一文了解蒸發器的分類及工作原理

2020-12-17 電子發燒友

一文了解蒸發器的分類及工作原理

工程師之餘 發表於 2018-11-26 08:59:16

蒸發器是製冷四大件中很重要的一個部件，低溫的冷凝液體通過蒸發器，與外界的空氣進行熱交換，氣化吸熱，達到製冷的效果。蒸發器主要由加熱室和蒸發室兩部分組成。加熱室向液體提供蒸發所需要的熱量，促使液體沸騰汽化；蒸發室使氣液兩相完全分離。

蒸發器主要由加熱室和分離室組成。 根據加熱室的結構和運行中的溶液流動，工業中常用的間接加熱蒸發器可分為循環型（非膜型）和單向型（膜型）兩種。

循環型（非膜）蒸發器

這種蒸發器的特徵在於蒸發器中溶液的連續循環，以改善傳熱效果並且易於溶液的結垢。 有兩種類型的循環，自然循環和強制循環。 前者是由於加熱室中不同位置的溶液加熱程度不同，導緻密度差引起的循環運動; 後者基於外力迫使溶液沿一個方向循環流動。

1、中央循環管（或標準式）蒸發器

中央循環管蒸發器，加熱室由垂直管束組成，中心管束有較大直徑的管子。細管中每單位體積溶液的加熱表面大於粗管中的加熱表面，即前者被更好地加熱並且溶液蒸發得更多。因此，細管中的汽液混合物的密度小於厚管中的濃度。這種密度差導致溶液以連續和規則的方式自然循環，其沿著粗管減小並沿著細管上升。粗管稱為降液管或中央循環管，細管稱為沸騰管或加熱管。為了促進溶液的良好循環，中央循環管的橫截面積通常為加熱管總橫截面積的40％至100％。管束高度為1-2m，加熱管直徑為25~75mm，長徑比為20~40。

2、懸筐式蒸發器

為了克服循環式蒸發器中蒸發液易結晶、易結垢且不易清洗等缺點，對標準式蒸發器結構進行了更合理的改進，這就是懸筐式蒸發器。加熱室4象個籃筐，懸掛在蒸發器殼體的下部，並且以加熱室外壁與蒸發器內壁之間的環形孔道代替中央循環管。溶液沿加熱管中央上升，而後循著懸筐式加熱室外壁與蒸發器內壁間的環隙向下流動而構成循環。由於環隙面積約為加熱管總截面積的100至150%，故溶液循環速度比標準式蒸發器為大，可達1.5m/s。此外，這種蒸發器的加熱室可由頂部取出進行檢修或更換，而且熱損失也較小。它的主要缺點是結構複雜，單位傳熱面積的金屬消耗較多。

3、外熱式蒸發器

外熱式蒸發器，該蒸發器的加熱管較長，長徑比為50-100。 由於循環管中的溶液不被蒸汽加熱，其密度大於加熱管中的溶液，所形成的溶液的循環運動沿循環管減小，沿加熱管上升，循環速度可達1.5 m/s。

單程型蒸發器

這一大類蒸發器的主要特點是：溶液在蒸發器中只通過加熱室一次，不作循環流動即成為濃縮液排出。溶液通過加熱室時，在管壁上呈膜狀流動，故習慣上又稱為液膜式蒸發器。根據物料在蒸發器中流向的不同，單程型蒸發器又分以下幾種。

1、升膜式蒸發器

其加熱室由許多豎直長管組成。常用的加熱管直徑為25～50mm，管長和管徑之比約為100～150。料液經預熱後由蒸發器底部引入，在加熱管內受熱沸騰並迅速汽化，生成的蒸汽在加熱管內高速上升，一般常壓下操作時適宜的出口汽速為20～50m/s，減壓下操作時汽速可達100至160m/s或更大些。溶液則被上升的蒸汽所帶動，沿管壁成膜狀上升並繼續蒸發，汽、液混合物在分離器2內分離，完成液由分離器底部排出，二次蒸汽則在頂部導出。須注意的是，如果從料液中蒸發的水量不多，就難以達到上述要求的汽速，即升膜式蒸發器不適用於較濃溶液的蒸發；它對粘度很大，易結晶或易結垢的物料也不適用。

2、降膜蒸發器

如果使用具有較高蒸發濃度或粘度的溶液，可以使用降膜蒸發器。 其加熱室類似於升膜蒸發器的加熱室。 進料液體在加熱室頂部加入，並通過管末端的液體分配器均勻地流入加熱管。 在溶液本身的重力作用下，溶液沿著管的內壁以薄膜形式向下流動並蒸發。 為了將薄膜均勻地分布在牆壁上並防止二次蒸汽直接從加熱管的頂部逸出，必須在加熱管的頂部設置經過良好處理的液體分配器。

降膜蒸發器也適用於熱敏材料的處理，但它不適用於易結晶，易結垢或粘度高的溶液的處理。

3、刮板式蒸發器

蒸發器外殼內帶有加熱蒸汽夾套，其內裝有可旋轉的葉片即刮板。刮板有固定式和轉子式兩種，前者與殼體內壁的間隙為0.5～1.5mm，後者與器壁的間隙隨轉子的轉數而變。料液由蒸發器上部沿切線方向加入（亦有加至與刮板同軸的甩料盤上的）。由於重力、離心力和旋轉刮板刮帶作用，溶液在器內壁形成下旋的薄膜，並在此過程中被蒸發濃縮，完成液在底部排出。這種蒸發器是一種利用外加動力成膜的單程型蒸發器，其突出優點是對物料的適應性很強，且停留時間短，一般為數秒或幾十秒，故可適應於高粘度（如栲膠、蜂蜜等）和易結晶、結垢、熱敏性的物料。但其結構複雜，動力消耗大，每平方米傳熱面約需1.5～3kW。此外，其處理量很小且製造安裝要求高。

直接接觸傳熱的蒸發器

實際生產中，有時還應用直接接觸傳熱的蒸發器。它是將燃料（通常為煤氣和油）與空氣混合後，在浸於溶液中的燃燒室內燃燒，產生的高溫火焰和煙氣經燃燒室下部的噴嘴直接噴入被蒸發的溶液中。高溫氣體和溶液直接接觸，同時進行傳熱使水分蒸發汽化，產生的水汽和廢煙氣一起由蒸發器頂部排出。其燃燒室在溶液中的浸沒深度一般為0.2～0.6m，出燃燒室的氣體溫度可達1000℃以上。因是直接觸接傳熱，故它的傳熱效果很好，熱利用率高。由於不需要固定的傳熱壁面，故結構簡單，特別適用於易結晶、結垢和具有腐蝕性物料的蒸發。在廢酸處理和硫酸銨溶液的蒸發中，它已得到廣泛應用。但若蒸發的料液不允許被煙氣所汙染，則該類蒸發器一般不適用。而且由於有大量煙氣的存在，限制了二次蒸氣的利用。此外噴嘴由於浸沒在高溫液體中，較易損壞。從上介紹可以看出，蒸發器的結構型式很多，各有其優缺點和適用的場合。在選型時，首先要看它能否適應所蒸發物料的工藝特性，包括物料的粘性、熱敏性、腐蝕性以及是否容易結晶或結垢等，然後再要求其結構簡單、易於製造、金屬消耗量少，維修方便、傳熱效果好等等。

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