循環噴霧閃蒸影響因素的實驗研究

馬龍潭 楊開敏 季璨

(1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南250013；2.山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101；3.齊魯工業大學(山東省科學院)山東省科學院能源研究所，山東濟南250014)

0 引言

閃蒸是液體經歷壓力突降時的快速汽化現象，具有效率高、能耗低等優勢，近年來在海水淡化、冷卻、干燥等領域得到了廣泛應用[1-3]。同時，閃蒸所具備的節能環保、可充分利用低品位熱能的特點，在水泥、鋼鐵、有色冶金等高耗能行業的余熱回收方面展現出良好的應用前景[4]。

國內外對閃蒸的研究始于20世紀60年代。Miyatake等[5]是研究池水閃蒸現象與機理的先驅，發現池水閃蒸包含快速沸騰階段和表面蒸發階段，提出衡量閃蒸過程溫度變化和完成程度的2個重要參數:不平衡溫差 NETD(Nonequilibrium Temperature Difference)和不平衡分數 NEF(Nonequilibrium Fraction)。Saury等[6-7]開展了水膜和池水閃蒸實驗，探討了溫度、壓力、過熱度、初始水位等因素對閃蒸蒸發量的影響，并估算了閃蒸現象的持續時間。Mutair等[8-9]在一系列射流閃蒸實驗中，觀察了流動狀況對閃蒸射流特性和閃蒸強度的影響，提出了預測射流中心線溫度變化的指數型衰減曲線，并擬合出預測閃蒸結束位置的經驗公式，發現即使過熱度很低，閃蒸仍表現出較高的效率。張友森等[10]通過實驗研究了純水循環閃蒸過程中顯熱轉化率隨進口過熱度的變化規律。程文龍等[11]研究了不同參數對真空噴霧閃蒸冷卻的影響，得出了噴霧閃蒸冷卻的換熱特性曲線，并分析了能夠實現最優散熱量的最佳噴霧高度和流量。周致富等[12-13]通過實驗對帶有不同膨脹腔噴嘴制冷劑閃蒸噴霧特性展開研究，分析膨脹腔結構與霧化錐角的關系，并探究閃蒸瞬態噴霧冷卻表面動態傳熱特性。楊慶忠等[14]探討了不同初始條件下NaCl溶液靜態閃蒸過程中蒸發質量的變化規律，并提出蒸發質量的無量綱關聯式。梁婷等[15]和王輝輝等[16]利用高速攝像技術探究純水靜態閃蒸特性，分析不同壓降速率下純水靜態閃蒸起始階段氣泡群的分布規律，并研究了不同參數條件下液膜高度的演變規律。

綜上所述，國內外對閃蒸的研究大多針對較低初始溫度和負壓環境下的池水和水膜閃蒸、以及真空環境下的噴霧閃蒸等。而對于在余熱發電領域有廣闊應用前景的初始溫度＞100℃、閃蒸壓力為正壓的噴霧閃蒸，則缺乏專門的實驗研究。因此，文章以水的高溫高壓噴霧閃蒸為研究對象展開一系列實驗，研究初始溫度、閃蒸壓力、供水流量等因素對閃蒸特性的影響，為閃蒸在余熱回收領域的應用提供參考。

1 實驗系統與步驟

1.1 實驗系統

閃蒸實驗系統主要由加熱裝置、閃蒸系統、補水系統、數據采集系統組成，如圖1所示。系統的具體工藝流程為:除氧水經U型立式直流余熱鍋爐加熱至合適溫度，通過噴嘴噴入閃蒸罐，發生噴霧閃蒸。閃蒸產生的蒸汽通過罐體上部的蒸汽管道輸送至集汽箱，未蒸發的水和來自除氧水箱的補水一起，通過罐體下部的排水管道輸送至余熱鍋爐省煤器，開始新一輪的循環。

圖1 閃蒸系統示意圖

實驗臺全貌如圖2所示。實驗系統的核心部件——閃蒸罐屬于壓力容器，工作介質是水和蒸汽。其本體結構包括:殼體、封頭、進水裝置、排水及排汽裝置、汽水分離裝置、人孔、接管、吊耳和支座等；主要附件有安全閥、壓力表、溫度計、水位計等。閃蒸罐筒體和封頭材料為Q345R，連接管道材料為20號鋼，外部均包覆厚度為100 mm的硅酸鋁針刺毯保溫材料。

圖2 實驗臺全貌圖

閃蒸系統各部分均按需安裝有用于測量溫度、壓力、流量的儀表，儀表的具體信息見表1，測量儀表如圖3所示。

表1 測量儀表信息表

1.2 實驗步驟

開始實驗前，檢查實驗系統各設備是否正常。檢查工作主要針對3個部分:鍋爐側、閃蒸罐本體側和測試設備側。檢查各部分的閥門能否正常開啟和關閉，測試設備是否連接正常、儀表能否正常使用、數據采集設備是否正常工作等。在確保各設備均正常運行后，按照《鍋爐操作規程》啟動余熱鍋爐。待其正常運行后，開始進行變工況實驗。

圖3 測量儀表圖

實驗采用控制變量法，分別研究液體過熱度、閃蒸壓力、供水流量、噴射方向和噴嘴尺寸對閃蒸的影響，實驗參數的變化范圍見表2。

表2 實驗參數變化范圍表

具體實施步驟如下:

(1)以液體過熱度為變量時，保持閃蒸罐供水流量不變，通過調節余熱鍋爐引風機頻率來調節煙氣量，將閃蒸罐供水加熱至不同目標溫度。

(2)以閃蒸壓力為變量時，保持閃蒸罐供水溫度和流量不變，將閃蒸罐內壓力設定為不同的目標值，接收此信號的電動執行機構會根據罐內壓力信號，自動調節蒸汽管道上電動調閥的開度，以使罐內壓力保持在設定值。

(3)以供水流量為變量時，保持閃蒸罐供水溫度和閃蒸壓力不變，通過調節供水管道閥門開度調節供水流量。

(4)以噴射方向為變量時，保持供水溫度、流量及閃蒸壓力不變，通過切換不同管路，實現流體向上或向下噴射。

(5)以噴嘴尺寸為變量時，更換不同噴嘴，在相同的實驗工況下進行閃蒸實驗。

在每次實驗中，待運行穩定后記錄該工況下的閃蒸蒸汽質量流量，并根據式(1)計算閃蒸蒸汽質量流量與供水質量流量之比，即汽化率，由式(1)表示為

式中:η為汽化率；qm，ev、qm，in分別為閃蒸蒸汽質量流量、供水質量流量，t/h。

2 結果與分析

2.1 液體過熱度對閃蒸特性的影響

液體過熱度定義為液體初始溫度與閃蒸壓力對應的飽和溫度之差，由式(2)表示為

式中:ΔTs為液體過熱度，℃；T0為液體初始溫度，℃；Ts為閃蒸壓力對應的飽和溫度，℃。

供水質量流量qm，in為 19 t/h、閃蒸壓力pev為121 kPa、過熱度 ΔTs在 38.0～41.7°C 變化的條件下，閃蒸蒸汽質量流量qm，ev和汽化率η隨過熱度變化的曲線如圖4(a)所示。供水質量流量qm，in為24 t/h、閃蒸壓力pev為121 kPa、過熱度 ΔTs在27.7～31.2℃變化的條件下，閃蒸蒸汽質量流量qm，ev和汽化率η隨過熱度變化的曲線如圖4(b)所示?？梢钥闯?，隨著過熱度的提高，閃蒸蒸汽流量和汽化率均增大。

圖4 蒸汽流量和汽化率隨過熱度的變化圖(pev=121 kPa)

閃蒸壓力為121 kPa、過熱度在27.7～44.6℃范圍內變化時，汽化率的變化曲線如圖5所示?？梢钥闯觯适沁^熱度的增函數，提高過熱度可以強化閃蒸。當液體過熱度增大時，噴嘴內部汽化核心密度增加，氣泡生長速度增大，蒸發加快，促進霧化破碎，使噴嘴產生的噴霧更細。在噴霧液滴蒸發階段，過熱度越大則蒸發越劇烈，液滴越小則蒸發越迅速。此外，在實驗所涉及的范圍內，汽化率隨過熱度近似成比例的提高?？梢哉J為，過熱度是閃蒸的驅動力。

圖5 汽化率隨過熱度的變化圖(pev=121 kPa)

采用線性擬合方法，得出汽化率與過熱度之間的經驗公式，由式(3)表示為

2.2 閃蒸壓力對閃蒸特性的影響

將閃蒸罐內壓力分別保持在126、131、136、141和146 kPa，液體初始溫度為145℃的條件下，供水質量流量分別為11、20 t/h時，蒸汽質量流量和汽化率的變化曲線如圖6所示。

可以看出，隨著閃蒸罐內壓力的提高，閃蒸蒸汽質量流量和汽化率均減小。這可以解釋為，當閃蒸壓力提高時，其對應的飽和溫度相應提高，在液體初始溫度不變的前提下，液體過熱度降低，閃蒸的動力減小，而噴嘴進出口壓差減小，噴嘴霧化效果降低。所以閃蒸過程減弱，產汽量和汽化率均降低。

2.3 供水流量對閃蒸特性的影響

當液體初始溫度為146℃、閃蒸壓力為121 kPa時，閃蒸蒸汽質量流量隨供水質量流量變化如圖7所示?？梢钥闯觯S著供水流量的增加，蒸汽流量也近似成比例的增大。這說明當前閃蒸系統的設計能夠滿足較大流量范圍的使用要求。

圖6 蒸汽流量和汽化率隨閃蒸壓力的變化圖

圖7 蒸汽流量隨供水流量的變化圖

2.4 噴射方向對閃蒸特性的影響

為滿足不同條件下的運行要求，閃蒸罐內部設置了向下和向上2路供水管道。在相同實驗條件下，向下噴射和向上噴射時閃蒸蒸汽量對比如圖8所示。可以看出，向下噴射的產汽量均高于向上噴射。向上噴射時，部分較小的液滴可能在尚未完成閃蒸，即被罐內上升的蒸汽流攜帶出閃蒸罐；而向下噴射時，液滴在罐內的停留時間得以延長，蒸發進行的更加充分。實驗中觀察到的現象與上述分析相印證:在向上噴射的工況下，閃蒸蒸汽帶水較為明顯；而在向下噴射時，蒸汽則無明顯的帶水現象。綜合來看，實際應用中推薦向下噴射，因其兼具產汽量高、帶水量少、覆蓋完全、能充分利用罐內空間等優勢。

圖8 向下噴射和向上噴射的蒸汽量—過熱度曲線圖(qm，in=15 t/h)

2.5 噴嘴尺寸對閃蒸特性的影響

為研究噴嘴尺寸對閃蒸的影響，在實驗用噴嘴的基礎上，另外選取了3個類型相同、尺寸不同的噴嘴。將實驗用噴嘴編號為1，其余3個編號為2、3、4。噴嘴主要尺寸見表3。

表3 噴嘴主要尺寸表

分別使用上述4個噴嘴進行實驗，在相同的實驗工況下(T0=145℃)，使用不同噴嘴的閃蒸蒸汽量見表4。隨著噴嘴尺寸的減小，閃蒸蒸汽量亦減少。使用1、2號噴嘴時，蒸發情況相差不大，但使用3、4號噴嘴時，蒸發情況明顯削弱。噴嘴尺寸對蒸發的影響表現為兩種相互競爭、作用相反的機制:(1)噴嘴尺寸減小，霧化液滴粒徑減小，較細的噴霧可以在更短時間內完成蒸發；(2)噴嘴尺寸減小，噴出液體的流速增大，使液體在閃蒸罐內的停留時間縮短，很可能來不及完成閃蒸就排出罐外。由實驗結果來看，1、2號噴嘴能夠使液體在有限的時間內完成蒸發，而3、4號噴嘴因流速增加的不利影響超過了粒徑減小的有利影響，而無法滿足實驗的要求。因此在工程應用中，應綜合考慮容器大小、噴嘴特性等因素來選取合適的噴嘴。

表4 噴嘴尺寸對蒸汽產量的影響表(T0=145℃)

3 結論

以閃蒸在余熱發電領域的應用為出發點，以工業余熱為熱源，基于大型閃蒸實驗平臺，進行循環噴霧閃蒸變工況實驗，研究不同因素對閃蒸特性的影響，總結閃蒸蒸汽流量和汽化率的變化規律，主要結論如下:

(1)閃蒸蒸汽流量和汽化率隨過熱度的提高而增大，隨閃蒸壓力的提高而減小，供水流量的改變會成比例的改變閃蒸蒸汽流量；

(2)液體向下噴射的閃蒸效果優于向上噴射，噴嘴尺寸的減小使噴霧液滴粒徑減小，同時縮短了液體在閃蒸罐內停留時間，實際應用中應綜合考慮容器大小、噴嘴特性等因素來選取合適的噴嘴。