海水淡化絲網(wǎng)除霧器的數(shù)值模擬研究

吳彬彬

(上海電氣電站水務(wù)工程公司，上海 200090)

0 前 言

除霧器是一種典型且常用的氣液分離設(shè)備，主要用于去除氣相中夾帶的各種霧沫和液滴。絲網(wǎng)除霧器在低溫多效蒸餾海水淡化(LT-MED)裝置中應(yīng)用廣泛，通過截留去除二次蒸汽中攜帶的鹽水液滴，保證產(chǎn)品水水質(zhì)，同時(shí)防止液滴對換熱效率產(chǎn)生影響。

受實(shí)驗(yàn)研究操作性差、周期長、成本高等的限制，同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD模擬技術(shù)開始被應(yīng)用于除霧器的分析研究[1][2]。由于除霧器內(nèi)部絲網(wǎng)排布不是完全規(guī)則的，屬于一個(gè)具有復(fù)雜幾何形狀的系統(tǒng)，因此必須對其進(jìn)行物理模型簡化。其中，廣泛應(yīng)用的簡化模型是多孔介質(zhì)模型。

多孔介質(zhì)模型是Fluent軟件中自帶的用于模擬疏松多孔的材料或結(jié)構(gòu)的模型，它采用經(jīng)驗(yàn)公式來定義多孔介質(zhì)上的流動(dòng)阻力。從本質(zhì)上來說，多孔介質(zhì)模型就是在動(dòng)量方程中增加了一個(gè)代表動(dòng)量消耗的源項(xiàng)。多孔介質(zhì)模型在建模時(shí)不需要自己構(gòu)建，只需要?jiǎng)澇鲆粔K區(qū)域，然后在Fluent求解過程中將該區(qū)域設(shè)定為多孔介質(zhì)即可。多孔介質(zhì)模型不對液滴碰撞網(wǎng)絲被截留的過程進(jìn)行模擬，因此無法預(yù)測除霧效率，但其顯著優(yōu)點(diǎn)是模型簡單，求解速度較快，可以很好地模擬蒸汽通過除霧器的流動(dòng)狀況及壓降。

本文采用多孔介質(zhì)模型模擬絲網(wǎng)除霧器，考察分析了通過除霧器的蒸汽流速以及除霧器絲網(wǎng)絲徑和空隙率對除霧器性能的影響。對實(shí)際海水淡化工程項(xiàng)目中的除霧器設(shè)計(jì)存在的問題進(jìn)行分析并提出了優(yōu)化改進(jìn)建議。

1 絲網(wǎng)除霧器的模擬及性能分析

1.1 多孔介質(zhì)模型構(gòu)建

Fluent中的多孔介質(zhì)模型，實(shí)際上是在動(dòng)量方程中增加一個(gè)動(dòng)量源項(xiàng)。源項(xiàng)由兩部分組成：粘性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)，分別為下面方程右端第一項(xiàng)和第二項(xiàng)。

在簡單、均勻的多孔介質(zhì)上，可以簡化為：

式中1/α是粘性阻力系數(shù)，C2是慣性阻力系數(shù)。這兩個(gè)阻力系數(shù)的確定，最準(zhǔn)確的方法是通過速度與壓降的試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)得到。在沒有試驗(yàn)條件的情況下，可以使用適用雷諾數(shù)范圍很廣的半經(jīng)驗(yàn)公式Ergun方程，

從而得到，

式中ε是多孔介質(zhì)的空隙率，Dp為多孔介質(zhì)內(nèi)部粒子的比表面積當(dāng)量直徑，對于除霧器的圓柱形網(wǎng)絲，Dp=1.5d，其中，d是網(wǎng)絲直徑。

對單塊絲網(wǎng)除霧器進(jìn)行模擬，構(gòu)建如圖1所示的簡單模型。

圖1 絲網(wǎng)除霧器的多孔介質(zhì)模型

模型分為三部分，上下兩部分為流體區(qū)域(fluid)，中間部分為除霧器所在的多孔介質(zhì)區(qū)域(porous)；模型下表面是速度入口(velocity inlet)，上表面是壓力出口(pressure outlet)。

1.2 除霧器性能的影響因素

在低溫多效蒸餾海水淡化裝置中，除霧器的性能主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：除霧效率及蒸汽通過除霧器的壓降。本文主要考察除霧器壓降的影響因素，包括蒸汽體積含液率、蒸汽流速、除霧器絲徑和除霧器絲網(wǎng)空隙率。

1.2.1 蒸汽體積含液率的影響

在一定的除霧器厚度、空隙率、網(wǎng)絲直徑和蒸汽流速下，改變蒸汽所攜帶的液滴的體積分?jǐn)?shù)，模擬得到的壓降如表1和圖2所示。

表1 不同的蒸汽體積含液率下的壓降模擬值

從圖2可以看到，蒸汽通過除霧器產(chǎn)生的壓降與蒸汽中液相含量呈顯著的線性關(guān)系，液相體積分?jǐn)?shù)越大，壓降也越大。當(dāng)液相體積分?jǐn)?shù)為零時(shí)，壓降最小，此壓降即所謂的干壓降。實(shí)際上，蒸汽中所含液滴體積分?jǐn)?shù)很小，據(jù)文獻(xiàn)所述，多級(jí)閃蒸產(chǎn)生的蒸汽中所含液滴體積分?jǐn)?shù)在10-5數(shù)量級(jí)。從表1中可以看到，當(dāng)液相體積分?jǐn)?shù)為5×10-5時(shí)，壓降307 Pa，與干壓降(297 Pa)相差很小，這是符合實(shí)際情況的。本文下面所模擬的除霧器壓降也均以干壓降計(jì)。

圖2 不同的蒸汽體積含液率下的壓降變化曲線

1.2.2 蒸汽流速的影響

在一定的除霧器空隙率、絲徑下，改變?nèi)肟谡羝魉伲M得到壓降的變化情況如圖3所示。

圖3 不同蒸汽流速下的壓降變化曲線

從圖中可以看到，蒸汽通過除霧器產(chǎn)生的壓降與蒸汽流速呈顯著的二次關(guān)系。隨著蒸汽流速的增大，除霧器壓降迅速增大。在一定范圍內(nèi)，蒸汽流速的增加對除霧效率的提高是有益的，同時(shí)也可以減小除霧器面積，降低除霧器投資。因此需要綜合考慮除霧效率、壓降和投資選擇合理的蒸汽流速。

1.2.3 除霧器絲徑和空隙率的影響

圖4和圖5顯示了在蒸汽流速分別為3、5、7 m/s下，不同的除霧器絲徑和空隙率對除霧器壓降的影響。

圖4 不同除霧器絲徑下的壓降變化曲線

圖5 不同除霧器空隙率下的壓降變化曲線

從圖中可以看到，蒸汽通過除霧器產(chǎn)生的壓降隨著網(wǎng)絲直徑和空隙率的增加而減小。蒸汽流過絲網(wǎng)除霧器產(chǎn)生的壓降基本由兩部分組成，蒸汽與網(wǎng)絲之間的摩擦阻力和繞流網(wǎng)絲造成的動(dòng)能損失。其中，與網(wǎng)絲間的摩擦阻力是造成壓降的主要因素。增大網(wǎng)絲直徑和空隙率都將顯著減小絲網(wǎng)的表面積，導(dǎo)致蒸汽與網(wǎng)絲之間的摩擦阻力減小，從而壓降降低。但是，已有研究表明，除霧效率也隨網(wǎng)絲直徑和空隙率的增大而減小[3]。因此，在選擇絲徑和空隙率時(shí)要以滿足除霧效率為前提，盡量選擇大絲徑和大空隙率的除霧器。

2 實(shí)際工程中除霧器設(shè)計(jì)優(yōu)化

某海水淡化蒸發(fā)器管束及除霧器布置如圖6所示。除霧器厚度為50 mm，絲徑0.25 mm，空隙率0.985 6，蒸汽通過除霧器的平均流速為6 m/s。

圖6 某海水淡化蒸發(fā)器管束及除霧器布置(右半部分)

模擬得到蒸汽通過管束和除霧器的平均壓降為348 Pa，最大與最小壓降差值超過100 Pa，如下面結(jié)果所示。

圖7顯示了蒸發(fā)器模擬區(qū)域的速度云圖、除霧器寬度方向的速度曲線及速度矢量圖，從中可以發(fā)現(xiàn)，上下兩層除霧器中蒸汽分配是嚴(yán)重不均勻的，上層除霧器中的汽速最高達(dá)到12 m/s，顯著大于下層汽速(5 m/s左右)，導(dǎo)致整體壓降較大，且汽速過高可能造成液泛和二次夾帶，達(dá)不到良好的除霧效果。由上下層除霧器平均速度值以及除霧器寬可以計(jì)算得到分配的蒸汽量分別占比為69.4%(上層)和30.6%(下層)。另外，每層除霧器寬度方向的汽速分布也不均勻，存在較大的流動(dòng)死區(qū)，流動(dòng)死區(qū)的存在可能造成該處除霧器面積浪費(fèi)和該處除霧效率低，導(dǎo)致產(chǎn)品含鹽量高。因此，有必要對原設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。

(a)原設(shè)計(jì)下速度云圖

分析認(rèn)為，上下層蒸汽分配不均主要是由于兩層除霧器布置位置不合理導(dǎo)致的，蒸汽流動(dòng)死區(qū)主要是由于管束擋板的折邊位置導(dǎo)致的。據(jù)此，對蒸發(fā)器管束和除霧器布置作調(diào)整。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，將除霧器位置上移至上層除霧器寬度1 300 mm，下層除霧器寬度1 700 mm處，同時(shí)將折邊位置上移，其下端部至除霧器下沿處。

優(yōu)化后，蒸汽通過管束和除霧器的平均壓降為218 Pa，相比原設(shè)計(jì)降低了130 Pa。同時(shí)，壓降分布更加均勻，最大和最小壓降差值減少至僅為4 Pa。結(jié)果如下所示。

調(diào)整后的管束和除霧器模擬結(jié)果如圖8所示。

(a) 優(yōu)化設(shè)計(jì)下速度云圖

從圖8中可以看到，優(yōu)化后上下層除霧器間以及各層除霧器寬度方向上的蒸汽流速分布大大改善，同時(shí)也基本消除了流動(dòng)死區(qū)，增大了除霧器的利用率，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

3 結(jié) 論

采用了多孔介質(zhì)模型對絲網(wǎng)除霧器中蒸汽攜帶液滴的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并對影響蒸汽流經(jīng)除霧器的壓降的因素進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：(1)其他條件相同時(shí)，壓降隨著蒸汽中體積含液率的增加而呈線性增大，體積含液率為零時(shí)即為干壓降。(2)除霧器網(wǎng)絲直徑和空隙率不變的情況下，壓降隨著蒸汽流速的增加而增大，且呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式關(guān)系，與理論一致。(3)在相同蒸汽流速下，壓降隨著除霧器的網(wǎng)絲直徑和空隙率增大而減小。

對實(shí)際海水淡化工程應(yīng)用中的除霧器布置存在的蒸汽分配不均、壓降大、流動(dòng)死區(qū)等問題進(jìn)行了分析，并提出了優(yōu)化改進(jìn)方案。模擬分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的布置方案除霧器中蒸汽流速分布更加均勻，壓降顯著降低，同時(shí)消除了流動(dòng)死區(qū)，大大改善了除霧器的應(yīng)用效果。