降膜蒸发器中热传递的影响因素H.CHEN 和R.S.JEBSON新西兰.北帕.梅西大学.食品技术部门应用一台小型规模的单管式降膜蒸发器来获得关于这种类型蒸发器蒸发原理的一些认知。

设定在试点蒸发器上的操作条件是取自于商业牛奶蒸发器获得的研究成果。

这项研究成果是在使用像水和糖溶液等牛顿流体作为物料条件下而获得实现的。

总传热系数受液体蒸发和蒸汽冷凝温度之间的温差，蒸发温度，排出密度，液体粘度和加热管长度的影响，但是普朗特系数对其也有着非常重要的影响。

关键词：蒸发降膜传热系数雷诺数普朗特系数简介降膜蒸发器在类似于以在较低的蒸发温度和相对较短的停留时间条件下具有较高的传热系数为特征的食品工业行业中有着极为广泛的应用，这意味着它们能够处理热敏感材料。

在很大程度上它们能够满足当今现代食品工业的需求，例如尽可能大的容量，经济，运转可靠，单程控制等。

它们是乳品行业中的标准蒸发器。

据估算在新西兰有占总消耗能量的1%的能量用于蒸发过程的消耗。

在牛奶生产过程中，蒸发阶段需消耗50%的能源。

因此，人们乐于去了解降膜蒸发器的蒸发原理，以便使蒸发器在工业应用中达到最大的容量和最高的效益。

尽管降膜蒸发器在工业领域中有着极为广泛的应用，但是只有极少量的文献论文是关于降膜蒸发器的，尤其是牛奶蒸发器。

因此，我们建立了一台小型规模的单管降膜蒸发器用来学习其内部的热传递。

从商业牛奶蒸发器和文献获得的结果可以看出，很显然降膜蒸发器中热传递的影响参数可以归结如下：1.蒸发发生的温差2.蒸发温度和蒸汽冷凝温度之间的温差3.液体进料的流速4.液体进料的温度5.蒸发器内部液体的浓度6.加热管的长度7.加热管的直径8.加热管的特征：金属材料的种类，壁厚和适合于加热管的处理方式上述可变物，温度区别，蒸发温度，进料流速和加热管长度被选择作为研究对象。

其实验条件是基于牛奶工厂的实验结果来选择确定的。

虽然牛奶作为蒸发器的进料被广泛应用，但是在本次实验中却不能使用牛奶，其原因如下：1．牛奶的物理特性天天在变化2．一旦牛奶稍有浓缩，它会随着时间而增厚，即其粘度会随着时间增加而增长，并且增长速度在较高的温度和浓度条件下增长更快。

3．加热表面会被牛奶污染因此，自来水和糖溶液常被用来作为进料而不是牛奶。

尽管在商业蒸发器研究中一些相互作用在不同变量之间被发现，但是对于这项研究来说它主要取决于是否能够集中主效应。

实验设备一台如图1简图所示的小型规模的不锈钢单管降膜蒸发器，其加热管外径32mm，壁厚1.6mm，长2m，被放置在内直径为73mm长2m的蒸汽夹套管中。

它是从外直径为20mm长为0.75m的管道进料（进给管），该管是同轴的插入在加热管中的。

这种进给管的高度可以调控，以便来变化加热管的换热面积。

从该管出来的进料直接喷洒在蒸发管的壁上。

这能够使在管下的液体比发生在商业蒸发器中的流通体制更迅速的建立流型。

将要被蒸发的液体通过一台可变速的泵输送到可将液体加热到蒸发温度的Spiraflo型换热器中，然后进入进给管。

这一小段必须被使用的蒸发管十分重要。

没有蒸发的液体和液体直接通过蒸气室底部形成的蒸汽被输送出去。

蒸汽然后通过了一台有角度的槽孔分离器，接着进入一台用于抽送浓缩物的螺旋离心水泵中。

蒸汽压力通过一个自动调整阀门控制。

蒸汽冷凝水在加热管外侧向下流动，并且依靠喷射器从蒸汽套管底部移动。

喷射器提供了真空，在不可压缩管道内可以通过通气旋塞手动调整。

进料流速可以通过转子流量计测量，并且连接到记录器上，如图1所示。

热电偶探头有九个不同的监测点，真空表和蒸汽压力表分别被用来测量水蒸气和蒸汽管道压力，其也在图1显示。

图1：单管式降膜蒸发器原理图（1）进料灌（2）输液泵（3）转子流量计（4）预热计（5）蒸汽-水混合器（6）调压器（7）蒸汽调节器（8）温度计（9）进料管（10）除沫器（11）蒸汽夹套（12）蒸汽控制器（13）浓缩泵（14）浓缩液收集器（15）冷凝器（16）冷凝泵（17）冷凝液收集器（18）真空装置。

热电偶探头位置步骤为了了解各不同变量对传热系数的影响，在每个试验中，仅使一个参数变化，而其他参数保持不变。

下面给一个典型的实验步骤：1.将蒸汽温度，蒸发的温度，进料流速，进料温度和加热管长度设定在期望值。

2.几分钟过后，当状态达到稳定时，用盘状计时器测出蒸汽冷凝物的流速。

3.在运行期间，记录下所有的温度。

总传热系数用方程式1计算：U=（1）降膜的雷诺数被定义如下：R=（2）e平均雷诺数（在加热管顶部和底部的雷诺数的平均值）被用来数据分析。

表1：实验变量范围统计分析实验结果用QUATTRPRO5.0电子制表程序多重回归分析方法来统计分析。

在从属变量显示为曲线的部位，二级关系作为附加量被测出。

在适当的部位，相互关系也被包括。

，最后的方程式在前加后减后被确定下来。

结果和讨论薄膜系数冷凝方面原理以逐滴冷凝类型被观察，这种类型的传热系数是薄膜冷凝的6-18倍。

在本次试验条件下，蒸发薄膜被估算在2-4KWm-2k-1。

因此，测定的总传热系数将和蒸发作用方面薄膜系数相近。

在这些情况下，逐滴冷凝式与众不同的，但是蒸发器是专门为这一目的制造的。

蒸发器的外侧一直有油膜的存在，这可以促进逐滴冷凝的进行。

温差的影响通过观察，总传热系数随着温差的减小而又确切的增加. 图2展示的就是水和10%的糖溶液的总传热系数相对与温差的典型曲线。

在商业蒸发器试验中发现了同样的趋势。

Angeletti and Moresi认为对于降膜蒸发器来说有两种蒸发机制，一个是在液体蒸汽接口直接蒸发，另一个是在加热管壁形成水泡。

Chun 和 Seban发现，在大气压下，需加热超过37.8℃才能在水中形成气泡。

Angeletti 和 Moresi指出，当总温差低于10℃时，液体蒸汽界面蒸发机制恰好流行。

图2显示了在3-8℃范围内，总传热系数迅速减少，然后逐渐缓慢。

由此得出的结果表明，气泡的形成也许主要在5℃左右。

气泡的形成在很大程度上增加了薄膜的厚度，因为它减小了液体蒸汽接口的传热速率。

液体蒸汽界面接口的影响将会迅速减小直到气泡形成主效应。

在这种状况下，随着温差的增加，传热系数将会慢慢减小。

气泡的形成主要取决于表面的状态和可以作为原子核的其它微粒的存在。

在现行使用的蒸发器中，这台蒸发器的加热管为标准型号。

因此，这台蒸发器也许可以适应于以水和其它纯净液体为进料的商业蒸发器中。

然而，牛奶在其表面层包含0.5到2um的脂肪球，并且可以达到10um，这些可以作为形成气泡的原子核。

Bouman等发现在温差为0.5℃d牛奶中和温差为5℃的水中，有核煮沸将会发生。

后面的图与我们的结果是一致的。

图2：对于水和10%的糖溶液，温差对其总传热系数的影响。

蒸发温度：90℃，进料流速：0.0167kg s-1加热管长：2m蒸发温度的影响图3显示的是被测的蒸发温度对总传热系数的影响的典型例子。

图3：水和10糖溶液对应的蒸发温度对其总传热系数的影响曲线温差：8K 进料流速：0.0167kg s-1加热管长2m这些直线是由方程式3画出的回归线，展示的这些点的误差线是由回归分析估算出来的，对于水和糖溶液来说基本趋势是一致的，其传热系数随着温度的增加而增加。

但是糖溶液的增长速率比水快，其原因也许是因为糖溶液具有更高的粘度。

随着温度的增加，雷诺数也增加，其结果导致粘度的减小。

对于糖溶液来说，其粘度减小的程度稍大于水。

两者的粘度已经依据Perry的数据用Campanella公式计算出来了，并且相对总传热系数做了描述，其结果如图4所示。

两液体线的不同倾斜程度表明，虽然粘度对传热系数有着很大影响，但是也还存在着其它因素。

普朗特数的变化不仅仅是由于粘度的影响。

普朗特数通过使用来自Honig的糖溶液的热导率和热容量的数据计算出的。

通过使用QUATTRO5.0程序，总传热系数随着粘度和普朗特数的回归得到一个关系：U = 4.075* * *- 5.466* * * l 2 - 1.796*Pr + 1.613*Pr2(R2 = 99.31%, df = 6) （3）如果用雷诺数代替粘度关系式变为：U = - 3.661 - 0.130Pr + 6.033 X10-3Re - 1.364X10-6Re2(R2 =99.24%, df = 6) （4）使用在方程式3和4的数据的标准残留误差计算出来，其中任何一个误差绝不会超过1.4。

在这些方程式中，粘度和普朗特数作为次阶关系出现，它表明随着年度的增加，普朗特数将会减小，它们的影响较小。

在低粘度条件下，薄膜状态将不稳定，并且粘度的改变不会对其不会有太大影响。

而在较高的粘度条件下，流动状态将会呈现波浪层流或波浪形，并且粘度对其有着重大影响。

在温度范围的研究中，普朗特数伴随温度增加而减小，结果导致了粘度的减小和导电性的增加。

尽管方程式2中，在温度范围内，总传热系数随着普朗特数增加而增加，但是和预期的一样，在较高温度下，较低的普朗特数将会使总传热系数增加。

图4：水和10糖溶液对应的雷诺数和普朗特数对于总传热系数的影响曲线温差：8K 进料流速：0.0167kg s-1加热管长2m 如果在较高的液体粘度下，蒸汽动量对传热系数有更大的影响，然后粘度随着温度改变较大，糖溶液对传热系数具有更大的影响。

随着传热系数的增加，蒸发将会增加，从而导致蒸发动量的增加，进一步增加传热系数。

因此，如图3所示，糖溶液的传热系数-蒸发温度线的倾斜率更大。

可是，在本次试验中，蒸汽动量的影响是很小的。

加热管长度的影响图5显示了总传热系数随着加热管长度的增加而减小。

这也许是因为入口作用。

进料在进料管上通过一条狭窄通道，并且在较高速度下喷洒在加热管上。

入口的薄膜流动体制将会紊乱，过了一段距离，液体薄膜将会得到较低的但是很稳定的雷诺数。

在入口长度上的传热系数必须较高。

因此，在短管中，入口长度的影响相较于长管更大。

不同的商业蒸发器中，在加热管上部的液体分布机制是不同的。

应用在商业蒸发器中的分布板的目的是为了液体滴在加热管之间的平板上，然后液体在加热管内部流动。

因此，这里报道的结果表明，应用在商业蒸发器中的分布体制可以通过引进不同的分布者来改进。

图5：水和糖溶液对应的加热管长队对于总传热系数的影响曲线蒸发温度：70℃，温差：8K 进料流速：0.0167kg s-1在商业尝试中，蒸发动量对传热系数有着积极的作用，但是对于中型的蒸发器，它的作用时很小的（和商业蒸发器中4kgmm-1s-1的动量相比，其最大值为0.1 kgmm-1s-1。

因此，没有证据表明在这样的蒸发器中，动力对传热系数有贡献。

雷诺数的影响图6展示了由于雷诺数的增加，传热系数随之增加的趋势。

在这个实验中，雷诺数通过两个变量来改变：排放密度和粘度。

利用图7的数据通过使用QUATTRO5.0程序得到下列方程：U =2.583 + 0.00153* * *Re - 3.43* * *X 10-7Re2- 2.444* * *P r(R2 = 95.92%, df = 4) (5)这个方程显示，在较低值时，雷诺数非常重要。