722食品工程原理 的控制，如溶液的性质、蒸发器的型式、沸腾传热形式以及操作条件等因素。 般可以参考实验数据或经验数据选择K值，但应选与操作条件相近的数值，尽量 使选用的K值合理。表11-2列出不同类型蒸发器的K值范围，供选用时参考。 表11-2蒸发器的总传热系数K值 蒸发器的型式 总传热系数/ 蒸发器的型式 总传热系数/ [w/(m2-K)] [w/(m2.K)] 水平沉浸加热式 600~2300 外加热式（强制循环） 1200-7000 标准式（自然循环） 6003000 升膜式 1200-6000 标准式（强制循环） 1200-6000 降膜式 1200-3500 悬筐式 600-3000 蛇管式 350-2300 外加热式（自然循环） 1200-6000 [例11-3]在单效薄膜式蒸发器内，将番茄汁从固形物含量12%浓缩到 28%。番茄汁已预热到最高许可温度60℃后进料。采用表压为70kP的饱和水 蒸气加热。设蒸发器传热面积为0.4m2,传热系数为1500W/(m2·K)。试近 似估算蒸汽消耗量和原料量。 解：根据压强，查得加热蒸汽饱和温度为114.5℃，汽化潜热为2210kJ/ kg,由传热速率公式： Q=SK△tm=1500×0.4×(114.5-60)=32700(w) 则*汽消耗量为：D=8-22鼎0790=0.0148kg6=53.3(kgm) 32700 查得60℃下水的汽化潜热为2340kJkg,则蒸发量为： W=号-23090=0.014kgs=50.3(kgh) 32700 原料液流量为： F=W=50.3 1-01-28 =88(kgh) 元1 (3)蒸发器的热负荷Q若加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排出，且忽略 热损失，则蒸发器的热负荷为 Q=Dr (11-19)
第11章溶液浓缩723 上面算出的传热面积，应视具体情况选用适当的安全系数加以校正。 蒸汽冷凝表面传热系数的值较高，一般为10000W/(m2·K)或更高。有 两个因素会造成冷凝表面传热系数的下降：一是加热蒸汽中含的少量杂质在加热 壁面上形成垢层；二是加热蒸汽中含有不凝性气体，在加热壁面上形成气膜。故 应注意排除不凝性气体。 沸腾传热热阻往往是诸热阻中起主要作用的热阻。沸腾表面传热系数在很大 程度上取决于传热面上的液速。 食品中热敏有机物质在蒸发时因加热受到破坏，在加热面上形成垢层，成为 蒸发过程中的主要热阻。在计算垢层热阻时，若无可靠实验数据，可取垢层厚度 为0.5mm,其热导率可取1.5~2W/(mK)。 摩根(Morgan)等对番茄汁在长管式蒸发器中的浓缩进行研究，将加热面 溶液侧的二次热阻并在一起作为总的溶液侧热阻，记为1/。而把污垢热阻对 时间的变化率作为结垢速率。实验结果见图11-2。实验得到以下结论： 从清理污垢原开始的时而 润湿表面温度 (2) 不腾 >15% 润湿表面温度 (3) 图11-2 番茄汁浓缩时蒸发器的结垢情况 (1)传热表面温度对结垢的影响表面温度越高，结垢速率越快。见图 11-2。 (2)料液流动方向对结垢的影响料液下降流动比上升流动易于形成污垢。 见图11-2(2)
724食品工程原理 (3)料液沸腾状态对结垢的影响非沸腾状态下的结垢远比沸腾状态为快。 由此可以推断，结垢可能出现在料液人口附近，然后逐渐向其他部位展开。见图 11-2(3)。 (4)液体中蒸汽比例的影响传热面上液体中蒸汽所占的比例越高，结垢也 越快，特别是当蒸汽质量分数大于25%时，结垢非常显著，见图11-2(4)。 至于管壁热阻，一般情况下比其他各项热阻均小，计算时可忽略。 1.2.2.4管内沸腾传热系数a;的关联式 前章中讨论了沸腾传热的一般概念以及传热系数的关联式，下面介绍几种常 见蒸发器的管内沸腾传热系数的关联式。 （1)标准型蒸发器在标准型蒸发器中，当溶液在加热管进口处的速度较低 (在0.2ms左右)时，a:可用下式计算，即： Nw=0.08(ReL)08(PrL06(g)P.0 (11-20) OL a=0.0s(22）°(P(） (11-20a) L 式中：AL为液体的热导率，W/(m2,K)；d为加热管的内径，m;um为溶液 的平均流速，即溶液在加热管进、出口处速度的对数均值，/s；PL为溶液的密 度，kgm3,L为溶液的粘度，Pa·s;cpL为溶液的比热容，J/(kgK)；cw为 水的表面张力，N/m;aL为溶液的表面张力，N/m。 式(11-20)适用于常压操作，应用于高压或高真度时则误差较大。 (2)强制循环蒸发器由于在强制循环蒸发器中，溶液在传热面上的沸腾受 抑制，因此可以使用无相变化时管内强制湍流的计算公式，即： a,=0.023R2p24 (11-21) 与无相变化传热时相比，由于传热面附近溶液的温度较沸点略高，且所产生 的气泡促进了湍动，实验也证明其传热系数比按上式求得的结果约大25%。 (3)升膜蒸发器 ①热负荷较低（表面蒸发）的情况： (1+128)() (11-22)
第11章溶液浓缩725 式中Rev为气膜雷诺准数，无因次； Rev=diuvev=diq LV ruv ReL为液膜雷诺准数，无因次； ReL=diuler=4W' L 式中W'为单位时间内溶液通过沸腾管的总质量，kgs；q为热通量，Wm。 ②热负荷较高（泡核沸腾）的情况： a=0.25.(n”(Rwn(-）0"(%-10 (11-23) 式中Φ。为沸腾管材质的校正系数，其值为 钢、铜 1 不锈钢、铬、镍 0.7 磨光表面 0.4 p为绝对压强，Pa。 应注意式(11-22)及式(11-23)中的ReL均按人口的液体质量计算，Rev 按出口气体的流量计算。 (4)降膜蒸发器降膜蒸发器的操作与整个加热面上是否布满液膜有密切关 系，因此这种蒸发器的传热系数计算式随液体在单位时间内单位管子周边上流过 的质量M而变，即： 当 =1.163(2)泸(2)3 (11-24) 以L AL a=0.s(2i2)(%) (11-25) 当 >1409）1时
726食品工程原理 。=7.69×1022）装）（兴 (11-26) 式中：a:为溶液沸腾传热系数，W/(m2K)；L为溶液的粘度，Pas;g为重 力加速度，m/s2；pL为溶液的密度，kgm3;。为表面张力，Nm;L为溶液的 热导率，W/(mK)；cpL为溶液的比热容，J/(kgK)；M为单位时间内单位 管子周边上流过的溶液质量，kg/(m·s),即 M-Tn (11-27) 式中n为管数。 1.3多效蒸发 1.3.1多效蒸发的原理 前已述及，在单效蒸发器中每蒸发1kg的水要消耗比1kg多一些的加热蒸 汽。在工业生产中，蒸发大量的水分必须消耗大量的加热蒸汽。为了减少加热蒸 汽消耗量，可采用多效蒸发操作。多效蒸发时要求后效的操作压强和溶液的沸点 均较前效的为低，因此可引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，即后效的加 热室成为前效二次蒸汽的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽，这就是多效蒸发的 操作原理。一般多效蒸发装置的末效或后几效总是在真空下操作。由于各效（末 效除外)的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽，故提高了生蒸汽的利用 率，即提高了经济效益。假若单效蒸发或多效蒸发装置中所蒸发的水量相等，则 前者需要的生蒸气量远大于后者。例如，当原料液在沸点下进入蒸发器，并忽略 热损失、各种温度差损失以及不同压强下汽化潜热的差别时，则理论上，单效的 D/W≈1，双效的D/W≈12，三效的D/W≈13，.，n效的D/W≈1/n。 若考虑实际上存在的各种温度差损失和蒸发器的热损失等，则多效蒸发时便达不 到上述的经济性。表11-3列出最小的（D/W)mm值。 表11-3单位蒸汽消耗量 效数 单效 双效 三效 四效 五效 (D/W)min 1.1 0.57 0.4 0.3 0.27