新。傳統(tǒng)直列刮板在處理高黏液料時(shí),效率不高,可從促進(jìn)圈形波與液膜間的混合、加速圈形波中液料的剪切稀化以及減小圈形波尺寸等角度著手,設(shè)計(jì)更高效的刮板結(jié)構(gòu)。