陳啟東 顧澤堃 張 斌

（1.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院；2.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

噴霧閃蒸是指高溫高壓液體工質(zhì)從噴嘴射入低于其自身飽和蒸汽壓的容器中，形成均勻的霧狀液滴，液滴由于處于非平衡過熱狀態(tài)而發(fā)生劇烈汽化，同時(shí)伴隨爆炸性的破碎、霧化，即所謂閃蒸霧化現(xiàn)象［1］。

閃蒸與普通蒸發(fā)不同，不需要熱源使液體的溫度升高達(dá)到過熱，而是由于壓力降低瞬間使液體整體達(dá)到過熱狀態(tài)。 該過程產(chǎn)生大量蒸汽，溫降明顯，具有速度快、能耗低、分離效果好及冷卻能力強(qiáng)等優(yōu)勢，因此廣泛應(yīng)用于需要大量蒸汽或快速冷卻的工業(yè)生產(chǎn)中［2，3］。

綜合來看，對(duì)噴霧閃蒸的研究主要針對(duì)改變供水初始溫度、閃蒸室環(huán)境壓力及噴嘴孔徑等來觀察閃蒸霧化的效果［4～9］。前人所設(shè)計(jì)的閃蒸室都是大型閃蒸圓柱形罐，體積較大，液滴在閃蒸蒸發(fā)時(shí)停留時(shí)間較長，但筆者所設(shè)計(jì)的閃蒸室體積較小， 為了增加液滴在閃蒸室內(nèi)的停留時(shí)間，在設(shè)計(jì)時(shí)增加旋流葉片，這對(duì)提高液滴的蒸發(fā)和霧化效果有一定的促進(jìn)作用［10～12］，為液體在后續(xù)的旋風(fēng)分離器中進(jìn)行二次蒸發(fā)、分離打下基礎(chǔ)。

1 閃蒸室結(jié)構(gòu)與閃蒸特性

閃蒸室尺寸結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分如圖1所示，閃蒸室由上下兩個(gè)錐體部分組成，由法蘭連接。 葉片焊接在軸套上，按照設(shè)計(jì)好的葉片數(shù)量和螺旋角度焊接在軸套上，軸套套在固定桿上，由固定螺母固定，固定桿與閃蒸室上半部分焊接。 閃蒸室最大直徑0.5m，整體高約為1.6m，噴嘴與閃蒸室上錐體用法蘭連接，葉片用于增加液體閃蒸霧化蒸發(fā)。 此模型采用Mesh軟件劃分網(wǎng)格，并對(duì)噴嘴和葉片處進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理。

圖1 閃蒸室尺寸結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分

閃蒸效果的主要性能指標(biāo)包括閃蒸效率、不平衡溫差、不平衡分?jǐn)?shù)以及粒徑的大小、分布等。

閃蒸效率η的計(jì)算方法如下［13］：

式中 mev——蒸發(fā)量；

m0——噴霧量。

不平衡溫差（NETD）［14］是指液體在閃蒸過程中，閃蒸室內(nèi)的氣液是存在不平衡現(xiàn)象的。 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，閃蒸室內(nèi)液體的溫度要略高于閃蒸蒸汽的溫度。 其計(jì)算公式如下：

式中 Tv——閃蒸室內(nèi)壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度；

T0——未蒸發(fā)液滴的出口溫度。

不平衡分?jǐn)?shù)（NEF）初始定義如下：

式中 mv（t）——t時(shí)刻的閃蒸質(zhì)量，kg；

mv（∞）——理想情況下的閃蒸質(zhì)量，kg。

2 計(jì)算模型及計(jì)算方法

2.1 連續(xù)相控制方程

將液滴蒸發(fā)出來的蒸汽視為連續(xù)相，且為不可壓縮的理想氣體。 基于N-S方程，閃蒸室內(nèi)蒸汽的質(zhì)量方程、能量方程、動(dòng)量方程和組分方程可以用控制方程的通用表達(dá)式表示為：

式中 u——水蒸氣流速；

Sφ——源項(xiàng)， 包括氣相作用源項(xiàng)和氣相與液滴間的作用源項(xiàng)；

?！獜V義擴(kuò)散系數(shù)；

ρ——水蒸氣密度；

φ——通用變量，代表水蒸氣的速度、焓、湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率等。

2.2 離散相控制方程

將液滴相看作離散相，在拉格朗日坐標(biāo)下模擬流場。 本研究采用隨機(jī)軌道模型模擬其運(yùn)動(dòng)過程，并假設(shè)液滴為球形液滴，因?yàn)橐旱闻c蒸汽密度比大，并忽略液滴的旋轉(zhuǎn)和作用在液滴上的虛擬質(zhì)量力、壓力梯度力、熱泳力及升力等，只考慮液滴的重力和曳力，其運(yùn)動(dòng)方程的表達(dá)式為：

式中 CD——曳力系數(shù)；

dp——液滴直徑，m；

Re——液滴雷諾數(shù)；

u——蒸汽速度，m/s；

up——液滴速度，m/s；

μ——流體動(dòng)力粘度，Pa·s；

ρ——蒸汽密度，kg/m3；

ρp——液滴密度，kg/m3。

2.3 氣液兩相間傳熱傳質(zhì)方程

液滴閃蒸相變過程可以認(rèn)為一部分水吸熱汽化為水蒸氣， 氣液兩相之間發(fā)生傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象。 根據(jù)擴(kuò)散控制蒸發(fā)模型，液滴的蒸發(fā)率如下：

式中 Dv——液滴在水蒸氣中的傳質(zhì)擴(kuò)散速度；

M——水的摩爾質(zhì)量，g/mol；

pd（Td）——液滴表面溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓，Pa；

p∞——環(huán)境壓力；

R——通用氣體常數(shù)，J/（mol·K）；

Td——液滴表面溫度，K；

T∞——環(huán)境溫度，K。

無限空間中液滴的溫度將通過平衡由于其蒸發(fā)引起的潛熱損失和由于液滴表面與周圍環(huán)境之間的溫度差異導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)來確定。 如果液滴小到100μm， 可以假設(shè)液滴中的自然對(duì)流忽略不計(jì)。 那么，液滴溫度變化速率是：

式中 Cpl——液滴的定壓比熱容；

hfg——汽化潛熱。

2.4 求解方法與邊界條件

湍流模型設(shè)置為Realizable k-ε模型， 此模型適合的流動(dòng)類型比較廣泛， 包括旋均勻剪切流、自由流、腔道流動(dòng)、邊界層流動(dòng)及有分離的流動(dòng)等。 連續(xù)相是在歐拉坐標(biāo)系下采用封閉連續(xù)相控制方程組進(jìn)行描述，采用控制容積有限差分法進(jìn)行方程離散， 利用SIMPLE有限差分算法求解；離散相是在拉格朗日坐標(biāo)下采用DPM模型和隨機(jī)軌道模型追蹤霧滴的軌跡。

連續(xù)相入口條件設(shè)為質(zhì)量流量入口，流量設(shè)為0， 離散相以壓力旋流噴嘴的形式噴射入閃蒸室。 連續(xù)相出口采用壓力出口，壓力大小設(shè)為閃蒸室內(nèi)部壓強(qiáng)， 此處為50kPa， 離散相出口采用escape邊界條件， 即液滴運(yùn)動(dòng)值與出口接觸從計(jì)算域內(nèi)消失。

連續(xù)相邊界條件設(shè)置為無滑移固定固體壁面，壁面絕熱與環(huán)境溫度一致，為81℃，近壁區(qū)處理用Scalable壁面函數(shù)法，認(rèn)為壁面絕熱。 對(duì)于噴霧液滴，在筒體壁面采用“reflect”邊界條件，即切向恢復(fù)系數(shù)設(shè)為1，法向恢復(fù)系數(shù)設(shè)為0。

3 計(jì)算結(jié)果及討論

3.1 不同葉片數(shù)量對(duì)閃蒸特性的影響

在水噴霧流量為500kg/h、初溫為130℃、閃蒸環(huán)境壓力為60kPa的工況下，葉片角度為45°時(shí)，研究不同葉片數(shù)量對(duì)閃蒸特性的影響。

圖2給出了由于不同數(shù)量葉片的作用， 閃蒸室內(nèi)液體不平衡分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律。 可以看出不平衡分?jǐn)?shù)主要分為兩個(gè)階段：第1階段NEF飛快下降，閃蒸大部分在此階段完成；而第2階段下降緩慢。 可以看出，由于葉片數(shù)量的增加，第1階段和第2階段NEF均有較大下降，由于葉片數(shù)量的增多， 有更多的液滴和水蒸氣在閃蒸室內(nèi)停留，增加停留時(shí)間。 氣體在葉片處微循環(huán)，增加氣液兩相的接觸反應(yīng)次數(shù)。結(jié)束時(shí)，無葉片時(shí)NEF接近于0.572，有6片葉片時(shí)NEF接近于0.300，差距非常大。 圖3給出了不同葉片數(shù)量對(duì)不平衡溫差的影響，由于葉片數(shù)量的增加，氣液兩相流反應(yīng)更為充分，閃蒸反應(yīng)程度加大，氣液溫差降低。 同樣，無葉片不平衡溫差大概是6片葉片的兩倍，6片葉片不平衡溫差為2.61℃。 證明了閃蒸室內(nèi)放置葉片的必要性。

圖2 在不同葉片數(shù)量下NEF隨時(shí)間的變化

圖3 不同葉片數(shù)量對(duì)NETD的影響

圖4為不同葉片數(shù)量的閃蒸效率隨時(shí)間的變化，隨著葉片數(shù)的增加，液滴與水蒸氣接觸次數(shù)增多，在閃蒸室內(nèi)停留時(shí)間增加，使得反應(yīng)更為平衡，有更多的液滴蒸發(fā)為水蒸氣從出口處流出。 6片葉片蒸發(fā)率比無葉片高出2.40%，為6.35%。 可見葉片對(duì)液滴蒸發(fā)有著很大的促進(jìn)作用。 圖5為不同葉片數(shù)量對(duì)出口液滴粒徑的影響，在6葉片作用下液滴直徑也比無葉片的減少10.10μm，為66.01μm。相比之下液滴蒸發(fā)霧化情況良好。

圖4 不同葉片數(shù)量的閃蒸效率隨時(shí)間的變化

圖5 不同葉片數(shù)量對(duì)出口液滴粒徑的影響

3.2 不同葉片角度對(duì)閃蒸特性的影響

在水噴霧流量為500kg/h、初溫為130℃、閃蒸環(huán)境壓力為60kPa的工況下， 葉片數(shù)量為6片時(shí)，研究不同葉片角度對(duì)閃蒸特性的影響。

圖6為不同葉片角度的NEF隨時(shí)間的變化，可以看出， 隨著葉片角度的增加，NEF不斷降低，在葉片螺旋角為35°時(shí)，降到了最低，為0.226，后面隨著角度的增加，NEF有所增加。 可以推斷出，流體大多以35°流入葉片。 葉片角度小，液滴停留時(shí)間短，流體與葉片碰撞有較大能量損失，而且大部分沒有從葉片上流過。 葉片角度過大，停留時(shí)間雖有所增加，但由于碰撞有能量損失，閃蒸反應(yīng)有所減緩。 圖7為不同葉片角度對(duì)NETD的影響。 隨著葉片角度的增加，NETD先減少后增加，35°時(shí)降到最低，為1.67℃。

圖6 不同葉片角度的NEF隨時(shí)間的變化

圖7 不同葉片角度對(duì)NETD的影響

圖8為不同葉片角度的閃蒸效率隨時(shí)間的變化，可以看出閃蒸在很短時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生大量水蒸氣，后隨著時(shí)間的推移緩慢蒸發(fā)。 隨著葉片角度的增加，蒸發(fā)率先增大后減小，最大為7.1%，最低為5.9%， 說明適合的葉片角度有助于閃蒸蒸發(fā)。圖9為不同葉片角度對(duì)出口液滴粒徑的影響，隨著葉片角度的增加， 出口液滴粒徑先減小后增大，在35°時(shí)粒徑最小，達(dá)到了62.18μm。

圖8 不同葉片角度的閃蒸效率隨時(shí)間的變化

圖9 不同葉片角度對(duì)出口液滴粒徑的影響

4 結(jié)束語

通過對(duì)閃蒸室內(nèi)部噴霧場、流場和傳熱傳質(zhì)進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)螺旋葉片安裝在閃蒸室內(nèi)增加液滴霧化蒸發(fā)效果。 結(jié)果表明，在噴嘴孔處（即閃蒸反應(yīng)初期）發(fā)生劇烈的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，螺旋葉片數(shù)量越多， 不平衡分?jǐn)?shù)和不平衡溫差越低，閃蒸效率越高， 出口處液滴蒸發(fā)霧化效果越好，葉片數(shù)量的增加可以提高閃蒸效果；葉片角度為從15°增加到45°時(shí)， 不平衡分?jǐn)?shù)和不平衡溫差均先降低后增大，而閃蒸效率和出口處液滴蒸發(fā)霧化效果均先增大后減小，這些評(píng)判閃蒸效果的參數(shù)均在葉片角度為35°時(shí)達(dá)到峰值，說明合適的葉片角度可以提高閃蒸效果。