【正文】 為蒸發(fā)傳熱提供穩(wěn)定的蒸汽 ； ：能夠通過壓力將水蒸汽穩(wěn)固的送到循環(huán)管式蒸發(fā)器內(nèi)部 ； 7 水箱：為蒸汽鍋爐和冷凝器提供水； ：將二次蒸汽冷凝到水的狀態(tài)； ：便于觀察二次蒸汽冷凝水的量； 1 12 視鏡：便于觀察濃縮液流量及內(nèi)部； 凝罐：用于收集二次蒸汽冷凝水； 1 ：用于收集蒸發(fā)后的濃縮液； 1 ：用于收集二次蒸汽冷凝水； ：真空泵用于使管內(nèi)的壓強(qiáng)達(dá)到預(yù)定壓強(qiáng)。 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)物可見圖 32。 圖 32 超聲波蒸發(fā)器 天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 19 本實(shí)驗(yàn)使用的是一種超聲蒸發(fā)裝置 ,主要結(jié)構(gòu)有：超聲波發(fā)生器及控制系統(tǒng)、中央循環(huán)管式蒸發(fā)器、冷凝器、二次水蒸汽儲(chǔ)罐、濃縮液儲(chǔ)罐等等 。 在重要部件還安裝了視鏡，方便隨時(shí)觀察儀器內(nèi)部的反應(yīng)情況，這種設(shè)計(jì)方案，設(shè)備占用的空間小，整體運(yùn)行穩(wěn)定不會(huì)有偏差，底部安裝了滑輪方便移動(dòng) ，當(dāng)然這是由于現(xiàn)實(shí)狀況決定的，如果是工廠長時(shí)間的使用，可根據(jù)具體情況來調(diào)節(jié)。除此之外還有相配套的輔助設(shè)備如：小型鍋爐、水箱、真空泵、冷凝器等，部件眾多，可安排的十分合理，在達(dá)到提高蒸發(fā)換熱效率的同時(shí)又節(jié)約了很大的空間。 實(shí)驗(yàn)步驟 ⑴ 配置藥品：實(shí)驗(yàn)過程中使用自行配制的無機(jī)鹽，無機(jī)鹽溶液配制方法很多，為了檢測方便以及藥品的價(jià)格問題，本實(shí)驗(yàn)采用 ZnSO4 、 NaNO CaSOMg(NO3)2 來配制。內(nèi)部含有的離子為四種陽離子及硝酸 根和硫酸根兩種陰離子。 配比比例： 10L溶液含量計(jì)算取 CaSO4取 25g 。 ZnSO4取 50g 。 Mg(NO3)2 取 50g ；NaNO3 取 50g。 ⑵ 設(shè)備檢查：對設(shè)備外部進(jìn)行檢查，查看是否有部位出現(xiàn)松動(dòng)等跡象，并檢查設(shè)備的安全性。 ⑶ 開機(jī)調(diào)試：設(shè)備長期不使用，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備部分老化，從外部看不出來的一些部件發(fā)生腐蝕、老化現(xiàn)象。開機(jī)進(jìn)行調(diào)試，在加入物料之前先加入純水對設(shè)備內(nèi) 部進(jìn)行測試的同時(shí)加以清洗。 ⑷ 嘗試性實(shí)驗(yàn)：利用物料查看設(shè)備對其敏感性，物料是否能在設(shè)備中正常循環(huán)，會(huì)不會(huì)發(fā)生堵塞等現(xiàn)象。 ⑸ 開始實(shí)驗(yàn)：按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對實(shí)驗(yàn)過程中的因素調(diào)配并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，密切關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程中物料的變化以及設(shè)備的運(yùn)行情況，時(shí)刻關(guān)注壓力鍋爐的壓力值，一旦超標(biāo)立即停止實(shí)驗(yàn)，調(diào)整后在進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過程中，及時(shí)準(zhǔn)確的記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 ⑹ 取樣：分別對每一組實(shí)驗(yàn)所得的二次蒸汽與濃縮液采樣處理，并取樣對其進(jìn)行比較，測定其 PH 值。 ⑺ 重復(fù)實(shí)驗(yàn)：每組實(shí)驗(yàn)過后，除了需要隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)而改變外還需要對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整、安全檢查。 ⑻ 實(shí)驗(yàn)結(jié)束：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要對設(shè)備進(jìn)行清洗，維護(hù)保養(yǎng)設(shè)備。 無機(jī)鹽離子檢測實(shí)驗(yàn) 簡易真空超濾裝置 實(shí)驗(yàn)之前，先自行制作了一個(gè)真空過濾裝置（如圖 33）。將 燒杯等按圖中連接起來，在一邊連接一個(gè)小型真空泵，真空泵不斷地改變燒杯中的壓強(qiáng)，溶液在壓力差的作用下，通過過濾膜流到下面燒杯中從而達(dá)到過濾的目的。由于溶液中若含有其他的雜質(zhì)會(huì)嚴(yán)重影響到測量數(shù)據(jù)以外還會(huì)對儀器產(chǎn)生巨大的危害。這個(gè)過濾膜可以將 微米以上的雜質(zhì)過濾出去。即很好的保證了溶液的純度，又天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 20 不會(huì)對溶液的性質(zhì)造成影響。好的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備對實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌瓿善鸬胶苤匾淖饔谩? 圖 33 簡易真空超濾裝置 離子色譜儀進(jìn)行離子檢測 ㈠ 步驟： ⑴ 取樣：用注射器將樣品吸出 10ml，用注射器膜過濾處理，再注入到樣品分析瓶中待用。 ⑵ 開機(jī)調(diào)試：離子色譜儀開機(jī)后需要調(diào)試，將設(shè)備調(diào)至最佳使用狀態(tài)。 ⑶ 測試純水：使用純水測試清洗設(shè)備，因?yàn)閮x器設(shè)備內(nèi)會(huì)有上次測試時(shí)的殘留物質(zhì)。 30min 后查看繪制曲線可知儀器內(nèi)殘留的物質(zhì)，如果殘留物對實(shí)驗(yàn)研究沒有影響可直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn) ；若儀器內(nèi)殘留物會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，對設(shè)備多次清洗，直到滿足實(shí)驗(yàn)要求為止。 ⑷ 進(jìn)料：設(shè)定檢測時(shí)間為 30min，開始實(shí)驗(yàn)，查看離子檢測結(jié)果，關(guān)注所測的離子色譜。 ⑸ 重復(fù)實(shí)驗(yàn)：注意操作時(shí)，時(shí)刻保持注射器頂端不會(huì)觸碰到其他物體（廢液回收瓶等），以免污染樣品從而影響測試結(jié)果。重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，對注射器、樣品存天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 21 放瓶等進(jìn)行標(biāo)號(hào)、分類存放，以免彼此混淆導(dǎo)致測試混亂。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣采用標(biāo)號(hào)存儲(chǔ) 便于試驗(yàn)結(jié)束后的整理分析。 ⑹ 實(shí)驗(yàn)結(jié)束：實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，將設(shè)備再次用純水清洗處理。 ⑺ 數(shù)據(jù)導(dǎo)出：根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分類標(biāo)出，進(jìn)行比較，導(dǎo)出備用。 ㈡ 離子色譜儀 圖 34 離子 色譜分析儀 本實(shí)驗(yàn)采用的是戴安牌離子色譜儀 （如圖 34） ，兩臺(tái)儀器分別測試溶液中含有的陰、陽離子。離子色譜儀速度十分快捷，也很方 便。 色譜儀可以檢測到 7 種 我們常用的 陰離子和六種常見陽離子 ， 陽離子可以檢測常規(guī)陽離子 如 Li、 Na、NH、 K、 Mg、 Ca 等離子， 以及乙醇胺、脛、聯(lián)氨、甲胺、二甲胺、三甲胺等；陰離子可檢測常規(guī)陰離子 如 F 、 ClO 、 BrO 、 Cl 、 NO、 Br 、 ClO 、 NO 、PO 、 SO 等離子 以及碳酸根、甲酸根、乙酸根、丁酸根、硒酸根、硫氰酸根、砷酸根、砒酸根、檸檬酸根、草酸根、鄰苯二甲酸根、鉻酸根等。 本實(shí)驗(yàn) 離子的分離需 要 30min。而這離子色譜分析儀靈敏度十分高， 而且 簡化了樣品前處理手續(xù)。溶解、稀釋、和過濾是 IC 中 樣品前處理的主要內(nèi)容 [20]。 這樣可以在保證效率的同時(shí)，準(zhǔn)確無誤的測量出溶液中的離子含量。 天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 22 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 進(jìn)料溫度對傳熱系數(shù)的影響 圖 35 給出流量為 60L/h， 傳熱溫差為 50℃，超聲波功率分別在 0 和 時(shí)，超聲波蒸發(fā)器在蒸發(fā)過程中進(jìn)料溫度對傳熱系數(shù)的影響。從圖中可以看出在65℃之前，進(jìn)料溫度不斷升高，傳熱系數(shù)數(shù)值也不斷地提高。這是因?yàn)殡S著進(jìn)料溫度的升高，蒸發(fā)面表面上的濕潤率也隨之增加，對提高傳熱效率起到促進(jìn)作用。從原先的 178。K 提高到 178。K，這是由于隨著進(jìn)料溫度的提高超聲波對于空化核的拉伸作用加強(qiáng)，使得空話和的半徑急速減小，加快了蒸發(fā)管內(nèi)部同一時(shí)間的氣泡發(fā)泡點(diǎn)產(chǎn)生頻率及產(chǎn)生的數(shù)量，加快了空化作用的效果，使得傳熱系數(shù)有所提高。由圖中可以明顯的看出當(dāng)有超聲波頻率時(shí)，傳熱系數(shù)明顯大于沒有超聲波時(shí)候的傳熱系數(shù)，由傳熱系數(shù)的變化趨勢來說，當(dāng)進(jìn)料溫度大于 65℃時(shí)，無論是否存在超聲波，傳熱系數(shù)明顯有所下降。所以為了提高換熱器的傳熱效率需要控制進(jìn)料溫度在 65℃左右。這時(shí)也是超聲波的峰值，對提高傳熱效率效果明顯。 圖 35 進(jìn)料溫度對傳熱 系數(shù)的影響 進(jìn)料流量對傳熱系數(shù)的影響 圖 36 保證蒸汽的溫度為 100℃，進(jìn)料溫度為 50℃，超聲波功率密度為 0和 的情況下，不同的進(jìn)料量對傳熱系數(shù)的影響。由圖可以看出，在其他條件不變的情況下，隨著進(jìn)料流量的增加傳熱系數(shù)也隨之增加。這是由于進(jìn)料量增加后，換熱器表面的物料量也隨之增加，蒸汽能量利用的更為充分，物料液膜更新交替的頻率得到提高，液膜的湍流程度提高，對換熱效果起到積極的促進(jìn)作用，使得換熱效率得到提高。而觀察圖表可以看出，在超聲波功率密度為 時(shí)的傳天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 23 熱系數(shù)比超聲波功率密度為 0 時(shí)的 傳熱系數(shù)時(shí)要高許多。當(dāng)流量達(dá)到 60L/h 時(shí)，超聲波對傳熱系數(shù)的影響變得要小許多，這是由于超聲波發(fā)生器自身功率等多方面因素影響所致。但由圖可以看出隨著流量的增大，超聲波除垢效率隨之增加。尤其是流量在 30L/h 到 60L/h 之間除垢效果增加明顯，而當(dāng)流量大于 60L/h 時(shí)，效果不是很明顯。這是因?yàn)榱髁吭黾雍罅魉偻瑯釉黾?，這就加大了機(jī)械作用對污垢的清洗效果。流速增加后，物料對污垢的沖擊力增加，對污垢層的剪切力增加，使得污垢邊緣層逐漸變薄，有助于對污垢的清除。而當(dāng)流速增加到一定值時(shí)，物料在換熱器內(nèi)湍流效果增加，空化效果 作用降低，使得除垢效果不是很明顯。 圖 36 進(jìn)料流量對傳熱系數(shù)的影響 傳熱溫差對傳熱系數(shù)的影響 圖 37 給出進(jìn)料溫度為 60℃，流量為 60L/h，超聲波功率密度分別為 0w/m2和為 08w/。由圖可以看出，超聲波蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)隨著傳熱溫差的增大先是緩慢減小，隨后突然減小。這是因?yàn)殡S著傳熱溫差的增大，換熱管內(nèi)氣泡的過熱度增加，導(dǎo)致?lián)Q熱額強(qiáng)度降低。但是隨著傳熱溫差的繼續(xù)增大，由核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｊ椒序v。蒸發(fā)管壁面氣模的厚度增大，使得氣相液相的熱阻變大，且 由努賽爾數(shù)公式可知傳熱強(qiáng)度的降低，使得液膜之間的傳熱遭到阻礙，加劇了傳熱系數(shù)的降低。由圖中可以看出，當(dāng)有超聲波存在時(shí)，傳熱溫差對超聲式蒸發(fā)器傳熱系數(shù)的影響也同樣相同。但是有超聲波存在時(shí)，傳熱系數(shù)得到明顯的提高。無論傳熱溫差如何變化，有超聲波時(shí)的傳熱系數(shù)都是隨著其變化趨勢而改變的。由圖中可以看出，無論超聲式蒸發(fā)器傳熱系數(shù)隨著傳熱溫差怎么變化，超聲波對傳熱系數(shù)的影響都十分顯著，傳熱系數(shù)的變化趨勢都很明顯，這就說明超聲波對傳熱系數(shù)的提高有著顯著地作用，對提高換熱氣效率起到一定的作用。 天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 24 圖 37 傳熱溫差對 傳熱系數(shù)的影響 超聲波功率密度對傳熱系數(shù)的影響 圖 38 給出保證蒸汽的溫度為 100℃，進(jìn)料溫度為 500℃，物料的流量為 60L/h，超聲式蒸發(fā)器傳熱效率隨著超聲波功率密度的變化趨勢。從圖中可以看出，保持其他操作環(huán)境不變的實(shí)驗(yàn)條件下，隨著超聲波功率密度從 0w/m2 增加到㎡ 的過程中，超聲式換熱器的傳熱系數(shù)得到顯著地提高，從 2022w/ 增加到 2500w/。這是因?yàn)椋暡üβ拭芏炔粩嗟氐脑黾?，超聲波空化效果提高，換熱管內(nèi)正在空化的氣泡在不停的震動(dòng)以及自身的崩破 所產(chǎn)生的微射流對換熱管表面產(chǎn)生清洗作用，增加了換熱管表面的清潔程度，使換熱管表面的老化速度得以減慢，對設(shè)備有保護(hù)作用，在保護(hù)的同時(shí)還能提高傳熱效率。隨著超聲波功率密度的增加，傳熱系數(shù)得到增加 。 這是因?yàn)槌暡▽栈饔孟碌臍馀莸臍馀莺似鸬搅死?、壓縮的作用 。 在這一拉一縮的往復(fù)運(yùn)動(dòng)下，加速了其氣泡核的運(yùn)動(dòng)及其破裂，加大了液體與氣化泡壓力差幅度，從而降低了氣泡核的成核勢壘。在相同的時(shí)間段內(nèi)，氣泡的形成數(shù)量及氣泡的生成速度增加?？栈饔猛瑫r(shí)促進(jìn)了氣泡脫離原先運(yùn)動(dòng)軌跡的速度，降低了溶液的表面張力 [21]，加快了換熱器 表面的流體流動(dòng)速率，增加了蒸發(fā)器內(nèi)部物料的整體流動(dòng)速度和內(nèi)部能量交換的速度，從而強(qiáng)化了傳熱效果。 但隨著超聲波功率密度的增加，換熱管內(nèi)的空化效果減弱，導(dǎo)致空化氣泡的運(yùn)動(dòng)得到抑制，所以換熱效率提高的不太明顯。 天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 25 圖 38 超聲波功率密度對傳熱系數(shù)的影響 中心復(fù)合實(shí)驗(yàn) 中心復(fù)合法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 表 31 表示采用中心復(fù)合法，研究蒸發(fā)溫度、處理量、超聲波功率密度以及傳熱溫差與傳熱系數(shù)之間的關(guān)系。 表 31 中心復(fù)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄 標(biāo)準(zhǔn)序號(hào) 實(shí)驗(yàn)序號(hào) 蒸發(fā)溫度 處理量 功率密度 傳熱溫差 傳 熱系數(shù) 17 24 65 35 30 1 1 70 30 25 3 2 70 40 25 1036 5 3 70 30 25 1037 7 4 70 40 25 9 5 70 30 35 11 6 70 40 35 13 7 70 30 35 15 8 70 40 35 19 9 75 20 30 20 10 75 45 30 21 19 75 35 0 30 22 20 75 35 30 23 21 75 35 20 天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 26 24 22 75 35 40 675 25 23 75 35 30 26 26 75 35 30 27 27 75 35 30 926 28 28 75 35 30 29 29 75 35 30 30 30 75 35 30 31 31 75 35 30 2 11 80 30 25 4 12 80 40 25 6 13 80 30 25 8 14 80 40 25 10 15 80 30 25 12 16 80 40 35 14 17 80 30 35 16 18 80 40 35 18 25 85 35 30 中心復(fù)合法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)勢 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)概述 中心復(fù)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是在二水平全因子和分步驟實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上衍生出來的一種新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，他是二水平全因子和分步驟實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的拓展。它與二水平全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不同之處在于它增加了一個(gè)因子，也就是增加了一個(gè)水平，從而可以更好的、更清晰準(zhǔn)確的表示出評價(jià)指標(biāo)與各因子之間的非線性關(guān)系。由于其擁有這個(gè)優(yōu)勢，現(xiàn)在許多非線性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都采用這種方式。而次試驗(yàn)采用中心復(fù)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，可以在傳熱系數(shù)及其敏感的最佳 實(shí)驗(yàn)條件附近，各個(gè)因子即使是及其微小的變化也可能導(dǎo)致傳熱系數(shù)發(fā)生較大