蒸發設備

根據被冷卻介質的種類不同，蒸發器可分為兩大類：

1、冷卻液體載冷劑的蒸發器。用於冷卻液體載冷劑——水、鹽水或乙二醇水溶液等。這類蒸發器常用的有卧式蒸發器、立管式蒸發器和螺旋管式蒸發器等。

2、冷卻空氣的蒸發器。這類蒸發器有冷卻排管和冷風機。

一、卧式蒸發器

1、其與卧式殼管式冷凝器的結構基本相似。按供液方式可分為殼管式蒸發器和乾式蒸發器兩種。卧式殼管式蒸發器廣泛使用於閉式鹽水循環系統。

特點是：結構緊湊，液體與傳熱表面接觸好，傳熱係數高。但是它需要充入大量製冷劑，液柱對蒸發溫度將會有一定的影響。且當鹽水濃度降低或鹽水泵因故停機時，鹽水在管內有被凍結的可能。若製冷劑為氟利昂，則氟利昂內溶解的潤滑油很難返回壓縮機。此外清洗時需停止工作。

2、乾式氟利昂蒸發器主要區別在於：製冷劑在管內流動，而載冷劑在管外流動。節流后的氟利昂液體從一側端蓋的下部進入蒸發器，經過幾個流程后從端蓋的上部引出，製冷劑在管內隨著流動而不斷蒸發，所以壁面有一部分為蒸氣所佔有，因此，它的傳熱效果不如滿液式。但是它無液柱對蒸發溫度的影響，且由於氟利昂流速較高(≥4m/s)，則回油較好。此外，由於管外充入的是大量的載冷劑，從而減緩了凍結的危險。這種蒸發器內製冷劑的充注量只需滿液式的1/2～l/3或更少，故稱之為“乾式蒸發器”。

二、立管式蒸發器

立管式和螺旋管式蒸發器的共同點是製冷劑在管內蒸發，整個蒸發器管組沉浸在盛滿載冷劑的箱體內(或池、槽內)，為了保證載冷劑在箱內以一定速度循環，箱內焊有縱向隔板和裝有螺旋攪拌器。載冷劑流速一般為0.3～0.7m/s，以增強傳熱。

立管式和螺旋管式蒸發器只能用於開式循環系統，故載冷劑必須是非揮發性物質，常用的是鹽水和水等。如用鹽水，蒸發器管子易被氧化，且鹽水易吸潮而使濃度降低。這兩種蒸發器可以直接觀察載冷劑的流動情況，廣泛用於以氨為製冷劑的鹽水製冷系統。

三、冷卻排管

1、冷卻排管

冷卻排管是用來冷卻空氣的一種蒸發器。廣泛應用於低溫冷藏庫中，製冷劑在冷卻排管內流動並蒸發，管外作為傳熱介質的被冷卻空氣作自然對流。

冷卻排管最大的優點是結構簡單，便於製作，對庫房內貯存的非包裝食品造成的乾耗較少。但排管的傳熱係數較低，且融霜時操作困難，不利於實現自動化。對於氨直接冷卻系統用無縫鋼管焊制，採用光管或繞制翅片管；對於氟利昂系統，大都採用繞片或套片式銅管翅片管組。

2、蛇管式排管

蛇管式頂管重力供液或氨泵供液均可；單排和雙排蛇管式牆排管可用於下進上出式的氨泵供液系統及重力供液系統，對單根蛇管式排管還可用於氨泵上進下出供液系統和熱力膨脹閥供液系統。

蛇管式排管的優點是結構簡單，易於製作，存液量較小，適用性強。其主要缺點為排管下段產生的蒸氣不能及時引出，必須經過排管的全長后才能排出，故傳熱係數小，汽液二相流動阻力大。

3、U形排管

常用的U形排管由兩層或四層光滑無縫鋼管構成。U形頂排管優點是結霜比較均勻，製作和安裝較方便，充液量小，約佔其容積的50%，適用重力供液系統和氨泵下進上出氨製冷系統，在冷庫中獲得較廣泛的應用。但其佔據庫房的有效空間較多，且上層排管不易除霜。

四、冷風機(空氣冷卻器)

冷風機多是由軸流式風機與冷卻排管等組成的一台成套設備。它依靠風機強制庫房內的空氣流經箱體內的冷卻排管進行熱交換，使空氣冷卻，從而達到降低庫溫的目的。

冷風機按冷卻空氣所採用的方式可分為乾式、濕式和乾濕混合式三種。其中，製冷劑或載冷劑在排管內流動，通過管壁冷卻管外空氣的稱為乾式冷風機；以噴淋的載冷劑液體直接和空氣進行熱交換的，稱為濕式冷風機；混合式冷風機除冷卻排管外，還有載冷劑的噴淋裝置。

冷庫常用的乾式冷風機按其安裝的位置又可分為吊頂式和落地式兩種類型。它們都由空氣冷卻排管，通風機及除霜裝置組成，且冷風機內的冷卻排管都是套片式的。大型乾式冷風機常為落地式。

循環型蒸發設備

循環型蒸發器的特點是溶液在蒸發器內作循環流動。根據造成液體循環的原理的不同，又可將其分為自然循環和強制循環兩種類型。前者是藉助在加熱室不同位置上溶液的受熱程度不同，使溶液產生密度差而引起的自然循環；後者是依靠外加動力使溶液進行強制循環。目前常用的循環型蒸發器有以下幾種：

1、中央循環管式蒸發器

中央循環管式蒸發器的結構其加熱室由一垂直的加熱管束（沸騰管束）構成，在管束中央有一根直徑較大的管子，稱為中央循環管，其截面積一般為加熱管束總截面積的40~100%。當加熱介質通入管間加熱時，由於加熱管內單位體積液體的受熱面積大於中央循環管內液體的受熱面積，因此加熱管內液體的相對密度小，從而造成加熱管與中央循環管內液體之間的密度差，這種密度差使得溶液自中央循環管下降，再由加熱管上升的自然循環流動。溶液的循環速度取決於溶液產生的密度差以及管的長度，其密度差越大，管子越長，溶液的循環速度越大。但這類蒸發器由於受總高度限制，加熱管長度較短，一般為1~2m，直徑為25~75mm，長徑比為20~40。

中央循環管蒸發器具有結構緊湊、製造方便、操作可靠等優點，故在工業上的應用十分廣泛，有所謂“標準蒸發器”之稱。但實際上，由於結構上的限制，其循環速度較低（一般在0.5m/s以下）；而且由於溶液在加熱管內不斷循環，使其濃度始終接近完成液的濃度，因而溶液的沸點高、有效溫度差減小。此外，設備的清洗和檢修也不夠方便。

2、懸筐式蒸發器

懸筐式蒸發器的結構是中央循環管蒸發器的改進。其加熱室像個懸筐，懸掛在蒸發器殼體的下部，可由頂部取出，便於清洗與更換。加熱介質由中央蒸汽管進入加熱室，而在加熱室外壁與蒸發器殼體的內壁之間有環隙通道，其作用類似於中央循環管。操作時，溶液沿環隙下降而沿加熱管上升，形成自然循環。一般環隙截面積約為加熱管總面積的100~150%，因而溶液循環速度較高（約為1~1.5m/s）。由於與蒸發器外殼接觸的是溫度較低的沸騰液體，故其熱損失較小。

懸筐式蒸發器適用於蒸發易結垢或有晶體析出的溶液。它的缺點是結構複雜，單位傳熱面需要的設備材料量較大。

3、外熱式蒸發器

外熱式蒸發器的結構特點是加熱室與分離室分開，這樣不僅便於清洗與更換，而且可以降低蒸發器的總高度。因其加熱管較長（管長與管徑之比為50~100），同時由於循環管內的溶液不被加熱，故溶液的循環速度大，可達1.5m/s。

4、列文蒸發器

列文蒸發器的結構特點是在加熱室的上部增設一沸騰室。這樣，加熱室內的溶液由於受到這一段附加液柱的作用，只有上升到沸騰室時才能汽化。在沸騰室上方裝有縱向隔板，其作用是防止氣泡長大。此外，因循環管不被加熱，使溶液循環的推動力較大。循環管的高度一般為7~8m，其截面積約為加熱管總截面積的200~350%。因而循環管內的流動阻力較小，循環速度可高達2~3m/s。

列文蒸發器的優點是循環速度大，傳熱效果好，由於溶液在加熱管中不沸騰，可以避免在加熱管中析出晶體，故適用於處理有晶體析出或易結垢的溶液。其缺點是設備龐大，需要的廠房高。此外，由於液層靜壓力大，故要求加熱蒸汽的壓力較高。

5、強制循環蒸發器

上述各種蒸發器均為自然循環型蒸發器，即靠加熱管與循環管內溶液的密度差引起溶液的循環，這種循環速度一般都比較低，不宜處理粘度大、易結垢及有大量析出結晶的溶液。對於這類溶液的蒸發，可採用強制循環型蒸發器。這種蒸發器是利用外加動力（循環泵）使溶液沿一定方向作高速循環流動。循環速度的大小可通過調節泵的流量來控制。一般循環速度在2.5m/s以上。這種蒸發器的優點是傳熱係數大，對於粘度較大或易結晶、結垢的物料，適應性較好，但其動力消耗較大。

單程型蒸發設備

單程型蒸發器的特點是，溶液沿加熱管壁成膜狀流動，一次通過加熱室即達到要求的濃度，而停留時間僅數秒或十幾秒鐘。

單程型蒸發器的主要優點是傳熱效率高，蒸發速度快，溶液在蒸發器內停留時間短，因而特別適用於熱敏性物料的蒸發。

按物料在蒸發器內的流動方向及成膜原因的不同，可以分為以下幾種類型：升膜蒸發器；降膜蒸發器；升—降膜蒸發器；刮板薄膜蒸發器。

1、升膜蒸發器

升膜式蒸發器的加熱室由一根或數根垂直長管組成，通常加熱管直徑為25~50mm，管長與管徑之比為100~150。原料液經預熱後由蒸發器的底部進入，加熱蒸汽在管外冷凝。當溶液受熱沸騰后迅速汽化，所生成的二次蒸汽在管內高速上升，帶動液體沿管內壁成膜狀向上流動，上升的液膜因受熱而繼續蒸發。故溶液自蒸發器底部上升至頂部的過程中逐漸被蒸濃，濃溶液進入分離室與二次蒸汽分離後由分離器底部排出。常壓下加熱管出口處的二次蒸汽速度不應小於10m/s，一般為20~50m/s，減壓操作時，有時可達100~160m/s或更高。

升膜蒸發器適用於蒸發量較大（即稀溶液）、熱敏性及易起泡沫的溶液，但不適於高粘度、有晶體析出或易結垢的溶液。

2、降膜蒸發器

降膜式蒸發器與升膜蒸發器的區別在於原料液由加熱管的頂部加入。溶液在自身重力作用下沿管內壁呈膜狀下流，並被蒸發濃縮，汽液混合物由加熱管底部進入分離室，經氣液分離后，完成液由分離器的底部排出。

為使溶液能在壁上均勻成膜，在每根加熱管的頂部均需設置液體布膜器。布膜器的型式有多種，較常用的三種，採用一螺旋型溝槽的圓柱體作為導流管，液體沿溝槽旋轉下流分佈在整個管內壁上；導流管下部為圓錐體，錐體底面向下內凹，以免沿錐體斜面流下的液體再向中央聚集；液體是通過齒縫沿加熱管內壁成膜狀下降。

降膜蒸發器可以蒸發濃度較高的溶液，對於粘度較大的物料也能適用。但對於易結晶或易結垢的溶液不適用。此外，由於液膜在管內分佈不易均勻，與升膜蒸發器相比，其傳熱係數較小。

3、升—降膜蒸發器

升—降膜蒸發器是將升膜和降膜蒸發器裝在一個外殼中，即構成升—降膜蒸發器。原料液經預熱后先由升膜加熱室上升，然後由降膜加熱器下降，再在分離室中和二次蒸汽分離后即得完成液。這種蒸發器多用於蒸發過程中溶液的粘度變化很大，水分蒸發量不大和廠房高度有一定限制的場合。

4、刮板薄膜蒸發器

刮板薄膜蒸發器是利用旋轉刮片的刮帶作用，使液體分佈在加熱管壁上。它的突出優點是對物料的適應性很強，例如對於高粘度、熱敏性和易結晶、結垢的物料都能適用。刮板薄膜蒸發器的殼體外部裝有加熱蒸汽夾套，其內部裝有可旋轉的攪拌刮片，旋轉刮片有固定的和活動的兩種。前者與殼體內壁的縫隙為0.75~1.5mm，後者與器壁的間隙隨攪拌軸的轉數而變。料液由蒸發器上部沿切線方向加入后，在重力和旋轉刮片帶動下，溶液在殼體內壁上形成下旋的薄膜，並在下降過程中不斷被蒸發濃縮，在底部得到完成液。在某些情況下，可將溶液蒸干而由底部直接獲得固體產物。這類蒸發器的缺點是結構複雜，動力消耗大，傳熱面積小，一般為3~4m2，最大不超過20m2，故其處理量較小。

直接接觸傳熱蒸發設備

直接接觸傳熱的蒸發器是將燃料（通常是煤氣或重油）與空氣混合后燃燒產生的高溫煙氣直接噴入被蒸發的溶液中，高溫煙氣與溶液直接接觸，使得溶液迅速沸騰汽化。蒸發出的水分與煙氣一起由蒸發器的頂部直接排出。

通常這種蒸發器的燃燒室在溶液中的深度為200~600mm，燃燒室內高溫煙氣的溫度可達1000℃以上，但由於氣液直接接觸時傳熱速率快，氣體離開液面時只比溶液溫度高出2~4℃。燃燒室的噴嘴因在高溫下使用，較易損壞，故應選用耐高溫和耐腐蝕的材料製作，結構上應考慮便於更換。

浸沒燃燒蒸發器的特點是結構簡單，傳熱效率高。該蒸發器特別適用於處理易結晶、結垢或有腐蝕性的物料的蒸發。目前在廢酸處理和硫酸銨鹽溶液的蒸發中，已廣泛採用此種蒸發器。但它不適用於不可被煙氣污染物料的處理，而且它的二次蒸汽也很難利用。

國內外對於蒸發器的研究十分活躍，歸結起來主要有以下幾個方面：

1．開發新型蒸發器

在這方面主要是通過改進加熱管的表面形狀來提高傳熱效果，例如新近發展起來的板式蒸發器，不但具有體積小、傳熱效率高、溶液滯留時間短等優點，而且其加熱面積可根據需要而增減，拆卸和清洗方便。又如，在石油化工、天然氣液化中使用的表面多孔加熱管，可使沸騰溶液側的傳熱係數提高10~20倍。海水淡化中使用的雙面縱槽加熱管，也可顯著提高傳熱效果。

2．改善蒸發器內液體的流動狀況

在蒸發器內裝入多種形式的湍流構件，可提高沸騰液體側的傳熱係數。例如將銅質填料裝入自然循環型蒸發器后，可使沸騰液體側的傳熱係數提高50%。這是由於構件或填料能造成液體的湍動，同時其本身亦為熱導體，可將熱量由加熱管傳向溶液內部，增加了蒸發器的傳熱面積。

3．改進溶液的性質

近年來亦有通過改進溶液性質來改善傳熱效果的研究報道。例如有研究表明，加入適當的表面活性劑，可使總傳熱係數提高1倍以上。加入適當阻垢劑減少蒸發過程中的結垢亦為提高傳熱效率的途徑之一。