热泵蒸发系统中板式升膜蒸发器的性能研究

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 8.11MB 58 页 15积分

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热泵蒸发系统中板式升膜蒸发器

的性能研究

摘要

在热泵蒸发系统中，升膜蒸发因其较高的传热性能得到了广泛的应用。系统

中蒸发器换热性能的好坏直接影响到热泵蒸发系统的效率。而板式换热器以其传

热系数高、价格低、污垢系数低、清洗方便等优良性能逐渐受到化工、食品行业的青

睐，随着其广泛应用，深入地研究影响板式换热器在升膜蒸发时的换热性能得越

来越重要。

本文首先对升膜蒸发的传热机理作了理论分析，随后通过搭建小型的板式升

膜蒸发实验台，对板式换热器的升膜蒸发过程进行了实验研究。实验以蒸馏水作

为工质，采用一块长宽分别为 0.75m 和0.28m 的光滑铜板作为加热板片，在其一

面贴上加热膜片，另一面与钢化玻璃构成窄缝通道，实验通过测量和记录水的流

量、入口温度、板壁面温度、蒸发器出口温度和压力等数据，可以计算出水在通道

里沸腾时总换热系数，整理分析后得出了影响板式换热器升膜蒸发的因素和变化

趋势。

实验得出的结论如下：

1) 在相同的流量和加热热流密度下，随着被蒸发溶液入口温度的升高，蒸发器

的总换热系数都出现先增加后降低的趋势，因此控制好料液的入口温度，才

能使其达到总换热系数最大。

2) 在相同的入口温度和加热热流密度下，随着入口溶液流量的增加，蒸发器的

总换热系数是逐渐降低的。因此过大的流量将抑制蒸发过程，对于设计完成的

蒸发器而言，在同样的条件下维持尽量低的流量，以保证蒸发器实现完好的

蒸发过程。

3) 在一定的溶液入口温度和流量下，加热热流密度越大，蒸发器的总换热系数

是逐渐升高的。但过高的热流密度会导致出现蒸干的现象，从而可能损坏换热

设备。

关键词：板式换热器升膜蒸发热流密度换热系数

ABSTRACT

The climbing film evaporation has been widely applied in the heat pump

evaporation system because of its high heat transfer performance. The heat performance

of the evaporator in the system has a direct influence to the efficiency of the heat pump

evaporation system. With the high heat transfer coefficient , low price , low coefficient

of dirt , easy to clean , and excellent performance, The plate heat exchanger has been

gradually favored by the chemical industry and food industry. With its wide range of

applications, it is important for us to in-depth study the factors of affecting the heat

transfer performance of plate climbing film evaporator.

Firstly, the theoretical analysis on heat transfer mechanism of climbing film

evaporation is carried out. Then, a climbing film evaporation test is built for the studing

of the evaporation process of plate climbing film evaporator. A smooth copper with the

length and width of 0.75m and 0.28m are used as the heat transfer plate in this study,

and distilled water is used as a medium and a heating plate is pasted on the one side, and

a narrow channel is formed between the other side and tempered glass to study the

change of the total heat transfer coefficient when the water is boiling in the channel. The

factors and changing tendency influencing climbing film evaporation are analyzed after

the total heat transfer coefficient of the distilled water is calculated by measuring and

recording the parameters of the hot water fiow rate and inlet temperature, board wall

temperature, and the outlet temperature and pressure of the evaporator and so on.

The experiment results are as follows:

1) The total evaporator heat transfer coefficient firstly increased and then decreased

with the rising inlet temperature under the same flow rate and heat flux. So we

should control the inlet temperature of the liquid in order to get the largest total heat

transfer coefficient.

2) The total evaporator heat transfer coefficient is reduced gradually with the rising

inlet water flow rate under the same inlet temperature and heat flux. Therefore

excessive flow would inhibit evaporation process, and we should maintain the

lowest possible flow under the same conditions to ensure a well evaporation for a

designed evaporator.

3) The total evaporator heat transfer coefficient is increased gradually with the rising

heat flux under the same inlet temperature and flow rate. But the excessive heat

flux The high heat flux will result in evaporated phenomenon, which could damage

the heat exchanger equipment.

Key Words：Plate heat exchanger, Climbing film evaporator, Heat

flux, Heat transfer coefficient

目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.....................................................................................................................1
§1.1 课题的背景及意义...........................................................................................1
§1.2 热泵蒸发技术...................................................................................................2
§1.2.1 机械压缩式热泵蒸发技术....................................................................2
§1.2.2 吸收式热泵............................................................................................3
§1.3 蒸发系统中的常用蒸发器...............................................................................4
§1.3.1 常用蒸发器型式及特性........................................................................4
§1.4  升膜蒸发的研究和应用现状........................................................................11
§1.5  本课题拟完成的主要任务............................................................................14
第二章 理论基础............................................................................................................15
§2.1  流体在板式换热器中的传热过程................................................................15
§2.1.1 板式蒸发器板内的沸腾原理..............................................................15
§2.1.2 板式升膜蒸发的原理..........................................................................19
§2.2  板式换热器换热计算过程............................................................................20
§2.2.1 升膜蒸发的几个经验公式..................................................................20
第三章 板式升膜蒸发的实验台....................................................................................25
§3.1  实验台介绍....................................................................................................25
§3.2  实验台设计....................................................................................................26
§3.2.1 板式蒸发器的设计选择......................................................................26
§3.2.2 冷凝器选择计算..................................................................................27
§3.3  其他实验设备及测量、数据采集系统........................................................28

§3.3.1 其他实验设备......................................................................................28
§3.3.2 测量系统..............................................................................................35
§3.3.3 数据采集系统......................................................................................36
第四章 板式升膜蒸发的实验流程及结果分析............................................................40
§4.1  板式升膜蒸发的实验流程及内容................................................................40
§4.1.1 实验装置及流程..................................................................................40
§4.1.2 实验启动前的准备工作......................................................................40
§4.1.3 实验内容及步骤..................................................................................41
§4.2 本实验的数据处理方法.................................................................................42
§4.3  实验结果及分析............................................................................................43
§4.3.1 不同热流密度，入口温度和流量对局部换热系数的影响..............43
§4.3.2 料液入口温度对总换热系数的影响..................................................48
§4.3.3 入口流量对总换热系数的影响..........................................................50
§4.3.4 加热热流密度对总换热系数的影响..................................................52
第五章 结论及展望........................................................................................................55
符号表.............................................................................................................................56
参考文献.........................................................................................................................58

第一章绪论

§1.1 课题的背景及意义

《世界能源展望》

[1]报告中显示，世界能源体系正面临着抉择。保障可靠、廉价

的能源供应，实现向低碳、高效、环保的能源供应体系的迅速转变，是当前面临的

能源挑战。能否成功解决这个问题，将决定人类社会未来能否实现繁荣。能源是经

济发展的原动力，是现代文明的物质基础，安全、可靠的能源供应和高效、清洁的

利用能源是实现社会经济持续和谐发展的基本保证。自从我国改革开放以来，我

国经济发生了巨大的变化，经济连年持续、快速的增长，其中对大量能源的需求

尤其是对一次能源需求量的不断增长，其中产生了很多的问题，地下煤炭开采的

安全性、使用率以及深加工的研发、石油过度依赖国外进口所导致的安全问题、煤

层气等一系列气体产业化建设问题等，都对中国经济平稳快速发展产生了一定的

制约。因此，节能显得尤为重要。

工业系统，尤其是化工类，是能耗集中、余热量大的领域。而在工业余热中，

又以200℃以下的低品位热占很大比例。我国北方某炼油厂，占总余热量近一半的

热物料流余热量是，而其中的 94％都是 200℃以下的低品位热。因

此，回收利用低品位热是节能得重要环节之一。对于低品位工业余热的回收利用

技术，近年来在国外发展很块，高效节能的热泵技术就是其中最突出的代表。

热泵蒸发装置是热泵蒸发就是一种节约加热蒸汽的措施，它是将热泵与蒸发

器联合使用的一种节能装置。它把蒸发料液时所产生的二次蒸汽经过压缩机压缩

提高了二次蒸汽的压力和温度，从而提高了它的焓值。然后被压缩的二次蒸汽进

入到蒸发器的加热室中，作为新的加热蒸汽去加热蒸发料液。加热蒸汽被冷凝后

凝结成水，被加热料液吸收热量变成蒸汽。这种以较少的高级能量（电能、机械能

等）通过此装置把较多的低温热能转化为高效的高温热能加以利用，因此节省了

大量的热量。目前国外热泵已成功地渗透于工业领域，如木材、谷物、茶叶的烘干

纸张的干燥，石油产品的精馏。尤其是石化工业类企业中料液的浓缩、提纯、净化

等蒸发单元，特别是蒸汽再压缩型开路循环式热泵蒸发技术，被称作是划时代的

高效节能技术[2]。蒸发、蒸馏、蒸发结晶、蒸发干燥装置都是高能耗的。因此这些装

置的操作成本主要取决于能耗。因此比能耗（单位能耗）的降低和优化是首要的

[3]。

§1.2 热泵蒸发技术

热泵蒸发技术的方法很多，主要有机械压缩式热泵蒸发技术与吸收式热泵蒸

发技术两种。

§1.2.1 机械压缩式热泵蒸发技术

机械压缩式热泵是利用高质能（电能、机械能）产生的装置。其循环系统工作

示意图如图1-1 所示。

热泵蒸发系统中板式升膜蒸发器的性能研究

1—蒸发器 2—压缩机 3—冷凝器 4—节流阀 5—贮液槽

图 1-1 压缩式热泵循环

机械压缩式热泵蒸发循环系统由蒸发器、冷凝器、压缩机（或泵）和节流阀组

成。循环工质（热泵蒸发过程是被处理料液和水蒸汽）在蒸发器中蒸发成汽, 并从

低温处吸取热量 Q2，蒸汽经压缩机提高其压力和温度后，在冷凝器中将其从蒸发

器中吸取的热里和经压缩机耗功所得到的那部分热量向高温处排出（Q1），冷凝

液经节流阀膨胀后再进入蒸发器，进入下一个循环。其热平衡示意如图1-2 所示。

图 1-2 压缩式热泵热平衡

目前，用于工业过程蒸发、蒸馏的压缩式热泵装置多为开路循环式，即低压

蒸汽吸入蒸汽压缩机后，靠机械运动而被绝热压缩，外功变成内能，低压蒸汽温

度、压力同时提高而变成为可以利用的较高压力的工作蒸汽。图1-3 就是一种开路

循环的热泵蒸发器。料液产生的二次蒸汽经压缩后，提高了压力、温度和焓值，作

为加热蒸汽去加热料液。加热蒸汽释放出潜热后凝结成水，而被加热料液则吸收

潜热产出二次蒸汽。

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摘要：

热泵蒸发系统中板式升膜蒸发器的性能研究摘要在热泵蒸发系统中，升膜蒸发因其较高的传热性能得到了广泛的应用。系统中蒸发器换热性能的好坏直接影响到热泵蒸发系统的效率。而板式换热器以其传热系数高、价格低、污垢系数低、清洗方便等优良性能逐渐受到化工、食品行业的青睐，随着其广泛应用，深入地研究影响板式换热器在升膜蒸发时的换热性能得越来越重要。本文首先对升膜蒸发的传热机理作了理论分析，随后通过搭建小型的板式升膜蒸发实验台，对板式换热器的升膜蒸发过程进行了实验研究。实验以蒸馏水作为工质，采用一块长宽分别为0.75m和0.28m的光滑铜板作为加热板片，在其一面贴上加热膜片，另一面与钢化玻璃构成窄缝通道，实验通过...

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