影响蒸发的因素
-讣闻
2023年2月15日发(作者：天沟)影响降膜蒸发器传热的因素
（同事）
(食品技术系梅西大学北帕默斯顿新西兰)
一台试验性规模的单管降膜蒸发器（2米长的加热管）是用于获得对这种类型蒸发器
蒸发机理的一些认识，从商业牛奶蒸发器上获得的结果被用来选择试验性蒸发器的操作条
件。这项研究用牛顿学说的液体进行：水和糖的方案。总的传热系数主要受液体蒸发和蒸
汽冷凝之间的温差，蒸发温度，灌溉密度，液体粘度，加热管长，但是普朗特数也是标志。
关键词：蒸发；降膜；传热系数；雷诺数；普朗特数
引言
降膜蒸发器在食品工业得到了广泛的应用正像他们的特点一样，由于具有在较低温度
下高的传热系数和停留时间比较短，意味着他们可以处理热敏感材料。在很大程度上满足
了现在食品工业的需求，比如大的生产量，经济运行，可靠性操作的可能性，以及尽可能
的单通处理。他们是乳品行业的标志性蒸发器。
据计算，在新西兰总能量的1%消耗在了蒸发过程。在奶粉的生产过程中，蒸发过程需
要50%的能量消耗，因此，人们希望了解降膜蒸发器的蒸发机制以至于工厂可以最大容量
最大效率的使用蒸发器。尽管降膜蒸发在工业中的重要性，但是它在有精确细节描述的文
献中记载却比较少，特别是在牛奶的蒸发过程中。因此，试验性的单管降膜蒸发器被开发
来研究它的热传递。
从商业牛奶蒸发器和与之相关的文献得到的结果来看，对降膜蒸发器独立参数有重大
影响的参数有：
1.蒸发过程所处的温度；
2.蒸发温度和蒸汽冷凝温度之间的差异；
3.液体的进料速率；
4.液体的进料温度；
5.蒸发器中的液体浓度；
6.换热管长度；
7.换热管的直径；
8.换热管的特点：金属类型，壁厚，管子的处理方式。
在上述的影响因素中，温差，蒸发温度，液体的流速，换热管长度被选为研究对象。
实验条件是在乳品厂的工业性试验得到的结果的基础上被选择的。虽然牛奶在蒸发器上被
广泛的用作原料，但是不使用牛奶，理由如下：
1.因为牛奶的成分，因此它的物理属性每一天都有所不同；
2.一旦牛奶甚至有点略为浓缩，随着时间会越来越浓厚，即它的粘度随时间的增加而增加，
而且它增加的速度随着温度和浓度的增加而增加；
3.加热表面会被牛奶的成分弄脏；
因此，用自来水和糖的解决方案能使得原料的成分以及便利相一致而不是使用牛奶。
虽然一些关于商业蒸发器的研究发现了某些变量之间的相互作用，但这项研究决定把
注意力集中在主要影响因素的研究这一方面。
实验设备
试验型规模的单一不锈钢管降膜蒸发器，其原理图如图1，是被应用的。加热管为外
径为32毫米，壁厚为1.6毫米，长度为2米，内径为73毫米的2米长的蒸汽护套管。它
从外径为20毫米，长为0.75米的同轴插入式管子（料管）进料。由于这种进料管高度是
可调的，所以加热管的供热面积是多种多样的。进入该管的料液直接喷洒到蒸发管的管壁
上。这就使得在管子上流动的液体的流动模式应该被迅速的建立而不是让它发生在商业蒸
发器的分布系统上。
CHEN和JEBSON
图1：单管降膜蒸发器示意图。（1）料液储罐（2）进给泵（3）转子流量计（4）预热器（5）水汽混合
器（6）压力调节器（7）蒸汽调节器（8）温度计（9）进料管（10）配对管（11）蒸汽夹套（12）蒸汽
特拉珀（13）离心泵（14）集中容器（15）冷凝器（16）冷凝泵（17）冷凝容器（18）真空机组.热偶
探头的位置。
被蒸发的液体由一可变的高速泵通过Spiraflo型热交换器，在那里液体被加热到蒸
发温度，然后再进入进料管。很短的蒸发管被使用是很重要的。那些没有被蒸发的液体和
水蒸汽一起直接的被送入蒸汽室的底部，之后液体将会被抽出。然后蒸汽通过有一定角度
的槽型分离器和成螺旋状的板式冷凝器，冷凝水从那里被离心泵抽出。蒸汽压力通过自动
调节阀的各种调节方式来调节。蒸汽冷凝水从加热管的外部流下，并通过来自蒸汽夹套底
部的喷射器移除。有喷射器提供真空，并可以通过非压缩路线上的放气旋塞来手动调节。
一个浮子流量计用来测量料液流量，用连有录像机的铁/康铜热电偶探头（J型）测量温度。
用热电偶探针在九个不同的点进行监测如图1所示。用真空计和蒸汽压力表测量的油气管
线和蒸汽线压力也分别显示于图一。
步骤
为了找到影响传热系数的个别变量，每次测试都只有一个参数不相同，而其他参数不
变下面给出了一个典型的程序：
1.蒸汽温度，蒸发温度，进料流速，进料温度和加热管长度被设定在预期值；
2.几分钟后，当达到一个稳定的状态，水汽凝结水的流速用秒表来测量；
3.所有的温度在运行中测量；
所用的实验变量的范围都显示在表1。
总的传热系数计算使用公式1：
对于一个下降液膜雷诺数定义为：
平均雷诺数（加热管顶部和底部的雷诺数平均值）被用于数据分析。
表1：实验变量的范围
变量范围
流量(kg/s)0.00,667，0.010,0.0133,0.0167,0.020,0.0233
蒸发温度(℃)50,60,70,80,90
换热管长度(m)1.2,1.6,2
温差(K)3，5，8，10，15，18,
料液（NO.1)10%糖溶液
料液（NO.2)水
统计分析
利用QUATTROPRO5.0电子表格程序的一部分多远回归分析来对实验结果进行分析。剩
余依赖变量用曲线图表示。，第二个阶段作为额外的独立变量。在适当的情况下，交互项
也包括在内。最后由前面增加量和后面消除量来确定方程。
结果与讨论薄膜系数
由滴状冷凝的类型观察到了冷凝机制，这种类型中薄膜传热系数是薄膜冷凝系数的6
到18倍。在本实验的条件下，薄膜蒸发传热系数被计算为2±4kWm-2K-1.因此，所测得的
总传热系数会极为近似等于蒸发膜侧系数。在这种情况下滴状冷凝是不寻常的，但作为蒸
发器就是特别为了这个目的而制造的，蒸发管的外部仍然有油膜，这将促使滴状冷凝。
温差效应的影响
随着温度降低的差异来观察总的传热系数的增加，图2显示了典型的曲线，10%的糖
溶液和水的总传系数随温度差异的变化。在商业蒸发器实验中发现了同样的趋势。
Angeletti和Moresi1建议降膜蒸发器的水汽蒸发机制有两种，一个是在汽液界面的直接
蒸发，另一个是汽泡在加热管壁上的形成。Chun和Seban发现水在大气压下形成气泡需要
3.7℃的额外热量。Angeletti和莫雷西指出当温差小于10℃时液体在界面直接蒸发的机
制比较常见。
图2显示了在温差为3-8℃时降低迅速然后会越来越慢。此报告的结果显示标志性的
泡沫形成在大约5℃。气泡的存在将大大增加薄膜的厚度，降低了气液界面的热传热速率。
界面直接气液蒸发量（这是最有效的）的作用将迅速降低，直至形成的气泡成为主要的影
响。在这个阶段传热系数只会随着温差的变化而逐渐减少。气泡的形成依赖于表面状态，
目前国外很少把它作为核心。应用于这种蒸发器上的加热管是蒸发器上的标志性类型，因
此这个结果可能可以应用于水或者其他清洁液体的商业性薄膜蒸发器。然而，牛奶脱脂时
所含脂肪球直径为0.5到2微米，在全脂奶粉中最高达10微米。这些可以作为气泡形成的核
心。
图2：温差与水和糖溶液的总传热系数的关系。蒸发温度为90℃，料液流量为0.0167kg/s，加热管的长
度为2米。
Boumanetal发现在发生核心沸腾时牛奶的温差为0.5℃，水的温差为5℃。后者与我
们的结果相同。
蒸发温度的影响
蒸发温度对总传热系数影响的典型例子如图3所示，那些直线是通过公式3画出的回归
直线，误差线在由回归线估计的点的周围。水和糖溶液的基本趋势是一样的，传热系数随
着蒸发温度的升高而升高，但是糖溶液的升幅大于水，其原因可能是糖溶液的粘度高。随
着温度增加，粘度降低，雷诺数增加。糖溶液粘度降低的幅度比水的大。两种液体的粘度
用以佩里的实验研究数据为依据的康帕内拉（个人通讯）公式计算而得，有悖于总传热
系数。结果显示在图4，两种液体的斜坡直线都不同，这表明
图3：蒸发温度对水和10%糖溶液的总传热系数的影响。温差为8K，进水流量为0.0167kg/s,加热管长度
为2米。
虽然可能有粘度的影响，但也有其他因素的影响。普朗特数会有所不同，不只是来自粘度
的影响，普朗特数(Pr=cμλ-1)是使用霍尼格糖溶液的热导率和热容量数据计算得来的。
通过使用Quattro5.0软件，总传热系数的回归由粘度和普朗特数之间的关系得到。
U=4.075***-5.466***μ2-1.796*Pr+1.613*Pr2
（R2=99.31%,df=6）（3）
如果是雷诺数而不是粘度，那么关系如下：
U=-3.661-0.130Pr+6.033×10-3Re-1.364×10-4Re2
（R2=99.24%,df=6）（4）
标准化数据产生的误差用方程3和方程4计算，在任何情况下这些都不超过1.4。
在这些方程中粘度和雷诺数被看做是二阶项，这表明粘度增加雷诺数减少，他们的影
响是很小的。在低粘度状态下薄膜流动状况会趋向于湍流，而且粘度的变化不会有太大的
影响。在高粘度情况下薄膜流动会呈现波状或层状，这样的话粘度的影响会很大。在温度
变化范围内研究，普朗特数随着温度降低，是由粘度降低和导热系数的增加导致的，远远
超过有轻微热能力导致的上升。虽然在方程（2）中传热系数随着普朗特数在温度范围内
的变动而增加，但在较高温度下，低价值数值被用来提高传热系数，是我们所期望的。
如果蒸汽的冲力对传热系数有影响，如果液体在高粘度下这种影响加大，然后粘度随
着温度有较大的变化，糖溶液对传热系数的影响就很大。随着传热系数的增大，蒸发量增
加，导致蒸汽动力增加，进一步提高了传热系数。因此传热系数和蒸发温度的斜坡线在糖
溶液中应该更大，在图3中很明显。因此在本实验的条件下蒸汽动力的影响很小。
图4：雷诺数和普朗特数对水和10%糖溶液总传热系数的影响。温差为8K，料液流量为0.0167kg/s，加热
管长度为两米。
图5：加热管长度对水和10%糖溶液总传热系数的影响。蒸发温度为70℃，温度差为8K，料液流量为
0.0167kg/s。
加热管长度的影响
图5表示的是水和10%糖溶液总传热系数随着加热管长度的增加而减少，这可能是入口
处影响。料液通过进料管间狭小的间隙并以很高的速度喷洒到加热管上。薄膜在入口处的
流动环境高度不稳定，经过一段距离后，液膜有低但稳定的雷诺数。总传热系数在出口长
度上会更高。因此，在入口长度对总传热系数的影响上短的加热管要比长的影响更大。在
商业蒸发器中加热管顶部的液体分布方式是不同的。
图6：平均雷诺数对水和糖溶液总传热系数的影响。蒸发温度为90℃，温差为10K，换热管长度为2米。
在商业蒸发器中应用的配电板能够使得在换热管板上的液滴流出，然后沿着加热管内壁流
下。
在商业试验中，蒸汽压力对传热系数有积极作用，但在这项试验规模的蒸发器中蒸汽
压力很小（最大0.1kgmm-1s-1相比于商业蒸发器的4kgmm-1s-1），因此，没有证据说明压力对
这蒸发器的传热系数有影响。
雷诺数的影响
传热系数随着雷诺数增加而增加的趋势从图6中可以看出。在这个实验中雷诺数由两
个变量来改变；灌溉密度，粘度。通过应用Quattro5.0程序和图7的数据可以得出计算公
式：
U=2.583+0.00153***Re-3.43***X10-7Re2-2.44***Pr
(R2=95.92%,df=4)(5)
这个方程表明雷诺数在较低值是很重要，但随着雷诺数的增加重要性减小。由于粘性的影
响，普朗特数增加，雷诺数随之减小。因此粘度对传热系数的影响在本实验范围内是积极
地，这和Chun和Seban的观点一致。
在高雷诺数条件下两个相互冲突的影响可能会发生。随着雷诺数的增加，薄膜的厚度
也随之增加，是结果波动幅度增大，降低了表面汽液的蒸发影响，它可能降低传热系数。
然而，雷诺数的增加会引起波动，这又将增加传热系数。在高的雷诺数情况下，试验点分
散可能是由于这些影响合起来影响的结果，而不是实验的误差。因此，相关数据不能充分
说明在高的雷诺数变化范围内的传热。
图6的结果表明，在传热系数随着雷诺数变化的过程中可能存在一个指数。应用
Quattro5.0程序可以得到如下关系，对于10%的糖溶液关系如下：
Ln(3.0-U)=0.432-0.00239***Re
(R2=97.38%,df=3)(6)
对于水关系如下：
Ln（3.1-U)=-0.308-0.0004Re
(R2=54%,df=1)(7)
增加雷诺数会增加湍流，也会减少内层厚度，但是在更高的雷诺数条件下，层的厚度是很
薄的，这时雷诺数的影响就会较小。因此该指数的曲线性质是可以预测的。Schwartzberg
总结了几个研究人员的工作后得出结论说，在Re<500时，传热系数随着雷诺数的增加呈线
性增加。在500 随着雷诺数的增加而略有增加，在这里与研究报告的结果基本吻合。 降膜蒸发器的灌溉密度是相当重要的，因为如果灌溉密度太低的话加热管会形成干 点，传热系数随着灌溉密度的增加而增加，因此高的灌溉密度（雷诺数与传热系数曲线中 平坦的部分）应该被使用，但是在商业蒸发器中高的灌溉密度需要使用大容量的泵，这样 在抽水时就会消耗更多的能量。 结论 直到核心沸腾开始，总的传热系数迅速下降伴随着蒸汽冷凝温度和蒸发温度之间的温 差的增加，之后缓慢下降。总传热系数的增加伴随着蒸发温度的增加，原因可能是雷诺数 和普朗特数的变化。液体的平均雷诺数也对传热存在一定的作用，它的增加限制了雷诺数 的增加。管子长度也起到一定作用，但它可能是由实验中不正常的料液管分布造成的。 名称术语 A传热面积，m2 c液体的比热，KJKg-1K-1 df自由度 h fg 潜伏热，KWkg-1 Pr普朗特数，表示为cμλ-1 Re雷诺数，表示为4Гμ-1 U总传热系数，KWm-2K-1 W蒸汽冷凝水流量，kgs-1 △T总温差，K Г灌溉密度，他被定义为单位外沿长度的质量流量，kgm-1s-1 μ液体粘性，Pas λ液体的热传导，Wm-1K-1 *99%的有效水平 **99.5%的有效水平 ***99.95%的有效水平