低溫多效海水淡化蒸發器內流動阻力的分析

馮寅

摘 要：以低溫多效海水淡化（LT-MED）蒸發器內蒸汽流動阻力為研究對象，介紹了管內阻力、管束阻力和除沫器阻力，分析了影響阻力的因素。

關鍵詞：海水淡化；蒸發器；阻力

引言

海水淡化的方法多種多樣，其中LT-MED由于預處理要求低、耗能小等優點，已被廣泛應用。作為LT-MED系統的關鍵設備，水平管降膜蒸發器的性能直接影響了系統經濟性。由于蒸發器內蒸汽處于低溫、負壓、飽和狀態，流動阻力引起的壓降會導致溫度變化，進而影響蒸發器的性能。因此需要對流動阻力進行深入研究，尋求降低阻力的辦法，力爭在阻力最小的情況下達到換熱要求。

1 水平管降膜蒸發器

在LT-MED系統中，水平管降膜蒸發器主要由殼體、換熱管束、海水噴嘴、除沫器、蒸汽室、管箱等部分組成（見圖1）。系統運行時，海水噴淋到頂排換熱管上，然后以膜狀形式逐級滴落到下一水平管。蒸汽在管內冷凝放熱，蒸汽凝結水就是生產出的淡水，海水受熱蒸發產生的蒸汽流經除沫器進入下一效蒸發器作為加熱蒸汽。

蒸發器內的流動阻力包括：管內阻力、管束阻力、除沫器阻力、通道內阻力、蒸氣室和管箱內的局部阻力等。其中管內阻力、管束阻力和除沫器阻力是主要的流動阻力。

2 管內阻力

蒸汽在管內冷凝時形成了氣液兩相流動，會產生相應的壓降。如果管內流動阻力過大，根據飽和蒸汽的性質，壓降損失將導致蒸汽在換熱管進口和出口的飽和溫度發生很大變化，凝結過程中的傳熱溫差和傳熱系數也會發生變化。所以管內流動阻力對蒸發器性能影響很大，不容忽視。

為了求解簡化可以通過折算系數把管內氣液兩相流動阻力與單相阻力關聯，先求單相阻力然后折算出兩相阻力[1]：

式中，（△P）l-管內僅為液相時的壓降，Pa；Φ2-兩相摩擦因子；fl-摩擦系數；go-換算系數；L-管長，m；D-管外徑，m；vl-液體流速，m/h。

可以看出，蒸汽在管內的流動阻力隨著管長、蒸汽密度和流速的增加而增大，隨著管徑的增加而減小；由于蒸汽密度、摩擦阻力系數以及馬蒂內利參數都受溫度的影響，因此蒸汽溫度對管內流動阻力的影響很大。

3 管束阻力

在蒸發器內，管外海水受熱蒸發會產生大量蒸汽，蒸汽掠過管束時會產生相應的阻力。噴淋海水沿管束在重力作用下下落，蒸汽流出管束時還要考慮到噴淋海水對其的阻力。管束阻力所造成的壓降會引起蒸發溫度和凝結溫度的改變，進而影響蒸發器的性能。

目前計算水平管降膜蒸發器內管束流動阻力的典型公式為[2]：

（2）

式中，ξ-修正參數；ρ-蒸汽密度，kg/m3；Z-管列數；v-管外蒸汽流速，m/s。

國內學者通過實驗方法擬合出蒸汽橫掠降膜流動水平管束的阻力公式[3]：

式中，μ-噴淋水動力黏度，Pa.s；η-蒸汽動力黏度，Pa.s；Г-噴淋密度，kg/m.s；slo，str-縱、橫向管間距，m。

可以看出，管束阻力隨著蒸汽密度、流速和管列數的增加而增大，由于飽和蒸汽密度和動力黏度都直接受溫度影響，因此溫度對管束阻力影響很大，溫度升高會使得阻力增加。管束阻力還受管束排列方式和噴淋密度的影響。

4 除沫器阻力

管外蒸發產生的蒸汽中會夾帶大量海水液滴，若不將其除去，會影響淡水水質。蒸汽攜帶液滴流經除沫器后，液滴會被攔截而流回蒸發器底部，干蒸汽則通過除沫器進入下一效作為加熱蒸汽。蒸汽流經除沫器引起的壓降將降低凝結溫度，當傳熱溫差很小時，這種變化所帶來的效應就很明顯，因此除沫器阻力對蒸發器性能的影響不可忽視。

蒸發器內蒸汽流經絲網除沫器的流動阻力公式[4]：

（4）

絲網除沫器在濕工況下的壓降計算式[5]：

（5）

式中，ρs-除沫器填充密度，kg/m3；d-絲網直徑，m；v-蒸汽流速，m/s；h-絲網除沫器厚度，m；μg-氣相動力粘度，Pa.s。

有學者[6]將實驗測得的除沫器阻力值同式（5）比較，在蒸汽流速較小時，實驗值與式（5）計算值相差較小，隨著蒸汽流速的增加，差距越來越大。

從式（4）、（5）可以看出，除沫器阻力隨著蒸汽流速和除沫器填充密度的增加而增大，隨著絲網直徑的增大而減小。由于飽和蒸汽的動力粘度隨著溫度的升高而增大，所以除沫器阻力隨著蒸汽溫度的升高而增大。

5 結束語

5.1 管內阻力隨著管長、蒸汽流速和密度增加而增大，隨著管徑增加而減小。

5.2 管束阻力隨著蒸汽溫度、流速和管列數增大而增大，也受管束排列方式和噴淋密度的影響。

5.3 除沫器阻力隨著蒸汽流速和溫度的升高而增大，隨著絲網直徑增大而減小。

蒸汽溫度和流速對各段阻力都有影響，適當降低溫度和流速可以減小阻力。但是降低溫度和流速又會造成換熱效率下降，因此應在保證換熱和降低阻力之間尋求最優值。

參考文獻

[1]尾花英朗.熱交換器設計手冊[M].北京：烴加工出版社，1987：406-408.

[2]Armin G. Energetic perspective in thermal performance of multi-effect distillation[D]. Bremen University，1995.

[3]劉華，沈勝強，龔路遠，劉瑞. 低壓蒸汽橫掠水平降膜管束流動阻力實驗研究[J]. 大連理工大學學報，2013，53（6）：810-815.

[4]Hisham T.El-Dessouky， Imad M.Alatiqi， Hisham M.Ettouney， Noura S.Al-Deffeeri. Performance of wire mesh mist eliminator[J]. Chemical Engineering and Processing， 2000（39），129-139.

[5]Happel J. Viscous flow relative to arrays of cylinders[J].AIChE Journal， 1959，5（2）：174-177.

[6]孫正偉.除沫器流動阻力與分離特性研究[D].碩士學位論文，大連理工大學，2012.