管壳式蒸发器的工作原理与特点

蒸发器中所进行着的沸腾换热和冷凝换热一样，均属于强化型换热（但低沸点流体沸腾时的换热系数不高，应该除外）。液体在沸腾时能吸收大量的汽化潜热，汽泡在形成和脱离加热面时，在边界层内产生强烈的扰动，使其热边界层内形成很大的温度梯度，从而达到很高的换热系数，与单相流体的对流换热系数相比，可提高几倍乃至二三十倍，因而在工业上的应用甚为广泛。

图2.53 中心循环管式蒸发器

1—加热管束；2—中央循环管；3—汽液分离空间；4—加热室

在各种工业企业生产过程中，常需将溶有固体物质的水溶液加以浓缩。其主要方法是用蒸发器将稀溶液加热至沸腾，使其中部分水蒸发而使溶液的浓度得到提高。此种蒸发过程与水的蒸发过程相比，有着一些不同的特点。

图2.53所示的是一种在水溶液蒸发过程中使用比较普遍的中心循环管式蒸发器，它由加热室及分离室组成，由于中心循环管的直径比加热管的直径大得多，使中心循环管内溶液的密度大于周围加热管内强烈沸腾着的溶液的密度，从而产生了自然循环。

蒸发器内加热的蒸汽称为一次蒸汽，溶液受热蒸发而产生的蒸汽称为二次蒸汽。为使那些需要蒸发大量水分的场合减少加热蒸汽耗量，可采用多效蒸发（或称多级蒸发）的方法，其特点是将每一效蒸发器中所产生的二次蒸汽用作下一效的加热蒸汽，如此则在下一效又产生了新的二次蒸汽，即使溶液浓度得到提高，又节省了加热蒸汽量。若近似地认为加热蒸汽耗量和二次蒸汽产量之比等于1，那么消耗单位蒸汽量所能蒸发的水量近似地与蒸发器的效数成正比。效数越多，消耗新蒸汽越少。不过效数并非越多越好，一般限于2～3效，也有4～6效的。

多效蒸发时，后一效的工作压力和溶液的沸点均较前一效的低。一般多效蒸发的末效总在真空下工作，因此末效的二效蒸汽一般与带有抽气装置的表面式（即管壳式）或气压式冷凝器相连，以维持末效所要求的真空度。

在对水溶液蒸发器作计算时，要注意到如下一些特点：

①在水溶液蒸发器中，由于被蒸发的是含有非挥发性物质的水溶液，溶液的沸点要高于纯溶剂（水）的沸点，但二次蒸汽的温度却只等于相应压力下的饱和温度。故当加热蒸汽温度一定时，蒸发溶液时的传热温差就比蒸发水的传热温差小。例如在大气压下工作的蒸发器，若被蒸发的是水，水的沸腾温度是100℃，产生的二次蒸汽温度也是100℃，而当此蒸发器用来蒸发浓度为30%的NaOH水溶液时，却要在110℃沸腾，可是二次蒸汽温度却仍为100℃，可见在大气压下，此溶液的沸点升高了10℃，也就是说，传热温差减小了10℃。

在一定压力下，溶液的沸点与纯水沸点之差，称为溶液的物理化学温降。表2.11摘录了部分溶液在大气压力下不同浓度时的沸点。但是蒸发器往往在高于大气压或低于大气压下工作，因而必须计算出蒸发器工作压力下的沸点。在各种计算方法中，最常用的是按杜林（Duhring）规则计算。该规则认为：某种溶液在两种不同压力下两沸点之差与另一标准液体在相应压力下两沸点之差的比值是一个常数，即

式中tA和表示某种溶液在两种不同压力下的沸点（其中应已知），tw和表示某种标准液体在相应压力下的沸点。当知道C值时，就可按下式求出任一压力下某液体（或溶液）的沸点tA：

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因为水的沸点可从水蒸气表中方便地查得，故通常可用水作标准液体。

表2.11 无机盐溶液在大气压下的沸点[16]

②由于蒸发器中的液位有相当高度，溶液密度一般较大，因而引起上层溶液对下层溶液产生一定的静压，使下层溶液的沸点比上层溶液的沸点高，但所产生的二次蒸汽温度却仍与液面所处的压力相对应。因而在蒸发器内还存在由于静压的作用而产生的第二种温降——静压温降。

③在多效蒸发中，还要考虑二次蒸汽流到次效的加热室的过程中，由于管道阻力引起的压降，使次效加热蒸汽的饱和温度相应降低。此种饱和温度的降低构成了蒸发器中的第三种温降——流动阻力温降。

总的结果，由于三种温降的存在，使蒸发器内的有效温差Δt降低，成为

式中 ts——加热蒸汽的饱和温度，℃；

t——二次蒸汽的饱和温度，℃；

Δ′——物理化学温降，℃；

Δ″——静压温降，℃；

Δ‴——流动阻力温降，℃。

④水溶液蒸发的热平衡计算中还应注意到有些物料，例如NaOH、CaCl2等水溶液在稀释时有显著的放热反应，因而在蒸发时除了供给水分汽化所需的汽化潜热外，还应供给与稀释热相应的浓缩热，而且溶液浓度越高，影响越显著。