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    双降膜螺旋板短程多效蒸发器组合探析.pdf

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    双降膜螺旋板短程多效蒸发器组合探析.pdf

    38 CHENⅡCAL ENGINEERING DESIGN 双降膜螺旋板短程多效蒸发器组合探析 桂月明 徐其鹏董兴海朱家骅徐博雅夏素兰 四川大学化工学院成都610065 摘要 为有效利用低位热能再生淡水,提出双降膜螺旋板短程多效蒸发组合技术,克服静液柱压差和二 次蒸汽流动压降。507O℃热源温度下的实验表明,在36C的小传热温差范围,系统能稳定工作。3C传热温 差下,产水能力约11ks/hm ,实测总传热系数达2500W/m2K,具有工业应用前景。 关键词 双降膜螺旋板低温多效蒸发有效传热温差 高效的资源与能源利用技术是可持续发展战 略的重中之重。尤其低位热能太阳能、地热、 工业废热和市政污水废热等回收利用具有巨大 的潜力,要缓解世界水资源短缺、减少废水排 放,低温热源海水淡化或废水再生是一个 重要的解决途径。5070C的低温热源从自然环境 或工厂回收廉价可得,关键问题是利用其产生淡 水的效率必须经济可行。多效蒸发冷凝技术能源 利用效率高,产水比产生淡水量与消耗热能折 合蒸汽量之比与效数n成正比,其经济性受总 有效传热温差△T的限制,因为各效完成一定的产 水任务mi假设△T平均分配于各效所需换热 器面积A;正比于n、反比于△T,即 Ai- U/WL/n uar 1 一 式中,r为水的汽化潜热,u为换热器的传热系 数,A;是投资与操作费用的控制性因素。从式 1可知,保证产水比前提下减少Ai的唯一途径 是提高总有效传热温差AT。AT与热源温度T、冷 源温度t和各效的温差损失8i具有关系 ATTf-Y2 2 低温热源温度本身就不高,冷源温度由环境 决定,因此,提高总有效传热温差的唯一可选途 径是减小各效的温差损失。引起多效蒸发温差损 失的原因 J 1溶液蒸汽压下降。 2传热面至蒸发面静液柱压差。 3二次蒸汽流动压降。 溶液蒸汽压下降由物性决定,不能改变,静 液柱压差及二次蒸汽流动压降则可通过过程创新 予以改善,例如国内的水平降膜多效蒸发技术 和国外的多效板式海水脱盐技术_4 J。本文提出的 双降膜螺旋板短程多效蒸发器组合技术L5j,其特 点是利用螺旋板双通道的对称性构成每一效的传 热壁面两侧降膜蒸发与降膜冷凝同时发生,而上 一效温度较高的蒸发空间与下一效温度较 低的冷凝空间直接贯通,由此构成竖直方向上 多效蒸发器组合结构,完全克服了静液柱压差和 二次蒸汽流动压降,实验证明其总有效传热温差 接近低温热源温度与环境温度之差Tt。 1 双降膜螺旋板短程多效蒸发器结构特点 双降膜螺旋板短程多效蒸发基本单元结构见 图1。 一一一一一一 i L L l I 一\ 图1 双降膜螺旋板短程多效蒸发基本单元 其螺旋通道的结构与普通螺旋板换热器基本 相同,也是采用双板绕制形成均匀的冷、热流体 桂月明四川大学化工过程机械专业在读硕士研究生。研究方向传递过程与设备。Emailguiyueming126.corfl。 桂月明等双降膜螺旋板短程多效蒸发器组合探析 39 间壁传热流道。所不同的是蒸发流道上端开放下 端封闭,允许流体沿开口的壁面流下形成降膜流 动,在壁面上受热蒸发,蒸汽逆流而上,降膜液 从下端“猪尾”管收集,通过加压泵和布膜喷头 在本效内循环;冷凝流道下端开放上端封闭,允 许二次蒸汽上升进入通道,在壁面上冷凝放热, 冷凝水形成沿壁面的降膜流动,落在其下部的收 集盘上,作为淡水产品引出。图1所示的基本单元 包含相邻两效,垂直组合后任一个单元既为其上 部单元提供二次蒸汽,同时又使其下部单元上升 而来的二次蒸汽冷凝,由此构成二次蒸汽自下而 上传递低位热能的短程多效蒸发器组合。其特点 一是传热壁两侧均为膜状冷凝或蒸发见图2, 克服了静液柱压差;特点二是相邻两效的蒸发空 间与冷凝空间通过辅助空问高度L。直接联通, 二次蒸汽从蒸发面直达冷凝面,克服了流动压降。 这样的结构特点,使每一个基本单元在3~6C的 温差下即可稳定工作,所以利用5O℃的低温热源 即使在夏季冷源温度32E也可以推动35效 低温多效蒸发冷凝造水。 降膜冷凝 导热壁 降膜蒸发 图2双降膜热阻示意图 2双降膜螺旋板传热系数及三效蒸发器组 合实验 2.1传热系数的理论计算 螺旋板两侧双降膜相变传热过程,见图2。串 联热阻为①膜状冷凝热阻,1/h ;②问壁热阻, b/k ;③膜状蒸发热阻,1/h 。式中,b和k 分 别为螺旋板金属材料的厚度与导热系数;h。和h 分别为蒸汽膜状冷凝传热系数和液体降膜蒸发传 热系数,涉及到液体流率、膜厚、粘度及表面张 力等一系列物性参数,根据换热器设计手册推荐 的公式 , ,可以编程计算获得 。总传热系数u 理论计算值按下式得到 告士 士 3 ‘ 2.2三效蒸发器组合实验 图3为双降膜螺旋板三效蒸发低温造水模拟实 验装置。 下标1、2、31、2、3效 E换热器;JL_原水进口 OL一浓缩液抽出13 FO一冷凝水出13 M一温度压力传感 第13效单元分别为S 、S和S,,E 、E 为前2效的双降膜螺旋板换热器,具体尺寸见表 1;E 为翅片管空冷器,直接用大气作为末效二次 蒸汽冷凝的冷源。第2效是主要的实验测试段。装 置工作过程第1效S.中的原水经闪蒸产生的二 次蒸汽进入E 螺旋板降膜冷凝侧冷凝放热,热量 通过间壁传给E。螺旋板降膜蒸发侧壁面上的第2 效原水降膜蒸发;E 产生的二次蒸汽通过s。与s 的联通空间进人E 螺旋板降膜冷凝侧冷凝放热, 热量又传给E 蒸发侧壁面上第3效原水降膜蒸发, 产生的二次蒸汽上升进入翅片管换热器E,被大气 冷却、在s,收集末效冷凝水。第2效s 内,原水 均匀喷洒在螺旋板E,顶端经溢流堰再次均化分布 形成螺旋板一t.z的降膜,吸收间壁传来的冷凝潜热 而蒸发;E 降膜冷凝侧产生的冷凝水m和降膜蒸 发侧产生的二次蒸汽在E 冷凝得到的冷凝水m, 分别计量收集,作为第2效实验测试再生水产率、 传热负荷以及评价实验系统热损失的依据。使用 温度压力传感器M 、M 、M,,分别测量1、2、3 效温度及压力。 , 一 .. \f b _ ■. ~ _ __ ..- 二 。.. 置 装 验 实 一 荨_ 40 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,233 实验使用蒸馏水以避免结垢对实验数据的影 响。第1效S 原水循环加热闪蒸,温度5070qC, 以其流量和进出口温差作为系统输入热源的计算 依据。各效降膜循环流量在10005000 kg/h范围 内变化,考察降膜流量对传热的影响。同一负荷 工况下,再生水产率m、m 随传热温差AT以 E两侧温差计变化的实测值结果,见图4。 图4单位面积产水率m一传热温差△T关系 图中稳定区示出了能稳定工作的传热温差范 围。根据m,和第2、3两效冷凝温度T 、T3确定 第2效实测的传热系数为 4 图5是实测值与理论计算值的对比,发现理论 计算值偏高,但其偏差幅度在20%以内,作为设 计参考其计算方法是可取的。分析偏差原因首先 是理论计算所依据的手册公式较多、与双降膜螺旋 图5总传热系数u一传热温差△T关系 板工况的一致性有待进一步推敲。更需要考察的 是降膜蒸发壁面充分润湿性,假设存在局部“干 壁”现象,那么i贝0试值会更低。 3 结语 1双降膜螺旋板短程多效蒸发器具有传热 壁两侧为降膜蒸发和降膜冷凝、相邻两效蒸发区 和冷凝区直接贯通的特点,这一结构有利于克服 静液柱压差和二次蒸汽流动压降。 2在5070℃的低温工况下,双降膜螺旋 板短程多效蒸发器能稳定工作于3~6℃的传热温 差下,低于此温度下则只能短时运行,稳定性受 到影响。 3在稳定工作的最小温差约3℃的情 况下,理论分析传热系数为3080W/m K,实 际产水能力约1lkg/hm ,实测总传热系数达 2500W/m K,双降膜螺旋板短程多效蒸发器 组合结构具有工业应用价值。 参考文献 l the United Nations Educationa1.Scientific and Cultural Organi zation.Managing water under uncertainty and riskThe United Nations World Water Development Report[R].Marseilles UNESCO,2012. 2朱家骅,叶世超,夏素兰等.化工原理[M].北京科学 出版社,2007383387. 3 Zheng Hongfei,He Kaiyan,Yang Yinjun,Chen Ziqian,Li hui. Study on a multi-effects regeneration and integral-type solar desalination unit with falling film evaporation and condensation processes[J].Solar Energy,2006l1891198. 4 V Renaudin,F Karl,D Alonso,A Andreoli.Perances of a threeeffect plate desalination process[J].Desalination, 2005I82165173. 5桂月明.热泳除尘废水双降膜螺旋板短程多效蒸发系统研 究[D].四川大学硕士学位论文,2013. 6尾花英朗,徐中权.热交换器设计手册上[M].北京 烃加工出版社,1987379. 7尾花英朗,徐中权.热交换器设计手册下[M].北京 烃加工出版社,1987380381. 收稿日期20130306

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