噴霧閃蒸中旋流葉片對閃蒸特性的影響

陳啟東 顧澤堃 張 斌

（1.常熟理工學院機械工程學院；2.蘇州大學機電工程學院）

噴霧閃蒸是指高溫高壓液體工質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而發生劇烈汽化，同時伴隨爆炸性的破碎、霧化，即所謂閃蒸霧化現象［1］。

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

綜合來看，對噴霧閃蒸的研究主要針對改變供水初始溫度、閃蒸室環境壓力及噴嘴孔徑等來觀察閃蒸霧化的效果［4～9］。前人所設計的閃蒸室都是大型閃蒸圓柱形罐，體積較大，液滴在閃蒸蒸發時停留時間較長，但筆者所設計的閃蒸室體積較小， 為了增加液滴在閃蒸室內的停留時間，在設計時增加旋流葉片，這對提高液滴的蒸發和霧化效果有一定的促進作用［10～12］，為液體在后續的旋風分離器中進行二次蒸發、分離打下基礎。

1 閃蒸室結構與閃蒸特性

閃蒸室尺寸結構和網格劃分如圖1所示，閃蒸室由上下兩個錐體部分組成，由法蘭連接。 葉片焊接在軸套上，按照設計好的葉片數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。 此模型采用Mesh軟件劃分網格，并對噴嘴和葉片處進行了網格加密處理。

圖1 閃蒸室尺寸結構和網格劃分

閃蒸效果的主要性能指標包括閃蒸效率、不平衡溫差、不平衡分數以及粒徑的大小、分布等。

閃蒸效率η的計算方法如下［13］：

式中 mev——蒸發量；

m0——噴霧量。

不平衡溫差（NETD）［14］是指液體在閃蒸過程中，閃蒸室內的氣液是存在不平衡現象的。 通過實驗發現，閃蒸室內液體的溫度要略高于閃蒸蒸汽的溫度。 其計算公式如下：

式中 Tv——閃蒸室內壓力對應的飽和溫度；

T0——未蒸發液滴的出口溫度。

不平衡分數（NEF）初始定義如下：

式中 mv（t）——t時刻的閃蒸質量，kg；

mv（∞）——理想情況下的閃蒸質量，kg。

2 計算模型及計算方法

2.1 連續相控制方程

將液滴蒸發出來的蒸汽視為連續相，且為不可壓縮的理想氣體。 基于N-S方程，閃蒸室內蒸汽的質量方程、能量方程、動量方程和組分方程可以用控制方程的通用表達式表示為：

式中 u——水蒸氣流速；

Sφ——源項， 包括氣相作用源項和氣相與液滴間的作用源項；

Γ——廣義擴散系數；

ρ——水蒸氣密度；

φ——通用變量，代表水蒸氣的速度、焓、湍動能及湍動能耗散率等。

2.2 離散相控制方程

將液滴相看作離散相，在拉格朗日坐標下模擬流場。 本研究采用隨機軌道模型模擬其運動過程，并假設液滴為球形液滴，因為液滴與蒸汽密度比大，并忽略液滴的旋轉和作用在液滴上的虛擬質量力、壓力梯度力、熱泳力及升力等，只考慮液滴的重力和曳力，其運動方程的表達式為：

式中 CD——曳力系數；

dp——液滴直徑，m；

Re——液滴雷諾數；

u——蒸汽速度，m/s；

up——液滴速度，m/s；

μ——流體動力粘度，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方程

液滴閃蒸相變過程可以認為一部分水吸熱汽化為水蒸氣， 氣液兩相之間發生傳熱傳質現象。 根據擴散控制蒸發模型，液滴的蒸發率如下：

式中 Dv——液滴在水蒸氣中的傳質擴散速度；

M——水的摩爾質量，g/mol；

pd（Td）——液滴表面溫度對應的飽和蒸汽壓，Pa；

p∞——環境壓力；

R——通用氣體常數，J/（mol·K）；

Td——液滴表面溫度，K；

T∞——環境溫度，K。

無限空間中液滴的溫度將通過平衡由于其蒸發引起的潛熱損失和由于液滴表面與周圍環境之間的溫度差異導致的熱傳導來確定。 如果液滴小到100μm， 可以假設液滴中的自然對流忽略不計。 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

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

連續相入口條件設為質量流量入口，流量設為0， 離散相以壓力旋流噴嘴的形式噴射入閃蒸室。 連續相出口采用壓力出口，壓力大小設為閃蒸室內部壓強， 此處為50kPa， 離散相出口采用escape邊界條件， 即液滴運動值與出口接觸從計算域內消失。

連續相邊界條件設置為無滑移固定固體壁面，壁面絕熱與環境溫度一致，為81℃，近壁區處理用Scalable壁面函數法，認為壁面絕熱。 對于噴霧液滴，在筒體壁面采用“reflect”邊界條件，即切向恢復系數設為1，法向恢復系數設為0。

3 計算結果及討論

3.1 不同葉片數量對閃蒸特性的影響

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

圖2給出了由于不同數量葉片的作用， 閃蒸室內液體不平衡分數隨時間變化的規律。 可以看出不平衡分數主要分為兩個階段：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，由于葉片數量的增多， 有更多的液滴和水蒸氣在閃蒸室內停留，增加停留時間。 氣體在葉片處微循環，增加氣液兩相的接觸反應次數。結束時，無葉片時NEF接近于0.572，有6片葉片時NEF接近于0.300，差距非常大。 圖3給出了不同葉片數量對不平衡溫差的影響，由于葉片數量的增加，氣液兩相流反應更為充分，閃蒸反應程度加大，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℃。 證明了閃蒸室內放置葉片的必要性。

圖2 在不同葉片數量下NEF隨時間的變化

圖3 不同葉片數量對NETD的影響

圖4為不同葉片數量的閃蒸效率隨時間的變化，隨著葉片數的增加，液滴與水蒸氣接觸次數增多，在閃蒸室內停留時間增加，使得反應更為平衡，有更多的液滴蒸發為水蒸氣從出口處流出。 6片葉片蒸發率比無葉片高出2.40%，為6.35%。 可見葉片對液滴蒸發有著很大的促進作用。 圖5為不同葉片數量對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。相比之下液滴蒸發霧化情況良好。

圖4 不同葉片數量的閃蒸效率隨時間的變化

圖5 不同葉片數量對出口液滴粒徑的影響

3.2 不同葉片角度對閃蒸特性的影響

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

圖6為不同葉片角度的NEF隨時間的變化，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，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，停留時間雖有所增加，但由于碰撞有能量損失，閃蒸反應有所減緩。 圖7為不同葉片角度對NETD的影響。 隨著葉片角度的增加，NETD先減少后增加，35°時降到最低，為1.67℃。

圖6 不同葉片角度的NEF隨時間的變化

圖7 不同葉片角度對NETD的影響

圖8為不同葉片角度的閃蒸效率隨時間的變化，可以看出閃蒸在很短時間內，產生大量水蒸氣，后隨著時間的推移緩慢蒸發。 隨著葉片角度的增加，蒸發率先增大后減小，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。圖9為不同葉片角度對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°時粒徑最小，達到了62.18μm。

圖8 不同葉片角度的閃蒸效率隨時間的變化

圖9 不同葉片角度對出口液滴粒徑的影響

4 結束語

通過對閃蒸室內部噴霧場、流場和傳熱傳質進行分析，并設計螺旋葉片安裝在閃蒸室內增加液滴霧化蒸發效果。 結果表明，在噴嘴孔處（即閃蒸反應初期）發生劇烈的傳熱傳質現象，螺旋葉片數量越多， 不平衡分數和不平衡溫差越低，閃蒸效率越高， 出口處液滴蒸發霧化效果越好，葉片數量的增加可以提高閃蒸效果；葉片角度為從15°增加到45°時， 不平衡分數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霧化效果均先增大后減小，這些評判閃蒸效果的參數均在葉片角度為35°時達到峰值，說明合適的葉片角度可以提高閃蒸效果。