多級海水淡化裝置閃蒸室內(nèi)多孔板的設(shè)計(jì)研究

曹天義,宋亮福

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

多級閃蒸法用途比較廣泛，在用于淡化海水的同時(shí)，同樣可以用于化工廠以及熱電廠的鍋爐供水，工業(yè)廢棄水等的再處理.該技術(shù)于1950年左右起步，在1970年至1980年期間得到飛速發(fā)展.多級閃蒸裝置是由多個閃蒸室串聯(lián)而成，在水位差作用下保持持續(xù)流動.上下級間存在的壓差使海水保持過熱狀態(tài)而不斷蒸發(fā).在蒸發(fā)的過程中因吸收熱量，導(dǎo)致與空氣接觸的水面過熱度降低，使閃蒸效率下降.在閃蒸室底部設(shè)置多孔板可以有效的將下層水流擾動到水面附近，保持水面過熱度.然而，多孔板的設(shè)置將會增加流動過程中的壓力損失.在保證閃蒸效率的前提下，如何降低多孔板造成的壓力損失，是閃蒸過程中首先需要解決的問題.表征壓力損失的性能指標(biāo)為壓損系數(shù)Eu.Eu越大，壓力損失越大.其表達(dá)式為

Eu=(PU-PD)/0.5ρV2，

(1)

式中：PU和PD分別為多孔板上游和下游測壓點(diǎn)處的壓力測量值.工程中對永久壓力損失的定義為：未受阻流件影響的上游處壓力與壓力恢復(fù)到極大值位置后的下游壓力之差.故為了滿足這一定義，上游和下游的測壓點(diǎn)分別選取管道入口和出口平面處，并且上、下游取壓點(diǎn)要保證在同一水平線上[1].V為流體平均流速；ρ為流體的密度；壓損失系數(shù)Eu與多孔板的幾何參數(shù)有關(guān)，這些幾何參數(shù)如下：

(1)多孔板的開孔率，即所有孔口面積之和與多孔板表面積之比.通常用其平方根b表示，b為當(dāng)量孔徑比;

(2)板的厚度t通常以相對厚度給出：t/d，d為孔口直徑;

(3)孔口數(shù)量為n；

(4)孔口的分布形式.

其次，雷諾數(shù)也對流體流過多孔板時(shí)的壓力損失起著重要的作用.通常情況下，隨著雷諾數(shù)的增加，Eu會逐漸增大[2].在閃蒸室中，雷諾數(shù)對壓損系數(shù)的具體影響有待進(jìn)一步模擬研究.對于在閃蒸室中增設(shè)多孔板的流動，采用平均雷諾數(shù)[3～6]進(jìn)行計(jì)算.其表達(dá)式為

Rem=UmD/v，

(2)

式中：D為管道直徑；Um為流動過程中的平均流速；v為流體的動力粘度，可通過查表得到其具體數(shù)值.

國內(nèi)外學(xué)者對閃蒸室和多孔板進(jìn)行了研究.龐虹[7]通過對多級閃蒸室裝置的三維數(shù)值模擬計(jì)算，得到海水液面附近的湍流強(qiáng)度，從水力特性上分析出了阻流板不利于提高閃蒸效率.E.S.Hassan Fath[8]在閃蒸室底部設(shè)置了三角擋板，通過改變?nèi)菗醢鍞?shù)量及位置，模擬得出海水流動過程中的最高閃蒸效率.姚征等[9]模擬研究了某套海水淡化設(shè)備的前兩級，通過分析閃蒸室底部漩渦的流線譜形態(tài)和湍流黏度，優(yōu)化了閃蒸室中的水流結(jié)構(gòu).Morrison等[10]成功預(yù)測了流體流過傳統(tǒng)單孔板時(shí)的流動特性.V.K.Singh等[11]模擬得出多孔板中各個孔口組成的節(jié)圓直徑的大小對流出系數(shù)以及流型的影響.B.Y.Guo[12]等找到多孔板的最佳傾斜角度，降低了氣體流動過程中多孔板造成的壓力損失.

1 閃蒸室模型

1.1 物理模型

多級閃蒸裝置第一級的三維示意圖，如圖1所示.其長度為L=1.254 m，寬度為S=0.3 m，高度為H=0.35 m.圖中左側(cè)下方有一邊長為R=0.06 m的正方形入口，海水由此進(jìn)入閃蒸室，右側(cè)下方為大小相等的正方形出口.多孔板設(shè)置在閃蒸室底部中間位置，高度為Z=0.075 m.圖中所示為五孔多孔板.

圖1 三維閃蒸裝置示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 VOF模型

在VOF模型中，假設(shè)流體之間無滲透，并且引入體積分?jǐn)?shù)這一概念，表示每一相所占的空間大小.相間的界面追蹤可以通過求解體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)性方程來完成[13].對于第q相，有如下形式：

(3)

式中：ρq和vq分別為第q相的密度和速度；mqp為從第q相傳遞到第p相的質(zhì)量，反之，mpq為從第p相傳遞到第q相的質(zhì)量；Sɑq為源項(xiàng)；ɑq為第q相的體積分?jǐn)?shù).

動量方程：

(4)

能量方程：

(5)

其中：ρ為密度；v為流體的動力黏度；u為粘性系數(shù)；F為其他體積力.

同樣地，各相共用密度ρ和有效熱導(dǎo)率keff.其中，將能量E和溫度T視為質(zhì)量平均變量.能量方程如下：

(6)

其中：ɑq為第q相的體積分?jǐn)?shù)；ρq為第q相的密度；Eq為第q相的能量.

1.2.2 大渦模擬模型

在大渦模擬方法中，使用濾波函數(shù)將比網(wǎng)格尺度大的渦和小于網(wǎng)格尺度的渦劃分開來.前者通過求解瞬態(tài)N-S方程計(jì)算，而后者對大尺度運(yùn)動的影響則通過建立模型加以模擬[14].瞬態(tài)下的N-S方程為

(7)

(8)

(9)

2 邊界條件和數(shù)值方法

假定流體為牛頓流體且不可壓縮.海水入口溫度為110 ℃，出口溫度為106 ℃.入口為速度入口，出口為自由出流.閃蒸室內(nèi)壓力為1.023 bar，過熱蒸汽溫度為102 ℃.計(jì)算域生成六面體網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為1.64×105個，壓力場的計(jì)算采用Body force weighted格式.

3 結(jié)果討論

如圖2所示，逐一列出了多孔板的幾何參數(shù)、平均雷諾數(shù)以及相對應(yīng)的壓損系數(shù).本次模擬中，選取了5組不同的多孔板[15].為了保證多孔板其余的幾何參數(shù)不會對模擬產(chǎn)生影響，將5組多孔板的孔板厚度和孔口直徑均設(shè)為定值，分別為2 mm和5 mm.模擬研究孔口數(shù)量n及其分布、平均雷諾數(shù)Re和當(dāng)量孔徑比b對壓損系數(shù)的影響.

由公式(2)可知，式中D和v兩個參數(shù)均為常數(shù)，雷諾數(shù)Re與流速Um成正比.即當(dāng)流速增加時(shí)，雷諾數(shù)隨之增大.通過調(diào)節(jié)入口流速的大小，分別得到了各個多孔板的6組雷諾數(shù)，如圖2所示.這樣做是因?yàn)殡S著流速的增加，雷諾數(shù)將逐漸超過臨界雷諾數(shù)，流體會充分發(fā)展為紊流，使得閃蒸室內(nèi)的流場由不穩(wěn)定區(qū)域逐漸過渡到穩(wěn)定區(qū)域，最后趨于穩(wěn)定，從而可以更好地分析孔板的幾何分布對壓損系數(shù)的影響.各孔板的平均雷諾數(shù)Re對Eu的影響，如表1所示.可以看出，隨著Re增加，Eu逐漸減小.這一結(jié)果與S.Malavasi[16]等的研究結(jié)果相似.

圖2 多孔板的幾何參數(shù)特征

ReEuDK1DK2DK3DK4DK5300029810348489.3420028810145457.461002828842416.872002798640416.584002798638396.2100002778436376.2

圖3中同樣可以觀察到，Eu隨著當(dāng)量孔徑比β的增加而減小.這是由于隨著b的增加，海水流過多孔板的面積逐漸增大，局部阻力減小，降低了多孔板附近的摻混損失和節(jié)流損失，從而使得壓力損失下降.Eu的最大值出現(xiàn)在五孔多孔板中.此時(shí)，β取得最小值，0.066.其次，可以清晰的看出，對于多孔板DK3和DK4來說，每一個Re所對應(yīng)的Eu值幾乎相同.此時(shí)，兩多孔板的β值相同，孔的分布不同.同時(shí)，在多孔板DK3和DK4中，孔口數(shù)量相同而分布不同時(shí)，每一個Re所對應(yīng)的Eu值幾乎相等.由此得出，孔的分布形式對Eu的影響極其微小，而β值對Eu的影響要大得多.

圖3 在不同的雷諾數(shù)Re下，β對壓損系數(shù)Eu的影響

孔口數(shù)量n和Eu之間的關(guān)系，如圖4所示.可以看出，Eu隨著n的增加而減小.對比五個多孔板的Eu值，最大值見于DK1(n=5)，最小值見于DK5(n=25).這是由于孔口數(shù)量增多后，自孔口射出的射流股數(shù)增加，孔與孔之間距離減小，各股射流之間相互摻混隨之增強(qiáng)，從而將多孔板下游的大尺度漩渦轉(zhuǎn)化成較小尺度的漩渦.而大尺度漩渦的減小，增加了流場內(nèi)部小尺度漩渦的數(shù)量，使得脈動能量的分布趨于均勻化，使得壓力損失降低.

圖4 在不同的雷諾數(shù)Re下，n對壓損系數(shù)Eu的影響

4 結(jié) 論

本文對增設(shè)多孔板的閃蒸室內(nèi)部進(jìn)行了數(shù)值模擬.研究了多孔板的幾何參數(shù)、平均雷諾數(shù)對壓損系數(shù)Eu的影響.得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)多孔板的幾何參數(shù)一定、孔口個數(shù)n增加時(shí)，孔板下游的大尺度漩渦的尺寸和數(shù)量均降低，使得脈動能量的分布更加均勻化，減小了多孔板的壓損系數(shù).

(2)多孔板有3個關(guān)鍵的幾何參數(shù)，分別為孔口個數(shù)n、當(dāng)量孔徑比b以及孔口的幾何分布.其中，當(dāng)量孔徑比b對壓損系數(shù)Eu有著決定性的影響.依據(jù)對多孔板特性的影響程度，3個幾何參數(shù)的排列順序?yàn)椋害?n>孔口的幾何分布.

(3)在3 000≤Re≤10 000范圍內(nèi)，隨著雷諾數(shù)Re的增加，壓損系數(shù)Eu逐漸減小.

(4)為了提高模擬精確度，本文將孔口直徑和孔板厚度設(shè)為定值.實(shí)際上，孔口直徑以及孔板厚度對壓損系數(shù)Eu也存在著一定的影響，具體結(jié)果仍有待研究.