循環(huán)噴霧閃蒸影響因素的實(shí)驗(yàn)研究

馬龍?zhí)?楊開(kāi)敏 季璨

(1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東濟(jì)南250013；2.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；3.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)山東省科學(xué)院能源研究所，山東濟(jì)南250014)

0 引言

閃蒸是液體經(jīng)歷壓力突降時(shí)的快速汽化現(xiàn)象，具有效率高、能耗低等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在海水淡化、冷卻、干燥等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。同時(shí)，閃蒸所具備的節(jié)能環(huán)保、可充分利用低品位熱能的特點(diǎn)，在水泥、鋼鐵、有色冶金等高耗能行業(yè)的余熱回收方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[4]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)閃蒸的研究始于20世紀(jì)60年代。Miyatake等[5]是研究池水閃蒸現(xiàn)象與機(jī)理的先驅(qū)，發(fā)現(xiàn)池水閃蒸包含快速沸騰階段和表面蒸發(fā)階段，提出衡量閃蒸過(guò)程溫度變化和完成程度的2個(gè)重要參數(shù):不平衡溫差 NETD(Nonequilibrium Temperature Difference)和不平衡分?jǐn)?shù) NEF(Nonequilibrium Fraction)。Saury等[6-7]開(kāi)展了水膜和池水閃蒸實(shí)驗(yàn)，探討了溫度、壓力、過(guò)熱度、初始水位等因素對(duì)閃蒸蒸發(fā)量的影響，并估算了閃蒸現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間。Mutair等[8-9]在一系列射流閃蒸實(shí)驗(yàn)中，觀察了流動(dòng)狀況對(duì)閃蒸射流特性和閃蒸強(qiáng)度的影響，提出了預(yù)測(cè)射流中心線溫度變化的指數(shù)型衰減曲線，并擬合出預(yù)測(cè)閃蒸結(jié)束位置的經(jīng)驗(yàn)公式，發(fā)現(xiàn)即使過(guò)熱度很低，閃蒸仍表現(xiàn)出較高的效率。張友森等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了純水循環(huán)閃蒸過(guò)程中顯熱轉(zhuǎn)化率隨進(jìn)口過(guò)熱度的變化規(guī)律。程文龍等[11]研究了不同參數(shù)對(duì)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?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)散熱量的最佳噴霧高度和流量。周致富等[12-13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)帶有不同膨脹腔噴嘴制冷劑閃蒸噴霧特性展開(kāi)研究，分析膨脹腔結(jié)構(gòu)與霧化錐角的關(guān)系，并探究閃蒸瞬態(tài)噴霧冷卻表面動(dòng)態(tài)傳熱特性。楊慶忠等[14]探討了不同初始條件下NaCl溶液靜態(tài)閃蒸過(guò)程中蒸發(fā)質(zhì)量的變化規(guī)律，并提出蒸發(fā)質(zhì)量的無(wú)量綱關(guān)聯(lián)式。梁婷等[15]和王輝輝等[16]利用高速攝像技術(shù)探究純水靜態(tài)閃蒸特性，分析不同壓降速率下純水靜態(tài)閃蒸起始階段氣泡群的分布規(guī)律，并研究了不同參數(shù)條件下液膜高度的演變規(guī)律。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)閃蒸的研究大多針對(duì)較低初始溫度和負(fù)壓環(huán)境下的池水和水膜閃蒸、以及真空環(huán)境下的噴霧閃蒸等。而對(duì)于在余熱發(fā)電領(lǐng)域有廣闊應(yīng)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(shí)驗(yàn)研究。因此，文章以水的高溫高壓噴霧閃蒸為研究對(duì)象展開(kāi)一系列實(shí)驗(yàn)，研究初始溫度、閃蒸壓力、供水流量等因素對(duì)閃蒸特性的影響，為閃蒸在余熱回收領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

閃蒸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由加熱裝置、閃蒸系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。系統(tǒng)的具體工藝流程為:除氧水經(jīng)U型立式直流余熱鍋爐加熱至合適溫度，通過(guò)噴嘴噴入閃蒸罐，發(fā)生噴霧閃蒸。閃蒸產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)罐體上部的蒸汽管道輸送至集汽箱，未蒸發(fā)的水和來(lái)自除氧水箱的補(bǔ)水一起，通過(guò)罐體下部的排水管道輸送至余熱鍋爐省煤器，開(kāi)始新一輪的循環(huán)。

圖1 閃蒸系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)臺(tái)全貌如圖2所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部件——閃蒸罐屬于壓力容器，工作介質(zhì)是水和蒸汽。其本體結(jié)構(gòu)包括:殼體、封頭、進(jìn)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(jì)、水位計(jì)等。閃蒸罐筒體和封頭材料為Q345R，連接管道材料為20號(hào)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(shí)驗(yàn)臺(tái)全貌圖

閃蒸系統(tǒng)各部分均按需安裝有用于測(cè)量溫度、壓力、流量的儀表，儀表的具體信息見(jiàn)表1，測(cè)量?jī)x表如圖3所示。

表1 測(cè)量?jī)x表信息表

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前，檢查實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各設(shè)備是否正常。檢查工作主要針對(duì)3個(gè)部分:鍋爐側(cè)、閃蒸罐本體側(cè)和測(cè)試設(shè)備側(cè)。檢查各部分的閥門能否正常開(kāi)啟和關(guān)閉，測(cè)試設(shè)備是否連接正常、儀表能否正常使用、數(shù)據(jù)采集設(shè)備是否正常工作等。在確保各設(shè)備均正常運(yùn)行后，按照《鍋爐操作規(guī)程》啟動(dòng)余熱鍋爐。待其正常運(yùn)行后，開(kāi)始進(jìn)行變工況實(shí)驗(yàn)。

圖3 測(cè)量?jī)x表圖

實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，分別研究液體過(guò)熱度、閃蒸壓力、供水流量、噴射方向和噴嘴尺寸對(duì)閃蒸的影響，實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化范圍見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)變化范圍表

具體實(shí)施步驟如下:

(1)以液體過(guò)熱度為變量時(shí)，保持閃蒸罐供水流量不變，通過(guò)調(diào)節(jié)余熱鍋爐引風(fēng)機(jī)頻率來(lái)調(diào)節(jié)煙氣量，將閃蒸罐供水加熱至不同目標(biāo)溫度。

(2)以閃蒸壓力為變量時(shí)，保持閃蒸罐供水溫度和流量不變，將閃蒸罐內(nèi)壓力設(shè)定為不同的目標(biāo)值，接收此信號(hào)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)罐內(nèi)壓力信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽管道上電動(dòng)調(diào)閥的開(kāi)度，以使罐內(nèi)壓力保持在設(shè)定值。

(3)以供水流量為變量時(shí)，保持閃蒸罐供水溫度和閃蒸壓力不變，通過(guò)調(diào)節(jié)供水管道閥門開(kāi)度調(diào)節(jié)供水流量。

(4)以噴射方向?yàn)樽兞繒r(shí)，保持供水溫度、流量及閃蒸壓力不變，通過(guò)切換不同管路，實(shí)現(xiàn)流體向上或向下噴射。

(5)以噴嘴尺寸為變量時(shí)，更換不同噴嘴，在相同的實(shí)驗(yàn)工況下進(jìn)行閃蒸實(shí)驗(yàn)。

在每次實(shí)驗(yàn)中，待運(yùn)行穩(wěn)定后記錄該工況下的閃蒸蒸汽質(zhì)量流量，并根據(jù)式(1)計(jì)算閃蒸蒸汽質(zhì)量流量與供水質(zhì)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(zhì)量流量、供水質(zhì)量流量，t/h。

2 結(jié)果與分析

2.1 液體過(guò)熱度對(duì)閃蒸特性的影響

液體過(guò)熱度定義為液體初始溫度與閃蒸壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度之差，由式(2)表示為

式中:ΔTs為液體過(guò)熱度，℃；T0為液體初始溫度，℃；Ts為閃蒸壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，℃。

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

閃蒸壓力為121 kPa、過(guò)熱度在27.7～44.6℃范圍內(nèi)變化時(shí)，汽化率的變化曲線如圖5所示?？梢钥闯?，汽化率是過(guò)熱度的增函數(shù)，提高過(guò)熱度可以強(qiáng)化閃蒸。當(dāng)液體過(guò)熱度增大時(shí)，噴嘴內(nèi)部汽化核心密度增加，氣泡生長(zhǎng)速度增大，蒸發(fā)加快，促進(jìn)霧化破碎，使噴嘴產(chǎn)生的噴霧更細(xì)。在噴霧液滴蒸發(fā)階段，過(guò)熱度越大則蒸發(fā)越劇烈，液滴越小則蒸發(fā)越迅速。此外，在實(shí)驗(yàn)所涉及的范圍內(nèi)，汽化率隨過(guò)熱度近似成比例的提高。可以認(rèn)為，過(guò)熱度是閃蒸的驅(qū)動(dòng)力。

圖5 汽化率隨過(guò)熱度的變化圖(pev=121 kPa)

采用線性擬合方法，得出汽化率與過(guò)熱度之間的經(jīng)驗(yàn)公式，由式(3)表示為

2.2 閃蒸壓力對(duì)閃蒸特性的影響

將閃蒸罐內(nèi)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(zhì)量流量分別為11、20 t/h時(shí)，蒸汽質(zhì)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(nèi)壓力的提高，閃蒸蒸汽質(zhì)量流量和汽化率均減小。這可以解釋為，當(dāng)閃蒸壓力提高時(shí)，其對(duì)應(yīng)的飽和溫度相應(yīng)提高，在液體初始溫度不變的前提下，液體過(guò)熱度降低，閃蒸的動(dòng)力減小，而噴嘴進(jìn)出口壓差減小，噴嘴霧化效果降低。所以閃蒸過(guò)程減弱，產(chǎn)汽量和汽化率均降低。

2.3 供水流量對(duì)閃蒸特性的影響

當(dāng)液體初始溫度為146℃、閃蒸壓力為121 kPa時(shí)，閃蒸蒸汽質(zhì)量流量隨供水質(zhì)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(shuō)明當(dāng)前閃蒸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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?qū)﹂W蒸特性的影響

為滿足不同條件下的運(yùn)行要求，閃蒸罐內(nèi)部設(shè)置了向下和向上2路供水管道。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，向下噴射和向上噴射時(shí)閃蒸蒸汽量對(duì)比如圖8所示。可以看出，向下噴射的產(chǎn)汽量均高于向上噴射。向上噴射時(shí)，部分較小的液滴可能在尚未完成閃蒸，即被罐內(nèi)上升的蒸汽流攜帶出閃蒸罐；而向下噴射時(shí)，液滴在罐內(nèi)的停留時(shí)間得以延長(zhǎng)，蒸發(fā)進(jìn)行的更加充分。實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)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(shí)，蒸汽則無(wú)明顯的帶水現(xiàn)象。綜合來(lái)看，實(shí)際應(yīng)用中推薦向下噴射，因其兼具產(chǎn)汽量高、帶水量少、覆蓋完全、能充分利用罐內(nèi)空間等優(yōu)勢(shì)。

圖8 向下噴射和向上噴射的蒸汽量—過(guò)熱度曲線圖(qm，in=15 t/h)

2.5 噴嘴尺寸對(duì)閃蒸特性的影響

為研究噴嘴尺寸對(duì)閃蒸的影響，在實(shí)驗(yàn)用噴嘴的基礎(chǔ)上，另外選取了3個(gè)類型相同、尺寸不同的噴嘴。將實(shí)驗(yàn)用噴嘴編號(hào)為1，其余3個(gè)編號(hào)為2、3、4。噴嘴主要尺寸見(jiàn)表3。

表3 噴嘴主要尺寸表

分別使用上述4個(gè)噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在相同的實(shí)驗(yàn)工況下(T0=145℃)，使用不同噴嘴的閃蒸蒸汽量見(jiàn)表4。隨著噴嘴尺寸的減小，閃蒸蒸汽量亦減少。使用1、2號(hào)噴嘴時(shí)，蒸發(fā)情況相差不大，但使用3、4號(hào)噴嘴時(shí)，蒸發(fā)情況明顯削弱。噴嘴尺寸對(duì)蒸發(fā)的影響表現(xiàn)為兩種相互競(jìng)爭(zhēng)、作用相反的機(jī)制:(1)噴嘴尺寸減小，霧化液滴粒徑減小，較細(xì)的噴霧可以在更短時(shí)間內(nèi)完成蒸發(fā)；(2)噴嘴尺寸減小，噴出液體的流速增大，使液體在閃蒸罐內(nèi)的停留時(shí)間縮短，很可能來(lái)不及完成閃蒸就排出罐外。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，1、2號(hào)噴嘴能夠使液體在有限的時(shí)間內(nèi)完成蒸發(fā)，而3、4號(hào)噴嘴因流速增加的不利影響超過(guò)了粒徑減小的有利影響，而無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)的要求。因此在工程應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮容器大小、噴嘴特性等因素來(lái)選取合適的噴嘴。

表4 噴嘴尺寸對(duì)蒸汽產(chǎn)量的影響表(T0=145℃)

3 結(jié)論

以閃蒸在余熱發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，以工業(yè)余熱為熱源，基于大型閃蒸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行循環(huán)噴霧閃蒸變工況實(shí)驗(yàn)，研究不同因素對(duì)閃蒸特性的影響，總結(jié)閃蒸蒸汽流量和汽化率的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下:

(1)閃蒸蒸汽流量和汽化率隨過(guò)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(huì)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(yōu)于向上噴射，噴嘴尺寸的減小使噴霧液滴粒徑減小，同時(shí)縮短了液體在閃蒸罐內(nèi)停留時(shí)間，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮容器大小、噴嘴特性等因素來(lái)選取合適的噴嘴。