射流閃蒸研究進展及其應用

邱發(fā)成，賀世豪，熊 沛，李文生，全學軍

(重慶理工大學 化學化工學院， 重慶 400054)

射流撞擊與負壓閃蒸技術在水污染治理方面都具有較好處理效果[1-2]。然而，射流撞擊技術與負壓閃蒸技術在高濃度氨氮廢水處理領域的研究較少，且其耦合強化方面的研究更少[3-4]。因而，從傳質(zhì)與分離耦合強化的研究角度出發(fā)，利用射流撞擊-負壓閃蒸耦合模式強化氨氮廢水中的脫氨行為可作為高濃度氨氮廢水吹脫過程強化研究的有效手段之一。事實上，射流閃蒸具有結合射流破碎過程中多變的氣液交界面與閃蒸強化熱質(zhì)傳遞的優(yōu)點。研究發(fā)現(xiàn)，在此過程中，射流液相的表面更新和破碎作用，可為后續(xù)閃蒸效率的提升奠定基礎，從而使得射流破碎結合閃蒸強化傳熱傳質(zhì)性能顯著增強。最終，以其優(yōu)越的傳熱傳質(zhì)性能表現(xiàn)，促使這類新型耦合技術研究逐漸走向工業(yè)成熟化的應用。因此，射流閃蒸的研究對理論要求及指導工業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義。

1 射流破碎及閃蒸研究進展

1.1 射流破碎研究進展

三大經(jīng)典破碎理論指出：射流破碎是一個有序的物理過程。關于其研究，最早是從液體能量角度提出，Plateau[5]最先研究了射流表面能對射流過程產(chǎn)生形變逐漸至破碎的影響，率先開創(chuàng)了射流研究。隨后Rayleigh等[6-7]提出在忽略流體黏性及重力影響的條件下，認為射流過程中的形變波動及破碎主要受液體物性表面張力影響。但是兩者的研究均從各自研究角度出發(fā)，并沒有多大關聯(lián)。直至后來，Weber[8]總結了前人的研究并提出，射流過程形態(tài)變化是液體物性參數(shù)與外在物理條件共同作用的效果。同時，還綜合了液體自身物性與運動參數(shù)，提出了無量綱韋伯數(shù)的概念，用于表征兩相流在交界面上的運動特征。

現(xiàn)今，射流破碎的理論，普遍認為自由射流發(fā)生破碎的誘導因素是由于運動表面生成了不穩(wěn)定波[9]。隨后，引發(fā)流體發(fā)生形變，繼而產(chǎn)生破碎[10]。總的來講，根據(jù)破碎在噴射方向的分段特征，將破碎定義為逐級破碎(包含初級破碎、次級破碎等)。按照破碎的主要產(chǎn)生因素，又可分為壓力破碎、碰撞破碎、風生破碎等[11]。按照逐級破碎方式的不同，也可以劃分為膜狀破碎、袋式/韌帶式破碎、絲狀破碎等[12]。液滴射流霧化過程如圖1所示[13]。

圖1 液滴射流霧化過程示意圖

現(xiàn)階段，根據(jù)對射流破碎的綜合研究發(fā)現(xiàn)，初始破碎的主要影響變量有雷諾數(shù)Re[13]、韋伯數(shù)We[14]、Oh數(shù)[15]及噴嘴形式等影響。這些變量分別從外在物理因素、流體物性、噴嘴結構等方面影響射流破碎直至整個霧化過程。具體地，隨著雷諾數(shù)的增大，射流從層流態(tài)向湍流態(tài)發(fā)展，影響著射流破碎的產(chǎn)生與發(fā)展。根據(jù)雷諾數(shù)研究結果，發(fā)現(xiàn)射流產(chǎn)生破碎點的位置與射流液體雷諾數(shù)有很強的線性相關性，特別是在有橫向氣流參與的破碎過程中[16-17]。對于韋伯數(shù)來講，射流氣動力與流體的表面張力相對強度有直接關系[18]。同時，韋伯數(shù)又可以間接表征噴嘴結構特征物理量?，F(xiàn)有研究表明：噴嘴內(nèi)粗糙的潤濕流道有利于破壞流體在壁面處的邊界層穩(wěn)定性，導致流體在管內(nèi)易發(fā)生湍流[19]。近年來，隨著對噴嘴結構的研究不斷深入，逐漸形成漸進變化流道與陡峭變化流道研究領域[20]。對于漸進變化流道而言，流體在其內(nèi)部徑向運動狀態(tài)是過渡有序的，多出現(xiàn)層流特征。對于陡峭變化流道，流體運動在徑向變化劇烈，容易使液體產(chǎn)生湍流甚至空化[21]。

目前，射流破碎的特性研究主要包括射流貫穿破碎長度特性、表面波動頻率及波動速度特性[22]。對于射流貫穿行為來講，隨著射流速度的增大而增加。同時伴隨著射流軸向長度的增加，射流邊界層逐漸模糊，邊界層附近卷吸周圍氣體產(chǎn)生漩渦，不斷卷吸的氣體與射流流體發(fā)生摻雜混合，從而導致射流破碎沿徑向范圍擴張。射流破碎長度主要受雷諾數(shù)、Oh數(shù)、射流噴嘴結構和射入環(huán)境的影響[23]。

特別地，對于橫向射流破碎而言，從射流的表面波動頻率與波動速度之間的聯(lián)系來看，在較低的破碎氣速小，射流的破碎主要受流體自身物性及射流速度影響。隨著氣流速度的增大，破碎發(fā)生明顯變化。即在沿著射流方向上，射流孔口附近的起始段，由于受射流初始動量影響，液柱表面產(chǎn)生波紋。繼續(xù)沿著射流方向，可以發(fā)現(xiàn)液柱開始出現(xiàn)塊狀破碎及剝落。隨著氣流的進一步增加，液相進一步破碎成更小的液滴。Sallam等[24]的研究也表明在大氣流速度條件下，射流破碎與氣液動量比呈線性相關關系，但在氣液動量比小于一定數(shù)值時，對射流破碎影響較弱。

1.2 閃蒸研究進展

關于閃蒸的概念，是與閃急沸騰概念一同被提出的，并逐漸受到廣泛關注。目前，關于閃蒸的應用主要聚焦于海水淡化水處理[25-26]，低品位能源利用[27]及電廠有害氣體減排[28]等領域。閃蒸的基本原理可描述為：當過熱的液體進入低于飽和溫度的環(huán)境時，液體內(nèi)部的過熱能量會以顯熱的形式釋放，并作為液體直接汽化的熱量。隨后，過熱液體形成，并快速汽化蒸發(fā)。其中，過熱能量越大，閃急蒸發(fā)過程越激烈[29]。

在早期的閃蒸研究中，主要側重于容器類的閃蒸。然而，受限于容器大小的影響，使閃蒸過程中的相接觸面積有限，且容易在閃蒸液面附近處形成局部熱量集中區(qū)域，從而導致溫度梯度較小，造成閃蒸效率低[30]。因此，如何解決閃蒸過程中受蒸發(fā)接觸面積限制以及閃蒸區(qū)域內(nèi)傳熱效率低的問題，已經(jīng)成為一大研究熱點。

針對閃蒸過程中往往需要提供較高過熱度及一定壓力條件等問題，近年來提出的基于負壓條件下低溫閃蒸技術逐漸受到研究者青睞[31]。目前，關于閃蒸過程中的影響因素主要包括過熱度、液相工質(zhì)屬性(顆粒強化，物性等)、工質(zhì)運動特性及環(huán)境狀態(tài)等[32]。Yang等[33]通過研究瞬時過熱度變化過程，得出處于靜態(tài)閃蒸過程中的液相存在一個瞬時峰值，并綜合分析了影響瞬時過熱度大小的關鍵因素。Peng等[34]通過添加氧化鋁納米顆粒的方式，研究液相閃蒸冷卻過程中的傳熱規(guī)律，發(fā)現(xiàn)納米顆粒的加入，改變了液相閃蒸過程中的傳熱機制。同時，還得出了適宜濃度的納米顆粒，能夠增強液相閃蒸過程中的傳熱過程。Li等[35]通過研究低壓環(huán)境中工質(zhì)閃蒸特性，發(fā)現(xiàn)環(huán)境壓力對射流閃蒸的霧化形態(tài)產(chǎn)生了重要影響，且在環(huán)境壓力小于50 kPa時，蒸汽的閃蒸過程及蒸發(fā)形成的蒸汽擴散行為均得到加強。

2 射流閃蒸的應用

近年來，以閃蒸工藝為基礎的耦合強化思路逐漸被提出，如射流與閃蒸的耦合應用。事實上，射流過程中獨特的兩相界面及射流破碎形成的微小液滴，都具有很高的比表面積，使得傳熱和傳質(zhì)面積得到大大增強。因此，射流破碎與閃蒸的結合工藝在傳熱傳質(zhì)方面具有優(yōu)秀的表現(xiàn)。所以，目前關于閃蒸研究中，結合液相破碎的技術使閃蒸過程的效率提高到了一個新的高度。

長久以來，射流技術和閃蒸技術在各自領域均有針對性的應用實施。射流閃蒸耦合技術兼具兩者的特性，進一步拓展了其應用范圍。目前國內(nèi)外對于射流閃蒸技術的應用主要有：

1) 脫鹽工藝：采用射流閃蒸用于脫鹽在海水淡化處理領域有巨大的優(yōu)勢。隨著新興低溫閃蒸脫鹽技術的應用，特別是閃蒸耦合太陽能集熱技術的推廣，進一步降低了處理能耗。在保證處理效率的前提下，這種耦合強化技術的能量消耗，相較于蒸餾脫鹽及膜過濾脫鹽處理工藝大幅縮小[36-38]。Cai等[39]從能量分析角度，研究了射流閃蒸狀態(tài)下影響閃蒸脫鹽的因素，發(fā)現(xiàn)向上的射流有助于促進閃蒸。同時還發(fā)現(xiàn)，射流速度越大，閃蒸的能量利用率和蒸發(fā)率明顯增加。另外，Cai等還通過數(shù)值模擬分析的方式，模擬了射流閃蒸過程中液相運動蒸發(fā)進程，證明了射流霧化越徹底，液相閃蒸效率越高。為了進一步了解射流閃蒸過程中溫度的變化情況，F(xiàn)athinia等[40]研究了射流閃蒸中噴嘴附近的溫度分布，得出在噴嘴下游處的溫度變化分為3個階段。即分別為快速下降區(qū)，平穩(wěn)下降區(qū)以及溫度穩(wěn)定區(qū)，進而基于溫度分布分析，揭示了射流閃蒸效率在空間位置上的變化規(guī)律。

2) 換熱冷卻：無論是射流還是閃蒸，均涉及強烈的傳熱過程。在現(xiàn)今工業(yè)散熱領域，射流強制冷卻技術具有不可替代的作用。研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今常采用低溫飽和氣體以沖擊射流閃蒸的方式，對散熱表面進行強制對流換熱，以滿足大量換熱需求[41-43]。Wang等[44]研究了液氮沖擊射流閃蒸的冷卻機理。研究發(fā)現(xiàn)，在液氮射流沖擊區(qū)內(nèi)，很難形成膜態(tài)沸騰，蒸發(fā)產(chǎn)生的氣膜很容易被液氮射流沖擊破壞，從而影響沖擊區(qū)域內(nèi)的傳熱情況。Wu等[45]模擬了液氮在射流沖擊破碎巖石應用中運動及溫度變化的情況。研究指出，受射流閃蒸過程的影響，速度及湍流強度均大于同樣條件下的水射流結果。由于液氮強烈的換熱過程，在液氮冷卻作用下，射流沖擊駐點的應力發(fā)生變化，進而改變了整個換熱過程。

3) 微納米反應：利用射流閃蒸技術控制微納米反應的應用，屬于開發(fā)階段。其原理是：以蒸發(fā)溶劑作為載體，通過溶劑閃蒸作用使其快速蒸發(fā)并釋放內(nèi)部溶解的反應成分，從而均勻地將反應組分暴露在反應環(huán)境內(nèi)。Lobry等[46]采用霧化噴射閃蒸的方式對包含納米顆粒的液滴進行快速蒸發(fā)實驗，使得噴霧閃蒸過程能夠在亞微米和納米尺度上對有機材料進行再結晶，完成均勻改性目的。在此過程中，閃蒸的快慢程度決定了液滴內(nèi)部納米顆粒的釋放速率，進而影響微尺度上材料的結晶速率。Coty等[47]利用噴射閃蒸技術對溶解度較差的BCS IV藥物進行納米結晶，通過表征證實了得到的納米級結晶體提高了溶解度。因此，噴射閃蒸技術有效地解決了由于溶解度較差導致生物對藥物利用率較低的問題。

4) 燃料預混：燃料在射流產(chǎn)生的霧化狀況以及空間內(nèi)蒸發(fā)燃料濃度均勻性，都是影響燃燒穩(wěn)定及完全燃燒的關鍵。在液體燃料燃燒的工業(yè)應用中，燃料在開始燃燒前，必須保證與空氣充分混合。在此過程中，燃料首先通過射流產(chǎn)生霧化，在極短時間內(nèi)霧化燃料產(chǎn)生蒸發(fā)并與空氣產(chǎn)生預混，隨即在點火能量作用下開始燃燒。Gao等[48]模擬了兩組分物質(zhì)在射流閃蒸作用下與空氣的預混情況。研究發(fā)現(xiàn)，隨著燃料溫度的升高或環(huán)境壓力的降低，體積分數(shù)較高的燃料有較高的閃沸傾向。此時過熱度指標不能完全適用于評判這類多組分物質(zhì)，以及被用來確定閃沸狀態(tài)下趨于復雜化的參數(shù)。Li等[35]還分析了燃油射流進入氣缸內(nèi)閃蒸這期間的傳熱變化。研究指出，燃油在射流閃蒸中蒸發(fā)速率較快，且射流中心線處蒸汽濃度較高。在射流中心線附近，熱量傳遞較迅速，使得沿中心線的溫度下降較快。以上分析表明，射流閃蒸對燃油燃燒預混的影響，主要通過射流霧化形式和閃蒸傳熱蒸發(fā)行為的調(diào)控，在雙重作用下形成濃度適宜的燃料-空氣混合氣，最終達到高效燃燒的目的。

3 射流閃蒸中的特征現(xiàn)象

射流碰撞是射流閃蒸過程中利用流體動力學引發(fā)液相破碎的慣用手段，其實際應用非常廣泛，如沖擊射流換熱駐點附近的射流流動、發(fā)動機噴油燃燒、噴霧噴涂等[49]。按照射流碰撞分類，可以將射流碰撞分為直射射流沖擊碰撞和霧化射流碰撞。關于沖擊式直射射流碰撞，是通過巨大的射流動量沖擊引發(fā)主體射流破碎。對于沖擊方式的選擇，現(xiàn)今主流的研究有單相射流對沖式撞擊破碎[50]和第二相協(xié)助沖擊破碎[51]。關于霧化射流碰撞，是通過大量射流霧化粒子在運動中相互影響，產(chǎn)生碰撞來實現(xiàn)。總的來說，在射流碰撞破碎過程中，主要是由于密集獨立分散液相之間的相對運動，導致各液相之間相互碰撞作用而產(chǎn)生的碰撞結果，如液相破碎、合并、分散等行為，進而影響區(qū)域內(nèi)液滴的大小、運動分布情況。同時，液滴碰撞造成的液滴變形、二次霧化、運動變化等特征，也會對蒸發(fā)參與過程、傳熱傳質(zhì)參與過程等產(chǎn)生連鎖性影響。射流閃蒸過程中，液相射流產(chǎn)生的碰撞破碎行為，對后續(xù)閃蒸效率有至關重要的影響。在研究射流閃蒸過程中，液相的碰撞破碎影響作用不可忽視。

3.1 射流閃蒸過程中的動量傳遞

對射流閃蒸而言，整個過程伴隨著多相運動及相變過程，液相不斷地快速蒸發(fā)導致其動量傳遞過程與單一的射流有很大區(qū)別[52]。具體地，在射流方向上，由于液相的閃蒸作用，射流沿下游的速度剛性急劇衰減，再加上蒸發(fā)汽化作用，使得主射流的速度方向矢量發(fā)散。同時，由于蒸發(fā)熱形成的擴散，造成在徑向上的動量出現(xiàn)膨脹行為。因此，上述行為的發(fā)生，導致了射流閃蒸過程中動量傳遞出現(xiàn)較大的混亂特性[53]。研究表明，受到射流的混亂運動影響，在閃蒸初期，射流液相極容易與周圍液相碰撞發(fā)生相互作用。同時，這種碰撞作用進一步改變了閃蒸過程[54]。Tonini等[55]利用模型計算的方式，證明處于蒸發(fā)狀態(tài)的液相發(fā)生碰撞時，其表面形變曲率越大，對應處蒸發(fā)的濃度梯度也越大。上述研究表明，碰撞對液相產(chǎn)生的形變會促進液相蒸發(fā)。此外，射流動量特性也能直接影響閃蒸傳質(zhì)，即在射流初始速度較大時，閃蒸效率明顯提高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，是由于初始動量越大，射流影響范圍也越廣，使閃蒸發(fā)生的空間不斷擴大，進而強化了閃蒸過程。

3.2 射流閃蒸過程中的熱量傳遞

射流閃蒸的熱量傳遞，受到射流液相運動與蒸發(fā)耦合過程的影響，從而導致體系內(nèi)傳熱過程十分復雜。事實上，射流閃蒸中熱量的傳遞行為，直接主導閃蒸過程的優(yōu)劣。因此，對射流閃蒸傳熱的研究多集中在閃蒸傳熱方面。

射流閃蒸階段的主要傳熱方式，有對流、導熱、相變傳熱[56]。對于閃蒸過程，相變傳熱具備獨有的特點，即從相變換熱角度來看，液相閃蒸成為氣相時，液相熱量首先以顯熱的形式釋放，被發(fā)生相變所需的潛熱所吸收，從而快速的完成相轉變過程。Ji等[57]以此為基礎，通過分析閃蒸過程中的可用顯熱與蒸發(fā)所需能量關系，得到閃蒸與Ja數(shù)之間的關聯(lián)，證實了熱量傳遞會對閃蒸過程產(chǎn)生影響。從熱量擴散的角度，液相經(jīng)閃蒸得以汽化，形成的氣相具有很強的擴散性。隨后，熱量再通過氣相攜帶作用進行快速傳遞。正是得益于氣相對熱量的攜帶作用，閃蒸過程中的熱量在空間中迅速傳遞。以上2個因素的共同作用，促進了熱量的傳遞過程，從而提高閃蒸過程傳熱效率[58]。

3.3 射流閃蒸過程中的質(zhì)量傳遞

前2部分關于射流閃蒸中的傳遞分析表明：動量傳遞和熱量傳遞，是促進射流閃蒸傳質(zhì)的關鍵因素。因此，對射流閃蒸的傳質(zhì)過程分析，一般以這2項參數(shù)作為主要考慮的影響因素。

閃蒸作為傳質(zhì)進行的主體階段，無論是液相汽化蒸發(fā)，還是揮發(fā)性氣體揮發(fā)等，其傳質(zhì)過程遵循氣相的擴散規(guī)律，即對于閃蒸形成的氣相擴散過程，其基本的擴散方式為濃度擴散。此過程中，蒸汽相濃度的大小受傳熱過程的影響，也就是熱量的傳遞快慢直接決定氣相擴散的快慢[59]。Markadeh等[60]分析得到，處于蒸發(fā)條件下的液滴，在蒸發(fā)初始階段熱量傳播速率大于蒸汽質(zhì)量傳播速率，而在蒸發(fā)后半段，質(zhì)量傳播速率大于熱量傳播速率。這是由于蒸發(fā)初期蒸汽濃度低，導致濃度梯度推動的傳質(zhì)過程緩慢。隨著蒸發(fā)不斷進行，質(zhì)量擴散逐漸受對流傳質(zhì)擾動等影響，其傳質(zhì)作用增強。

然而，以上是針對閃蒸理想化的濃度擴散過程，而實際的射流閃蒸傳質(zhì)過程稍顯復雜。以射流碰撞破碎閃蒸為例，射流形成的復雜液相運動，造成液滴破碎、相鄰液相互影響等結果，導致閃蒸傳質(zhì)的分析，不能簡單地采用傳質(zhì)擴散模型。因此，在進行實驗研究時，還需要輔以模擬的方式加以分析。Castanet等[61]利用實驗與模擬的方式，分析了處于強制蒸發(fā)條件下相鄰液滴的蒸發(fā)行為。研究發(fā)現(xiàn)，在蒸汽邊界層內(nèi)，傳質(zhì)主要受擴散控制，液滴之間間距越小，相鄰液滴蒸發(fā)受到干擾，從而導致傳質(zhì)性能急劇減小。

4 結論

射流閃蒸作為一個強傳熱傳質(zhì)過程，伴隨著射流運動的動量傳遞、溫度變化的熱量傳遞及閃蒸作用導致的質(zhì)量傳遞。以上3個過程受射流條件和閃蒸條件的共同影響，三者的變化情況相互影響。因此，在研究射流閃蒸過程的傳遞現(xiàn)象中，常把3個過程綜合起來進行分析。

射流技術和閃蒸技術在各自領域均有針對性的應用實施。射流閃蒸耦合技術兼具兩者的特性，進一步拓展了應用范圍。由于具備明顯的優(yōu)勢，將有利于以射流閃蒸為基礎，逐步推進其工業(yè)化進程。然而，目前關于射流閃蒸耦合強化機制的研究較少，限制了耦合強化技術在工業(yè)過程中的應用。