试验十三单管升膜蒸发器的操作

实验十二单管升膜蒸发器的操作一、实验目的1、了解单管升膜蒸发器的操作、结构和特点。2、了解并观察单管升膜蒸发器中出现的，四种两相流流型。3、学会单管升膜蒸发器的对流传热系数的测定和确定蒸汽干度。二、实验内容1、在一定热负荷下，通过调节冷水流量等来直接观察气液两相流的四种流型和形成升膜后的流动特点。2、通过测量壁温和主流温度，确定搅拌流型和环状流型下的对流传热系数a；以及通过测量蒸发量确定蒸汽干度X（无因次）。三、实验原理及观测1、 升膜蒸发器:升膜蒸发器的基本组成部分是一根外表面受热的直立圆管。料液在管内从下往上流动。由于料液不断被加热汽化，形成气液两相流。在流动汽化过程中，流体动力学与传热过程是密切联系的。当对两相流动的流体进行加热时，会引起两相数量分布的变化，形成不同的流型。流型为环状流时，其特征是含有液滴的连续气相沿管中心运动，液相则以波浪液膜形式沿壁面向上爬行，故此种蒸发器名为升膜蒸发器。2、 直立受热通道中气液两相流动的观察和描述。液体在直立受热通道中流动时/其流型（或流动结构）可分为两大类，即重力控制流型和剪力控制流型。图1，描述了均匀受热直立管内流动沸腾可能出现的流型及其相应的传热区域。流体的对流传热区（A区）过冷液体进入管底向上流动，在逐渐被加热到饱和温度前，壁温仍低于泡化所需温度，传热过程为单相对流传热。过冷沸腾区（B区）流型为泡状流。过冷沸腾的特征是加热面温度高于饱和温度，泡化核心处产生气泡。过冷沸腾时、液相主体的温度低于饱和温度。气泡将在加热面以外的过冷液体中冷凝。上述过程有时伴有加热面的噪声振动。饱和泡核沸腾区（C区与D区）流型是典型的泡状流。弹状流或以低蒸汽速度流动的环状流。在此区内液体主体温度已达到饱和温度。两相强制对流区（E区和F区）蒸汽干度的定义如下，WgWvy= =一Wg+WlW式中，Wg、Wl分别为蒸汽和液体的质量流量，Wv是管项流出蒸汽流量，W是进入釜的冷水流量，单位为kg/so随蒸汽干度的增加，传热方式将发生转变，流型转变为环状流。这种流型有一个蒸汽核心和一个液体环。蒸汽核心流速很高，汽液界面湍动强烈，沸腾过程为蒸发过程所代替。由于蒸汽对、界面产生剪切力，使受热表面上液膜的热阻变小，壁温下降，因而泡化作用大大削弱，甚至消失。对流传热系数受流动状况的影响较大，具有非沸腾传热的特征。此区域称为两相强制对流区（或称通过液膜的强制对流蒸发区）。在稳定的饱和泡核、沸腾区和两相强制对流区之间有一个转变区。在该区中，强制对流过程和泡态、沸腾过程都不容忽视。前者将随于度的增加而逐渐增加。很多文献中，将弹状流向环状流的过渡区称为搅拌流区。此区正是上面所指的转变区。缺液区（G区）此区中，对应的流型为雾状流（滴状流），在此区中，璧面上液膜已”蒸干”，仅在汽核中存有液滴，这些液滴有时会碰撞到壁面上。与两相强制对流区相比，此区的对流传热系数下降，壁温上升，汽核处于过热状态。蒸汽的对流传热区（H区）此区的流型为单相蒸汽流。升膜蒸发的最佳操作流型为环状流型。图1是在沿管长均匀加热的条件下得到的。壁温与流体温度的差值可反映对流传热系数的变化。习惯上将壁温超过流体温度的程度称为过热度△tt=t-tf（t为管内壁温,tf为管内流体的主体温度。）tf f在单相对流区，温度对液体物性的影响不大，故对流传热系数变化较小。在过冷泡核沸腾区，对流传热系数沿管长增加。在饱和泡核沸腾区，温差△tf不变，表示对流传热系数不变。实验证明，在饱和泡核沸腾区中，传热f过程与蒸汽干度y质量速度均无关。在两相对流区、壁温自下而上缓慢下降，原因是沿管长蒸汽干度增加，蒸汽对液膜表面剪切力的作用，使液膜厚度减小，紊流度提高，本区的对流传热系数将随y值提高而增大。例如，水两相强制对流区的对流传热系数可高达200kw/(m2・€)。在蒸干点上，因为两相强制对流区的对流传热系数的数值很高，突然降至液膜完全蒸发后的较低数值，故壁温突然增高，在缺液区开始处，随着于度的增加，蒸汽速度和对流传热系数的也相应加大。最后，在单相蒸汽区，对流传热系数数值达到与单相蒸汽对流传热相对应的低水平值。3、流动沸腾对流传热系数的测定目前，单相流对流传热系数的测定精度仍然未能很好解决，而两相流对流传热系数的测定较单相更加困难，主要原因是沸腾或冷凝对流传热系数很高，过热度Atf很小，这就必须提高测量壁温的精度。wf本实验装置通过1.4米长的管子，在一定的热负荷下，调节冷水入口流量可直接观察到垂直管内的泡状流、弹状流、搅拌流和环状流四种两相流流型。并通过测量壁温和主流温度，确定搅拌和环状流型下的对流传热系数a(w/m2・°C).对流传热系数的测定以下式为基础:QS*At1wfQ

s(t-1QS*At1wf1wf其中，Q一传热量(W)。Atwf一过热度(C)(tw一内壁温度,tf-主流温度)S]—传热面积(m2),S]=兀dL(dL:测量段管内径及管长)。测定对流传热系数a需要进行传热量Q及温度差Atwf的测定。通过电加热消耗的功率(即通过电流I与电压V计算)可得到Q;管内流体的主流温度tf可用温度计直接测出，剩下的就是测量管壁温度，若测得壁温，即可求得温度差Atf。wf四、实验装置1、实验装置的结构及工艺流程

、气液分离器7、放、气液分离器7、放1、预热釜2、加热下气夹8、冷却器9冷凝器10、冷却水入口11、釜温测量管12、转子流量计13、回流阀14、水泵15、水槽16、排水阀本实验装置的主体是蒸发器。其预热釜和蒸发管的管外均镀以电加热膜\（玻璃材质），即能加热又具全透明特点，实验全过程可以清晰地见到热态下气液两相流的四种流型和形成升膜后的流动特点的全貌。

测量段变压器A,A‘,a分别为加热釜电压表、电流表、调压旋钮B,B‘,b分别为加热下段电压表、电流表、调压旋钮C,C‘,c分别为加热中段电压表、电流表、调压旋钮E,E‘ 分别为测量段电压表、电流表D,D‘,d分别为加热上段电压表、电流表、调压旋钮2、实验装置的主要技术参数a、单管升膜发生器名称直 径(mm)高 度(mm)材质调压方式额定电流和功率加热釜巾60X2350玻璃20A加热管上、中、下ei7xi350石英玻璃固态调压器10A测量段ei7xi350石英玻璃自偶变压器800W气夜分离器e50100玻璃冷凝器冷凝器e17x1e17x110901270紫铜

保温管巾60X2 350有机玻璃b、热电势与温度关系式：t=2.73+21.84XE(°C)； E:[mv](a)泡状流(b)弹状流(c)搅拌流(d)环状流

图4垂直管内两相流流型示意图c、 四种流型见图4：d、 操作参数见下表流量L/h流型电功率(W)或电流、(A)釜温(mv)主流温度(mv)内壁温度(mv)保温管温度(mv)釜(A)下段(A)上"中段—量W)测段—第40—45泡状10--14.50034.454.451.4阶段35—4530左右泡状弹状66.03054.54.51.5第30左搅拌8.09.59.53001.54.454.451.4 二右———--——4.—4.—阶段14—2040左右环状搅拌7.09.01.5500355551.9五、实验方法及步骤（一）实验前准备，检查工作:1、水槽底阀关闭，槽内充满蒸馏水。泵出口回流阀10全开状态。2、所有电器开关均为关闭状态。3、按下热电偶转换开关"6"，将毫伏计短接，冰水桶放满冰水。（二）实验操作:1、合闸:毫伏计读数为零或士1字，如果毫伏计的读数不为零，一般待预热一段时间（20分钟左有）即可。2、 打开冷却水。启动泵，开启流量计调节阀，维持流量在40L/h左右，待蒸发管内充满水后，依次进行二个阶段的操作。3、 由于弹状流是一种极不稳定的流型，所以先进行第一阶段流型观察实验。为能见到泡状流和弹状流的流型，此时测量段的功率必须极小，故该阶段中三种流型下壁温和主体温度基本相同。4、 保持水流量不变（40L/h）,依次缓慢开启固态调压器旋钮和自偶变压器，逐渐加大各段电压、电流接近指定值，一旦观察到弹状流流型后，维持流量和电功率均不变，让弹状流流型反复呈现一段时间后，保持该功率下，适当加大和减少流量，分别观察泡状和搅拌流流型。5、 在进入第二阶段流型观测实验时，先保持水流量不变（30L/h）左右，依次缓慢调整或加大各段电压，电流到指定值（见参考值）。搅拌流和环状流阶段。在测取相对应的热电势值时，并瓜伶凝器下端出口测取蒸汽冷凝液的流量。六、 实验注意事项1、 蒸发管、釜外壁均导电，操作时严禁接触，管外均加有机玻璃管进行保护。2、 外电源输入到装置上时，必须火线接装置的绿色线、零线接黄色线。2、操作结束，必须按下热电偶转换开关"6"钮，毫伏计短接。4、 实验开始先启动泵并调流量后通电加热，实验结束时，开大流量（50L/h）运转数分钟后，切断加热电路开关、流量计阀，再停泵。泵回流阀13在全部实验过程中不许关闭。5、 固态调压器所显示的电压，电流值不是实际有效功率，不能作计算依据。6、 整个实验过程要始终不停地观察流型和壁温度化、严防干壁，干壁一旦出现壁温读数会急剧增加，此时应立即减少甚至完全切断加热电路