外盘半圆管釜式蒸发器传热性能研究_武毓勇.pdf

产业与科技论坛2023年第22卷 第2期Industrial&Science Tribune2023（22）2外盘半圆管釜式蒸发器传热性能研究武毓勇范更新徐琰刘昱祺【内容摘要】为满足高放废液蒸发浓缩处理的需求，本文设计了使用外盘半圆管进行加热的釜式蒸发器，根据蒸发器的结构及材质特征，建立了蒸发器的传热计算模型。本文设计并搭建了蒸发系统试验台架，把饱和蒸汽作为加热介质，把去离子水作为模拟料液，通过试验研究了不同工况下釜式蒸发器的传热性能，蒸发器的传热系数计算值与试验值平均误差为 5 4%，验证了传热计算模型的可靠性。【关键词】高放废液;釜式蒸发器;传热计算模型;传热系数【作者单位】武毓勇，范更新，徐琰，刘昱祺;中国核电工程有限公司一、引言高放废液蒸发浓缩是传统的放射性废液减容和净化处理的方法，是乏燃料后处理厂的一个重要环节，通过外加热将蒸发器内放射性废液加热至沸腾，废液中的水分汽化变成二次蒸汽逸出废液，除去部分易挥发性核素及少量放射性核素夹带外，将绝大部分放射性核素保留在蒸残液中。蒸发浓缩技术可有效减少中间贮存和最终需要玻璃固化处理的高放废液的体积1。放射性废液蒸发浓缩普遍采用外加热自然循环蒸发器，具有处理能力大、设备结构紧凑等优点，但从运行经验来看，采用自然循环蒸发器进行连续蒸发 脱硝工艺时，蒸发器容易出现暴沸，同时自然循环蒸发器由于焊缝多，在高温高酸环境下运行泄漏风险较大。目前，国际上大部分采用釜式蒸发器来进行连续蒸发 脱硝工艺的运行;国内针对釜式蒸发器开展了小规模的试验研究。釜式蒸发器结构简单，焊缝少，在高温高酸的反应环境中不易发生泄露，采用连续蒸发 脱硝工艺运行时，釜式蒸发器内不易发生暴沸。釜式蒸发器可采用的换热设施有外夹套、外盘半圆管和内盘管等形式。其中外夹套换热因夹套内流动空间较大，换热介质以接近层流流动的形式在夹套内运动，极大地降低了换热效率;外盘半圆管换热由于半圆管直接焊接在反应釜外壁，相对于外夹套形式而言减小了反应釜筒体承受的外压，同时外盘半圆管具有较大的总传热系数;内盘管换热是几种换热设施中换热效率最高的，但是由于釜式蒸发器内长期处于高温、高酸和高放射性等反应环境，内盘管只能使用一次成型的无缝管道，因此换热面积有限，难以作为主要换热设施满足釜式蒸发器的换热需求2 4。本文研究半圆管夹套加热的釜式蒸发器，根据蒸发器的材质、尺寸以及半圆管夹套内加热介质的流动形式，建立釜式蒸发器的传热模型;并通过釜式蒸发器的传热试验验证模型的可靠性，对其传热性能进行研究。二、传热系数的计算釜式蒸发器采用饱和蒸汽作为加热介质，热量通过半圆管夹套经蒸发器外壁进入模拟料液的过程中，主要包含三个传热过程:外盘半圆管内蒸汽冷凝对流传热、蒸发器外壁一维稳态热传导和釜内料液沸腾对流传热5。(一)外盘半圆管内蒸汽冷凝对流传热6。蒸发器使用外盘半圆管进行加热，对于非圆形管的传热计算，一般采用圆形管的计算公式，使用非圆形管的当量直径代替圆形管直径进行计算。釜式蒸发器釜体部分为圆柱形，本文根据蒸发器的外径及外盘半圆管尺寸，计算得到外盘半圆管的当量直径:d0=4AHd0:当量直径，m;A:流通面积，m2;H:润湿周边，m。本文采用饱和蒸汽作为加热介质，饱和蒸汽与蒸发器壁面接触时会冷凝成为液体，同时释放汽化潜热。在饱和蒸汽冷凝的过程中，半圆管内处于气液两相共存的状态，因此恒压状态下气相温度为饱和蒸汽的温度，即气相主体不存在温差，没有任何热阻。饱和蒸汽冷凝后，凝结水附着在半圆管内壁形成液膜。饱和蒸汽冷凝释放的汽化潜热需要通过液膜传递给蒸发器内壁，即半圆管内蒸汽冷凝传热的热阻几乎全部集中在凝结水液膜内，一般按膜状冷凝传热考虑。可根据水平管蒸汽冷凝时的对流表面传热系数公式计算得到外盘半圆管内蒸汽冷凝对流传热系数:h1=0.725r2g31d0t()114h1:外盘半圆管内蒸汽冷凝对流传热系数，W/(m2K);r:液膜的汽化热，kJ/kg;:液膜的密度，kg/m3;1:液膜的热导率，W/(mK);:液膜的黏度，Pas;t1:液膜与饱和蒸汽的温度差，K。(二)蒸发器壁面一维稳态热传导。热量穿过蒸发器壁面，由外壁传递至内壁的过程属于一维稳态热传导。本文设242023年第22卷 第2期产业与科技论坛2023（22）2Industrial&Science Tribune计的蒸发器材质为 304L，可通过蒸发器材料的热导率和蒸发器壁厚计算得到导热热阻:R=b2R:蒸发器外壁导热热阻，m2K/W;b:蒸发器壁厚，m;2:材料热导率，W/(mK)。(三)釜内料液沸腾对流传热。蒸发过程中，釜内料液液面始终高于半圆管，且釜内料液无任何强制对流，因此蒸发过程中蒸发器内料液的沸腾状态为大容积饱和沸腾。大容积饱和沸腾时，料液中存在由温差引起的自然对流和汽化产生的气泡运动导致的液体运动。研究表明，大容积饱和沸腾可以分为表面汽化、核状沸腾和膜状沸腾三种状态，其中核状沸腾具有对流传热系数高、壁温较低的优点，广泛应用于工业沸腾装置中。大容积饱和沸腾的状态主要受釜内料液与蒸发器壁面温差影响，由此判断，稳定蒸发过程中釜内始终处于核状沸腾状态，可根据公式计算得到釜内料液沸腾对流传热系数:h2=0 12315t22 330 5h2:釜内料液沸腾对流传热系数，W/(m2K);t2:沸腾传热的过饱和度，K;:釜内沸腾的绝对压力，Pa。(四)蒸发器外壁温度。传热计算中釜式蒸发器的壁温直接影响半圆管夹套表面传热系数 h1和釜内料液沸腾传热的对流表面传热系数 h2，因此计算蒸发器的总传热系数前需要先确定蒸发器壁温。本文设计的蒸发器材质为不锈钢，假定蒸发器内壁和外壁温度保持一致，因此选取以下公式7，通过试算得到蒸发器外壁温度:tw=tsh1+Tmh2h1+h2ts:饱和蒸汽温度;tw:蒸发器壁温;Tm:蒸发器内料液温度。(五)蒸发器总传热系数。本文试验中所用釜式蒸发器为新制设备，模拟料液为去离子水，且饱和蒸汽品质较好，因此忽略污垢热阻对传热性能的影响。传热试验将 0 3MPa 饱和蒸汽作为加热介质，在蒸发器始终保持最大蒸发能力的试验工况下，计算蒸发器的总传热系数为:h=11h1+R+1h2=1111 4W/(m2K)三、蒸发器传热试验研究本文设计的蒸发系统可通过调节蒸汽流量和蒸发器的传热面积，研究不同工况下釜式蒸发器的传热性能及蒸汽流量和传热面积对蒸发系统运行稳定性的影响。(一)试验方法。为考察不同工况下蒸发系统运行的稳定性，本文开展了釜式蒸发器处理能力的研究试验。在蒸发器内料液沸腾后，通过供料计量泵控制不同的进料流量，调节饱和蒸汽流量，使蒸发器内保持稳定蒸发状态。通过试验数据计算出不同处理量下蒸发器的传热系数，考察不同蒸汽流量对蒸发器传热性能的影响。为考察不同传热面积下釜式蒸发器的传热性能，本文开展了釜式蒸发器传热面积的研究试验。在蒸发器内料液沸腾后，通过增减加热夹套数量达到改变传热面积的目的，通过调节进料流量和饱和蒸汽流量，使蒸发器内保持稳定蒸发状态。通过试验数据计算出不同传热面积下蒸发器的传热系数，考察不同传热面积对蒸发器传热性能的影响。(二)试验数据处理方法。本文选取稳定蒸发状态作为研究对象，考察蒸发过程中蒸发器的传热性能。蒸发过程采用 0 3Mpa 饱和蒸汽作为传热介质，半圆管与蒸发器的传热面积为 St，稳定蒸发 t 小时累计进料体积为V1，进料温度取室外温度 te，该温度下去离子水的密度为 4，蒸发器内料液沸腾温度为 tm，进料物料从 te升温至 tm平均比定压热容为 cP，则进料物料升温所需能量为:Q1=V14cp(tm te)蒸发过程中共收集二次蒸汽冷凝液 V2，该温度下去离子水密度为 5，去离子水在温度为 tm时汽化焓为 r，则二次蒸汽汽化过程所需能量为:Q2=V25r蒸发器的主要散热途径为空气散热，本文选取空气散热传热系数为 ha=30W/(m2K)，蒸发器总表面积为 S0，则散热面积可用蒸发器总表面积减去半圆管与蒸发器的接触面积，即:Sd=S0 St总的散热量为:Q3=haSt(tm te)t根据进料升温所需能量、二次蒸汽汽化所需能量以及设备散热，可以计算出蒸发过程中蒸发器总传热系数:K=Q1+Q2+Q3tS (ts tm)四、结果与讨论(一)传热面积对传热性能的影响。本文设计的釜式蒸发器通过五路独立的半圆管进行加热，因此可以通过关闭部分半圆管达到调整传热面积的目的。试验过程中，分别开启了 3 路、4 路和 5 路外盘半圆管对蒸发器进行加热，在保证蒸汽供应满足蒸发器最大需求的情况下，考察不同传热面积工况下蒸发器的传热性能和最大蒸发能力。试验过程始终保证蒸发器液位维持不变，蒸汽耗量和蒸发量随蒸发器传热面积的变化如图 1 所示;通过试验数据处理方法可得不同传热面下蒸发器的总传热系数如图 2 所示。由图 1 可以看出，随着传热面积的增加，蒸汽的耗量也会随之增加，同时蒸发器的蒸发能力相应提升。由图 2 可以看出，在保证蒸发器最大蒸发能力的工况下，传热面积对传热系数影响不大，但是会有上升的趋势。通过分析可以得知，随着蒸发器传热面积的增加，蒸发器的最大蒸发能力也会随之增加，蒸发过程中釜内产生的二次蒸汽气泡会随着蒸发能力的提升而增加，进而釜内料液沸腾对流传热系数 h2会随之增加，最终导致蒸发器的总传热系数随传热面积有上升34产业与科技论坛2023年第22卷 第2期Industrial&Science Tribune2023（22）2图 1蒸发器最大蒸发量及蒸汽耗量随传热面积的变化情况图 2蒸发器传热系数随传热面积的变化情况的趋势。(二)蒸汽耗量对传热性能的影响。本文设计的蒸发系统可以通过蒸汽干管的气动调节阀对蒸汽流量进行调节，蒸发器的传热面积保持不变时，蒸汽耗量会直接影响蒸发器的传热系数和蒸发量。试验过程中，通过调整气动调节阀将蒸汽流量稳定在 700kg/h、1000kg/h 和 1300kg/h 三种工况下，在保证传热面积不变的情况下，考察蒸发器的传热性能。图 3蒸发器的蒸发量随蒸汽耗量的变化情况试验过程始终保证蒸发器液位和传热面积维持不变，蒸发器的蒸发量随蒸汽耗量的变化如图 3 所示;通过试验数据处理方法可得不同传热面下蒸发器的总传热系数如图 4所示。由图 3 可以看出，随着蒸汽耗量的增加，蒸发器的蒸发量会逐渐增加，而且蒸发量与蒸汽耗量近似成线性关系。这是因为随着蒸汽流量的增加，半圆管内蒸汽的流速会随之增加，蒸汽的流速越大，外盘半圆管内表面传热系数 h1增加。相同的情况下，蒸汽向蒸发器内传递的热量会随之增加，进而导致蒸发器的蒸发量呈上升趋势。图 4蒸发器传热系数随蒸汽耗量积的变化情况如图 4 所示，在传热面积保持不变的情况下，随着蒸汽耗量的增加，蒸发器的传热系数也逐渐增加，但是随着蒸汽流量的增加，提高蒸汽流量对传热系数的影响逐渐减小。在相同的传热面积的条件下，蒸汽耗量越高，半圆管内蒸汽的流速越大，蒸汽的流速越大，外盘半圆管内表面传热系数 h1增加;随着蒸汽耗量的增加，蒸发器的蒸发量随之增加，蒸发过程中釜内产生的二次蒸汽气泡会随着蒸发能力的提升而增加，进而釜内料液沸腾对流传热系数 h2会随之增加，最终导致蒸发器的总传热系数随蒸汽耗量有上升的趋势。五、结语本文通过传热模型计算得到蒸发器的传热系数为1111.4W/(m2K)，通过蒸发传热试验得到不同传热面积情况下蒸发器最大传热系数分别为 1025.3 W/(m2K)、10828 W/(m2K)和1177 0 W/(m2K)。计算值与试验值的平均误差为 5 4%，因此文中所采用的传热计算模型适用于釜式蒸发器的设计。【参考文献】1 胡彦涛，卢金成 后处理厂高放废液釜式蒸发器的设计及问题探讨 J 产业与科技论坛，2018，17(12):53 55 2 张俊豪 反应釜外扣半圆管和内盘管传热系数的计算 J 山东化工，2020，49(23):120 122 3 王文清，冯连芳，王凯，高步良，王迎春 半圆管夹套的传热研究 J 合成橡胶工业，1990，13(2):5 4刘夕伟 半圆管夹套式反应釜的探讨J 广东化工，2011，38(6):183 5 赵镇南 传热学 M 北京:高等教育出版社，2008 6 王军龙，孙中宁，谷海峰，周艳民 水平管内蒸汽冷凝局部换热特性试验研究 J 原子能科学技术，2014，48(12):22192223 7 姜伟，李庆生 72%片碱生产中蒸发器循环推动力及传热的研究 J 氯碱工业，2005，10:36 3944