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)，同時防止液滴對換熱效率產(chǎn)生影響。

受實驗研究操作性差、周期長、成本高等的限制，同時，隨著計算機技術的發(fā)展，CFD模擬技術開始被應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，屬于一個具有復雜幾何形狀的系統(tǒng)，因此必須對其進行物理模型簡化。其中，廣泛應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構的模型，它采用經(jīng)驗公式來定義多孔介質(zhì)上的流動阻力。從本質(zhì)上來說，多孔介質(zhì)模型就是在動量方程中增加了一個代表動量消耗的源項。多孔介質(zhì)模型在建模時不需要自己構建，只需要劃出一塊區(qū)域，然后在Fluent求解過程中將該區(qū)域設定為多孔介質(zhì)即可。多孔介質(zhì)模型不對液滴碰撞網(wǎng)絲被截留的過程進行模擬，因此無法預測除霧效率，但其顯著優(yōu)點是模型簡單，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。對實際海水淡化工程項目中的除霧器設計存在的問題進行分析并提出了優(yōu)化改進建議。

1 絲網(wǎng)除霧器的模擬及性能分析

1.1 多孔介質(zhì)模型構建

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

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)。這兩個阻力系數(shù)的確定，最準確的方法是通過速度與壓降的試驗數(shù)據(jù)試驗得到。在沒有試驗條件的情況下，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)除霧器進行模擬，構建如圖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數(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系，液相體積分數(shù)越大，壓降也越大。當液相體積分數(shù)為零時，壓降最小，此壓降即所謂的干壓降。實際上，蒸汽中所含液滴體積分數(shù)很小，據(jù)文獻所述，多級閃蒸產(chǎn)生的蒸汽中所含液滴體積分數(shù)在10-5數(shù)量級。從表1中可以看到，當液相體積分數(shù)為5×10-5時，壓降307 Pa，與干壓降(297 Pa)相差很小，這是符合實際情況的。本文下面所模擬的除霧器壓降也均以干壓降計。

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 實際工程中除霧器設計優(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重不均勻的，上層除霧器中的汽速最高達到12 m/s，顯著大于下層汽速(5 m/s左右)，導致整體壓降較大，且汽速過高可能造成液泛和二次夾帶，達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，存在較大的流動死區(qū)，流動死區(qū)的存在可能造成該處除霧器面積浪費和該處除霧效率低，導致產(chǎn)品含鹽量高。因此，有必要對原設計進行改進。

(a)原設計下速度云圖

分析認為，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致的，蒸汽流動死區(qū)主要是由于管束擋板的折邊位置導致的。據(jù)此，對蒸發(fā)器管束和除霧器布置作調(diào)整。根據(jù)理論計算結果，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，相比原設計降低了130 Pa。同時，壓降分布更加均勻，最大和最小壓降差值減少至僅為4 Pa。結果如下所示。

調(diào)整后的管束和除霧器模擬結果如圖8所示。

(a) 優(yōu)化設計下速度云圖

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，同時也基本消除了流動死區(qū)，增大了除霧器的利用率，達到了優(yōu)化設計的目的。

3 結 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進行數(shù)值模擬，并對影響蒸汽流經(jīng)除霧器的壓降的因素進行了分析，結果表明：(1)其他條件相同時，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)二次多項式關系，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。

對實際海水淡化工程應用中的除霧器布置存在的蒸汽分配不均、壓降大、流動死區(qū)等問題進行了分析，并提出了優(yōu)化改進方案。模擬分析結果表明，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，同時消除了流動死區(qū)，大大改善了除霧器的應用效果。