高溫高壓噴霧閃蒸的蒸發特性

季　璨，王乃華，崔　崢，程　林

（山東大學熱科學與工程研究中心，山東 濟南 250061）

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高溫高壓噴霧閃蒸的蒸發特性

季璨，王乃華，崔崢，程林

（山東大學熱科學與工程研究中心，山東 濟南 250061）

基于新型高溫高壓噴霧閃蒸實驗臺，以水為工質，研究初始條件和運行條件對閃蒸蒸發特性的影響。首次將液體初始溫度提高至100℃以上，將閃蒸罐運行壓力保持為正壓，并使用具有獨特雙S形葉片的渦旋實心錐噴嘴，將液體向上或向下噴入閃蒸罐。實驗過程中液體初始溫度為135～150℃，閃蒸壓力分別為121、126、131、136、141、146 kPa，液體過熱度為30～46℃。實驗結果表明，閃蒸蒸汽流量隨初始溫度的提高而增大，隨閃蒸壓力的提高而減小。液體向下噴射比向上噴射產汽量更高，蒸汽帶水更少。閃蒸效率隨過熱度呈線性增長，在大量實驗數據基礎上擬合出二者之間的經驗公式。實驗結果為高溫高壓噴霧閃蒸的工業應用提供借鑒。

噴霧閃蒸；高溫高壓；影響因素；閃蒸效率；相變；兩相流；蒸發

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151702

引　言

閃蒸過程具有速度快、能耗低、分離效果好、冷卻能力高等優勢，在海水淡化［1］、食品藥品干燥［2］、航天飛機高溫部件冷卻［3］、地熱利用［4］等領域得到廣泛應用。

國內外對閃蒸的研究多集中于池水和水膜閃蒸。Miyatake等［5］最早對閃蒸機理展開研究，指出閃蒸可分為快速沸騰和表面蒸發兩個階段，提出了衡量閃蒸過程溫度變化和完成程度的兩個重要參數：不平衡溫差（NETD）和不平衡分數（NEF）。Kim等［6］在水膜閃蒸實驗中發現了蒸發速率顯著減小的臨界時間點和NETD達極小值的初始溫度點。Jin等［7］利用PIV研究了多級閃蒸海水淡化閃蒸罐內流動特性，利用高速CCD攝像儀研究了過熱度對閃蒸情況的影響，分析了氣泡的形成、生長和運動。Saury等［8-9］研究了液體初始溫度、初始壓力、初始液位高度和降壓速率等因素對水膜閃蒸蒸發量和蒸發速率的影響，并估算出閃蒸時間。楊慶忠等［10］研究了不同初始條件下NaCl溶液的靜態閃蒸過程，分析了閃蒸蒸發質量的變化規律并擬合了實驗關聯式。Yan等［11］基于兩套實驗系統，對靜態閃蒸和循環閃蒸的NEF、蒸發量和傳熱系數進行對比研究，并建立了適用于這兩種閃蒸模式的換熱計算模型。Zhang等［12］通過實驗研究了純水和NaCl溶液靜態閃蒸過程的蒸汽攜帶效應，并提出了相關的計算模型。Zhang等［13］探討了過熱度、流量、壓力對水膜循環閃蒸NEF和傳熱系數的影響。

近年來，過熱射流閃蒸研究也取得一定進展。Miyatake等［14］研究了射流初始溫度為60℃時，過熱度、流速、噴嘴直徑對閃蒸的影響，發現液體射流閃蒸速率比池水閃蒸快得多，提出了預測液體溫度與時間關系的經驗公式。Ikegami等［15］通過實驗，研究了流體噴射方向對射流中心線量綱1溫度的影響。El-Fiqi等［16］在實驗中得出了閃蒸蒸發量與初始溫度、閃蒸壓力、過熱度的關系。Muthunayagam等［17］建立了蒸汽擴散模型，預測26～32℃的海水以細小液滴方式噴入低壓蒸發器中的閃蒸過程，并用一系列實驗對模型的預測做出了驗證。Mutair等［18-20］在一系列過熱射流閃蒸實驗中，觀察了流動狀況對閃蒸射流特性和閃蒸強度的影響，發現射流中心線上，沿噴射方向分為3個區域——速度核心區、噴霧區和飽和區，提出了預測射流中心線溫度變化的指數型衰減曲線，估算閃蒸結束的位置并提出關聯式。

綜合來看，前人對閃蒸的研究多以池水和水膜閃蒸為主；在射流閃蒸方面，射流初始溫度較低，均在100℃以下；過熱度范圍較小，均低于22℃；閃蒸罐內壓力均低于大氣壓；所采用的噴嘴也多為結構簡單的圓柱型噴嘴。對于可在余熱發電等工業領域有較高應用價值的高溫高壓噴霧閃蒸，未見專門報道。因此，本文基于新型高溫高壓噴霧閃蒸實驗臺，將液體初始溫度提高至100℃以上，將過熱度范圍擴大至30～46℃，將閃蒸罐運行壓力保持為正壓，并選用具有獨特雙S形葉片的渦旋實心錐噴嘴。通過變工況實驗，探究液體初始溫度、閃蒸壓力、過熱度和噴射方向等因素對閃蒸蒸發特性的影響，擬合出具有代表性的經驗公式，拓展噴霧閃蒸的研究范圍，為高溫高壓閃蒸的工業應用提供重要參考。

1　實驗系統與方法

1.1實驗系統

高溫高壓噴霧閃蒸實驗系統如圖1所示。主要由加熱裝置、閃蒸系統、補水系統和數據采集系統組成。具體工作過程為：一定流量的水在加熱器內加熱至目標溫度后，通過噴嘴進入閃蒸罐，發生閃蒸。閃蒸蒸汽由罐體頂部的管道輸送至集氣箱，剩余的水由罐體底部的管道泵送回加熱器，進入下一輪循環。由于蒸發，罐內的水量減少，需從補水水箱及時補入。

閃蒸罐專為高溫高壓閃蒸過程而設計，主體為圓柱形筒體，上下配有標準橢圓封頭，直徑2.5 m，總高5.33 m。材料為Q345R，壁厚30 mm，可承壓達3 MPa。罐體及管道外部均包覆厚度為100 mm的硅酸鋁針刺毯保溫材料。閃蒸罐的供水管道有兩條，對稱地安裝于筒體的上部和下部，朝向均沿筒體軸線，可分別滿足液體向下或向上噴射的要求。

實驗選用渦旋實心錐噴嘴，其內部設有兩個獨特的S形葉片，霧化效果良好，噴霧角度為90°。噴嘴外形及內部結構如圖2所示，主要尺寸參數列于表1中。

表1　R噴嘴主要尺寸Table 1　Main dimensions of nozzle

圖1　噴霧閃蒸實驗系統Fig. 1　Schematic diagram of spray flash evaporation experimental system

圖2　噴嘴外形及內部結構Fig. 2　Shape and internal structure of nozzle

實驗系統中，流體的溫度由PT100型熱電阻溫度計測量，流體的壓力由EJA430A型壓力變送器測量，水的流量由LWGY型渦輪流量計測量，蒸汽的流量由YF100型旋渦流量計結合XSJ-39AIK型流量數字積算儀測量。儀表所測數據由XMD5000型巡檢儀實時記錄。實驗過程中，閃蒸罐供水溫度的控制通過調節加熱器供給的熱量來實現。罐內壓力的調節和維持，通過電動執行機構帶動安裝于蒸汽管道上的調閥開大或關小來實現。該電動執行機構接收壓力傳感器測得的罐內部壓力信號，并與設定的目標壓力作比較，通過兩者的偏差，判斷調閥的開大或關小，并帶動調閥動作，以此使閃蒸壓力保持為目標壓力。

1.2實驗方法

實驗開始前，使系統預先運行2 h，以除去系統中的不凝氣體。正式實驗時，將加熱器出口液體溫度控制在目標溫度，將閃蒸罐內的壓力設置為目標壓力，調節供水管道閥門開度達目標供水流量，開始一組實驗；待系統進入穩定階段，記錄數據。

采用控制變量法，進行多組實驗。分別改變液體初始溫度、閃蒸壓力或噴射方向之中的一個參數，保持其他參數恒定。各參數的變化范圍列于表2中。其中，過熱度ΔTs代表液體初始溫度T0與閃蒸壓力對應的飽和溫度Ts之差，即ΔTs= T0-Ts。

表2　R實驗參數變化范圍Table 2　Range of experimental parameters

1.3不確定度分析

使用Moffat［21］的方法對實驗中的直接測量參數進行不確定度分析，計算結果列于表3中。

表3　R不確定度分析Table 3　Uncertainty analysis

2　實驗結果與討論

2.1初始溫度對閃蒸蒸發量的影響

圖3　不同工況下閃蒸蒸汽流量與初始溫度的相對關系Fig. 3　Relationship between vapor mass flow rate and initial temperature under different conditions

圖3為當閃蒸壓力、供水流量和噴射方向其中一個參數發生變化時，閃蒸蒸汽流量隨液體初始溫度變化的曲線。這3組不同工況下的圖線呈相同趨勢，即蒸汽流量隨初始溫度的提高而增大。選取兩組工況作為代表，將大量實驗數據以散點圖形式示于圖4。可以總結出，無論閃蒸壓力、流量和噴射方向如何，閃蒸蒸汽流量均是液體初始溫度的增函數。這是由于在一定的閃蒸平衡壓力下，液體的初始溫度越高，其距離平衡狀態越遠，達到平衡狀態所需釋放的能量越多，因此蒸發量越大。而且，初始溫度的提高促進了氣泡的形成和生長，從而促進蒸發。另外，隨著溫度的升高，水的汽化潛熱減小，這進一步推動了蒸發的進行。所以，初始溫度的提高對閃蒸起到加強作用。

2.2閃蒸壓力對閃蒸蒸發量的影響

圖5是液體初始溫度保持為145℃、向上噴射和向下噴射時，閃蒸蒸汽流量隨閃蒸罐內壓力變化的曲線。可以看出，在每個工況下，蒸汽量均隨著閃蒸壓力的提高而減小。這可以解釋為，在初始溫度一定的情況下，罐內壓力提高，其對應的飽和溫度也相應提高，液體過熱度減小，閃蒸的驅動力減小，故蒸發量減少。從工程應用的角度來看，閃蒸壓力越低，蒸發速率越快，但蒸汽品質越低；相反，閃蒸壓力越高，蒸汽品質越高，但蒸汽量越少。所以，應將閃蒸壓力控制在合理范圍內，兼顧蒸汽量和蒸汽品質兩方面的要求。

2.3噴射方向對閃蒸蒸發量的影響

圖6給出了相同條件下，向下噴射和向上噴射時閃蒸蒸汽流量的對比。在實驗所涉及的過熱度范圍內，向下噴射的產汽量均高于向上噴射。向上噴射時，部分較小的液滴在向上運動的過程中，因質量輕而易受到上升氣流的作用，很可能還未完成閃蒸就被帶出閃蒸罐；向下噴射時，這種可能性則降至最低，若小液滴在下降過程中未閃蒸完全而被上升氣流帶起，則可在上升過程中繼續蒸發。實驗中觀察到的現象也可印證這一點：向下噴射時，閃蒸蒸汽不帶水或帶水極少；而向上噴射時，則可觀察到較為明顯的蒸汽帶水現象。蒸汽帶水多會給其后續利用帶來不便，因此從減小蒸汽帶水量和增多蒸汽流量這兩個角度來考慮，都應選擇向下噴射。

圖4　閃蒸蒸汽流量隨初始溫度的變化Fig. 4　Evolution of vapor mass flow rate vs initial temperature

通過圖6還可觀察出，向上與向下噴射的產汽量差距在中等過熱度范圍內（35～40℃）最大；在過熱度相對較低時（＜35℃）差距相對較小；在過熱度較高時（＞40℃）二者有越來越接近的趨勢。這一現象可以解釋為，過熱度相對較低時，蒸發進行的相對平穩，罐內的擾動并不劇烈，小液滴被帶出的可能性相對較小。隨著過熱度的增大，罐內擾動加劇，尤其向上噴射時小液滴被帶出的概率增大，因此與向下噴射的產汽量差距加大。過熱度進一步增大時，向上和向下噴射產汽量的差距反而減小。這是因為過熱度的增加使閃蒸發生的位置提前，同時也使閃蒸的速率加快，雖然較小的液滴仍存在被帶出的可能性，但大部分已在被帶出之前就完成了蒸發，因此向上噴射與向下噴射的產汽量差距縮小。

之前曾有學者對噴射方向的影響進行過研究。Ikegami等［15］在初始溫度24～40℃、過熱度2.5～12.5℃的實驗條件下，選用圓柱型噴嘴，進行了射流向上和向下噴射閃蒸對比實驗，得出的結論是向上噴射時閃蒸完成距離更短，可使系統更緊湊。這與本文得出的向下噴射效果更佳的結論相反。Ikegami等［15］的實驗中，液體初始溫度較低，過熱度范圍很小，液體進入閃蒸罐的形態是射流，閃蒸進行的并不劇烈。而且，該文獻的結論是在對初始溫度值和射流速度值均有嚴格限制的條件下得出的，不具有普適性。這說明在不同條件下進行的閃蒸實驗可能會得出完全相反的結論，初始溫度的高低、過熱度范圍的大小、射流是否得到良好霧化，都是影響實驗結果的關鍵因素。本實驗中，液體初始溫度很高，過熱度范圍較大，射流霧化良好，液體進入罐內的形態是液滴，閃蒸進行的較為劇烈，對液體速度也沒有嚴格限制，因此得出了通用性較強的結論。尤其考慮到本文的實驗目的是工程應用，更應全面考慮實際情況，例如蒸汽帶水的情況，選擇合適的閃蒸形式。綜合來看，實際應用中推薦向下噴射，因其兼具產汽量高、帶水量少、覆蓋完全、能充分利用罐內空間等優勢。

2.4過熱度對閃蒸的影響及經驗公式的擬合

液體的過熱度被普遍認為是閃蒸的驅動力，它消除了對初始溫度和閃蒸壓力的雙重依賴性，是噴霧閃蒸研究中具有代表性的綜合變量。因此，以過熱度為自變量，研究其對閃蒸的影響并擬合經驗公式。

前文中的研究對象均為閃蒸蒸汽質量流量，該參數非常直觀地反映出閃蒸的蒸發情況，但是在供水流量不同的情況下，不具有通用性。因此，此處定義一個新的參數——閃蒸效率，其含義是閃蒸蒸汽質量流量占供水質量流量的百分比，定義式為式（1）。閃蒸效率可作為衡量各工況下閃蒸情況的通用參數。

如前文所述，在本文的實驗條件下，向下噴射的綜合性能更佳。因此匯總向下噴射時，各流量、初始溫度、閃蒸壓力下的所有實驗數據，涵蓋了30～46℃的較大的過熱度范圍，繪制出閃蒸效率與過熱度的散點圖，如圖7所示。可以觀察出閃蒸效率隨過熱度基本呈線性增長。較高的過熱度不僅增多了液體的不穩定能量，而且促進了氣化成核，使閃蒸發生的位置提前，甚至在噴嘴內部就發生，減小了噴霧液滴粒徑，提高了閃蒸效率，因此過熱度是閃蒸的驅動力。采用線性擬合方法，得出閃蒸效率與過熱度之間的經驗公式

由式（2）計算出的結果也一并示于圖7。

圖8給出了所有實驗數據與由式（2）所得的計算值的對比。定義計算值與實驗值之間的相對誤差為

根據式（3）繪制出相對誤差為±30%的兩條線，有超過93%的數據點誤差在±30%以內。

圖7　閃蒸效率隨過熱度的變化：實驗結果與計算結果Fig. 7　Evolution of flash efficiency vs superheat：experimental results and calculated values

圖8　計算值與實驗值的相對誤差Fig. 8　Relative error between calculated values and experimental results

3　結　論

本文基于新型高溫高壓噴霧閃蒸實驗臺，首次將液體的初始溫度提高到135～150℃，將閃蒸壓力提高到大氣壓以上，將過熱度范圍擴大到30～46℃，拓展了閃蒸研究范圍。通過大量實驗，探究液體初始溫度、閃蒸壓力、噴射方向和過熱度對閃蒸特性的影響，擬合出經驗公式，得到以下主要結論。

（1）無論閃蒸壓力、供水流量和噴射方向如何，當液體初始溫度提高時，閃蒸蒸汽流量均隨之增大。

（2）在其他條件一定的情況下，閃蒸蒸汽流量隨閃蒸罐內壓力的提高而減小。較高的閃蒸壓力對應較高的蒸汽品質和較低的蒸汽產量，應根據實際需要確定合適的閃蒸壓力。

（3）噴射方向向下時蒸汽產量更高，且蒸汽帶水量更少，更有利于實際應用。

（4）過熱度是閃蒸的驅動力，本文的實驗結果反映出閃蒸效率與過熱度呈線性關系。根據所有結果擬合出經驗公式，其適用范圍是30≤ΔTs≤46℃。

符號說明

pev——閃蒸罐內壓力，kPa

qm，ev——閃蒸蒸汽質量流量，t·h-1

qm，in——閃蒸罐供水質量流量，t·h-1

qv，in——閃蒸罐供水體積流量，m3·h-1

T0——液體初始溫度，℃

ΔTs——過熱度，℃

η ——閃蒸效率，%

下角標

cal ——計算值

exp ——實驗值

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Evaporation characteristics of spray flash evaporation at high temperature and high pressure

JI Can， WANG Naihua， CUI Zheng， CHENG Lin
（Institute of Thermal Science and Technology， Shandong University， Jinan 250061， Shandong， China）

The influence of initial and operating conditions on spray flash evaporation characteristics was investigated based on a new high-temperature and high-pressure spray flash evaporation system. Water was used as the working fluid. The initial liquid temperature was raised to above 100℃ and the pressure inside the flash chamber was maintained positive for the first time. A specially-designed swirl nozzle with two S-shaped internal vanes was used to inject liquid upward or downward into the flash chamber. The experiments were conducted at initial temperatures ranging from 135 to 150℃， pressures of 121， 126， 131， 136， 141 and 146 kPa and superheats from 30 to 46℃. The results indicated that the mass flow rate of vapor generated by flashing increased with the increase of initial temperature and decreased with the increase of pressure. Downward injection outperformed upward injection for higher vapor generation rate and less water carried out by vapor. The flash efficiency was found to increase linearly with the degree of superheat. An empirical equation between flash efficiency and the degree of superheat was proposed based on a large amount of experimental data. The results provided reference for the application of spray flash evaporation at high temperature and high pressure in industrial fields.

spray flash evaporation； high temperature and high pressure； influencing factors； flash efficiency；phase change； two-phase flow； evaporation

date： 2015-11-11.

Prof. CHENG Lin， cheng@sdu.edu.cn

supported by the National Basic Research Program of China （ 2013CB228305）.

TK 124

A

0438—1157（2016）05—1771—07

2015-11-11收到初稿，2016-02-18收到修改稿。

聯系人：程林。第一作者：季璨（1989—），女，博士研究生。

國家重點基礎研究發展計劃項目（2013CB228305）。