不同參數(shù)對含鹽污水在蒸發(fā)管中流動特性影響的數(shù)值模擬分析

劉友樂，劉 冰，高 宇，王新龍，薛建良

(1.山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院)

當(dāng)前，眾多的研究開始關(guān)注含鹽污水的處理問題。目前對于含鹽污水的處理方法主要有物化法和生物法[6]。其中，借鑒海水淡化的技術(shù)中較成熟的方法有熱法和膜法。在熱法處理含鹽污水過程中，包括多效蒸發(fā)技術(shù) (MED)、機械壓縮蒸發(fā)技術(shù)(MVR)等以降膜蒸發(fā)器為核心的處理技術(shù)作為傳統(tǒng)的脫鹽方法，仍在脫鹽領(lǐng)域占據(jù)著不可或缺的地位[7]。降膜蒸發(fā)器具有熱效率高、結(jié)垢率低、傳熱溫差損失小及物料停留時間短等優(yōu)點，使得MED脫鹽效率很高[8-9]。因此，降膜蒸發(fā)傳熱的這些優(yōu)勢保證了MED優(yōu)良的蒸發(fā)特性[10-13]。

很早就有學(xué)者對蒸發(fā)管進(jìn)行研究，包括冷態(tài)成膜和蒸發(fā)換熱[14-16]，發(fā)現(xiàn)降膜蒸發(fā)器的核心部件布液器的布膜間隙以及料液進(jìn)口速度等會對降膜蒸發(fā)管的布膜效果和傳熱特性造成影響。因此，為較好地反映降膜蒸發(fā)管內(nèi)蒸發(fā)高濃度含鹽污水過程中的傳熱特性，本研究運用計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬技術(shù)模擬含鹽污水在豎向降膜蒸發(fā)過程中的速度、溫度和湍流強度等參數(shù)的變化，以及布液器的結(jié)構(gòu)、NaCl含量和料液入口速度等對這些參數(shù)的影響，以期獲得較好的蒸發(fā)傳熱效果。

1 降膜管模型建立

1.1 物理模型

在降膜蒸發(fā)器中，料液被均勻地分布在每個蒸發(fā)管中，每個管內(nèi)的液體流動狀況和傳熱情況基本一致，單管的流動狀況可以代表每個管的結(jié)果。本研究采用內(nèi)壁光滑的插件式豎直管，運用Solidworks軟件進(jìn)行建模，其物理模型如圖1所示，管長為1 000 mm，管內(nèi)徑為40 mm，插件式布液器在管內(nèi)的長度為20 mm，壁厚2 mm。

圖1 物理模型剖視圖

1.2 網(wǎng)格劃分

本研究通過ICEMCFD軟件對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了更好地捕捉邊界特征并提高計算精度，模型的網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，同時，對加熱壁面進(jìn)行加密處理。所得模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

1.3 控制方程

質(zhì)量方程：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

本課題采用的湍流模型是RNGk-ε模型[17]，根據(jù)工質(zhì)情況和管內(nèi)大流量降膜的特性選擇，其湍流動能方程和耗散率方程分別如式(4)和式(5)所示。

(4)

(5)

1.4 邊界條件與求解器設(shè)置

蒸發(fā)管入口條件為速度入口，液相體積分?jǐn)?shù)為1，出口條件為自由出口，參考壓力為大氣壓，蒸發(fā)管內(nèi)充滿空氣，液相入口溫度為333.15 K，蒸發(fā)管壁面設(shè)置為恒溫、無滲透、無滑移絕緣，加熱壁面溫度設(shè)置為393.15 K，收斂殘差設(shè)置為小于1×10-5。求解器設(shè)置如表1所示。

表1 求解器設(shè)置

注：VOF為流體體積模型；RNGk-ε為Renormalization-groupk-ε模型；PRESTO!為Pressure Staggering Option；UDF為自定義函數(shù)。

1.5 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

為了提高模擬精度以及減小誤差，需對模型模擬進(jìn)行正確性驗證，本研究通過對不同網(wǎng)格數(shù)(81 023，308 502，541 023，720 982，863 075，1 134 563)的蒸發(fā)管模型進(jìn)行模擬，對各自液膜厚度進(jìn)行對比，結(jié)果見圖3。由圖3可見，在網(wǎng)格數(shù)增大到900 000以上時，模擬得到的液膜厚度變化不大，另外考慮到模擬精度及模擬時間長短，最終選擇蒸發(fā)管模型的網(wǎng)格數(shù)為800 000左右。

圖3 蒸發(fā)管模擬網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 不同入口速度下參數(shù)的變化

蒸發(fā)管的液體入口速度作為一個重要的參數(shù)，對蒸發(fā)管的傳質(zhì)過程及換熱效果有著很大的影響，為了探究不同入口速度對蒸發(fā)管性能的影響，本研究采用控制變量法，即在保證布膜間隙相同的情況下，研究NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%溶液以入口速度為0.100，0.125，0.150 m/s進(jìn)入蒸發(fā)管時內(nèi)壁近壁面處的溫度梯度，以及500 mm處管內(nèi)湍流強度和速度特性，結(jié)果見圖4～圖6。

圖4 不同入口速度時500 mm處管內(nèi)壁處溫度梯度分布 —0.100 m/s； —0.125 m/s； —0.150 m/s。圖5～圖6同。

圖4為不同入口速度時，蒸發(fā)管500 mm處管內(nèi)壁處溫度梯度分布。管外壁的溫度為393.15 K，貼近壁面處溫度與壁面溫度接近，所以3條曲線與y軸的截距都相同；在距管內(nèi)壁0～0.3 mm范圍內(nèi)，溫度明顯下降，這主要是由于膜狀沸騰形成了氣膜，氣體和液體的導(dǎo)熱系數(shù)有較為明顯的差異，導(dǎo)致傳熱效果不佳，溫度下降較快；而在0.3 mm以后的液膜區(qū)溫度較為穩(wěn)定。由于入口速度的增大，液體在管內(nèi)停留時間減短，加熱時間也減少，導(dǎo)致管壁處與液膜處的溫差增大，這與圖4中的結(jié)果相同。但由圖4可以看到，即使入口速度增幅相同，遠(yuǎn)管壁處溫差也不盡相同，例如，速度由0.125 m/s增大到0.150 m/s時，溫差為0.4 K左右，而由0.100 m/s增大到0.125 m/s時溫差為0.9 K左右。

圖5 不同入口速度時500 mm處管內(nèi)湍流強度分布

圖5為不同入口速度時，蒸發(fā)管500 mm處管內(nèi)湍流強度分布。湍流強度存在于流體內(nèi)部，是反映流體湍流運動特性的特征量。由圖5可以看出，流體湍流強度從管中心沿著徑向先增大后減小，最后在貼近壁面處增大。壁面處的高湍流強度是由于此處是內(nèi)部極不穩(wěn)定的氣膜，而沿著徑向向中軸線方向湍流強度急劇減小，是因為到達(dá)了液膜區(qū)。在距管中軸線15～19 mm的氣相區(qū)域，湍流強度由管壁向中軸線方向迅速增大，在入口速度為0.125 m/s時最大。在距管中軸線5～15 mm時，在入口速度為0.100 m/s時湍流強度最大，而0.150 m/s時湍流強度最小。

圖6 不同入口速度時500 mm處管內(nèi)速度分布

圖6為不同入口速度時，蒸發(fā)管500 mm處管內(nèi)速度分布。在研究液膜的特性時，液相和氣相的速度也是一個重要的特征量，速度大小是影響蒸發(fā)快慢的因素之一。由圖6可知，在靠近壁面處，不同入口速度下氣膜的速度基本一樣，而在距管中軸線15 mm到氣膜處，進(jìn)口速度為0.150 m/s時流體速度最大，0.100 m/s時流體速度最小，由此可以看出，不考慮其他因素，適當(dāng)增大進(jìn)口速度雖然會使液膜速度增大，但液膜表面的氣相速度也會增大，這會加大液相變?yōu)闅庀嗟乃俣龋瑢ρ芯咳肟谒俣葘φ舭l(fā)管蒸發(fā)效果的影響有一定的幫助。

2.2 不同布膜間隙下參數(shù)的變化

作為蒸發(fā)管的核心部件，布液器直接決定了其布液效果，且蒸發(fā)管的布膜間隙即最終成膜時布液器與管內(nèi)壁的距離也與布液效果息息相關(guān)，下面采用控制變量法研究在布膜間隙分別為1.00，1.25,1.50 mm時的布液特性,結(jié)果見圖7～圖9。

圖7 不同布膜間隙時500 mm處管內(nèi)壁處溫度梯度分布 —1.00 mm； —1.25 mm； —1.50 mm。圖8～圖9同。

圖7為不同布膜間隙時，蒸發(fā)管500 mm處管內(nèi)壁處溫度梯度分布。由圖7可以看出，貼近管壁處溫度與壁面溫度接近，在距管壁0～0.3 mm范圍內(nèi)溫度緩慢下降，這說明管內(nèi)傳熱主要集中在這個區(qū)域，0.3～2.0 mm范圍內(nèi)溫度基本不變。值得注意的是，在布膜間隙為1.0 mm和1.5 mm時在距管壁0～0.6 mm之間溫度相近，在0.6 mm以后才開始出現(xiàn)明顯差異，布膜間隙為1.00 mm和1.50 mm時的溫降都小于布膜間隙為1.25 mm時的溫降。

圖8 不同布膜間隙時500 mm處管內(nèi)湍流強度分布

圖8為不同布膜間隙時，蒸發(fā)管500 mm處管內(nèi)湍流強度分布。由圖8可以看出，沿管徑向在距管中軸線18.0 mm到接近壁面處，布膜間隙為1.5 mm時的湍流強度大于布膜間隙為1 mm和1.25 mm時的湍流強度，這對傳熱有積極作用。但在距管中心13.5 mm到18.0 mm之間，布膜間隙為1.50 mm時湍流強度最小，不利于傳熱。

圖9 不同布膜間隙時500 mm處管內(nèi)速度分布

圖9為不同布膜間隙時，蒸發(fā)管500 mm處管內(nèi)速度分布。由圖9可知，沿管徑方向距蒸發(fā)管中軸線16.5 mm到接近壁面處，布膜間隙為1.00 mm時速度最大，此段包括了液膜和氣相速度，且液膜速度分布規(guī)律與湍流強度分布規(guī)律基本吻合，在19.0 mm處達(dá)到最大值，但由于氣相曳力，使得液膜表面速度下降。

2.3 不同NaCl含量下參數(shù)的變化

在降膜蒸發(fā)管實際工作狀況下，需要處理的污水鹽的質(zhì)量濃度不同，傳熱管內(nèi)的流體的流動特性也有一定的差異，例如溫度和湍流強度等，這往往會對蒸發(fā)管的傳熱傳質(zhì)產(chǎn)生影響，所以針對這一狀況，研究了在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和20%時蒸發(fā)管的部分傳熱傳質(zhì)特性。

圖10為不同NaCl含量時，蒸發(fā)管500 mm處管內(nèi)壁處溫度分布。由圖10可以明顯看出，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時溫降幅度和溫降速率均大于NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時的溫降變化，兩者的溫度都在距離管壁0.5 mm之后保持穩(wěn)定，這是因為隨著NaCl含量的增大，污水密度增大，比熱容減小，導(dǎo)熱系數(shù)減小。

圖10 不同NaCl含量時500 mm處管內(nèi)壁處溫度分布NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)： —10%； —20%。圖11、圖12同。

圖11為不同NaCl含量時，蒸發(fā)管500 mm處管內(nèi)湍流強度分布。對于流體的湍流強度，由圖11可以看出，沿徑向距離蒸發(fā)管中軸線19 mm到接近管壁處，不同NaCl含量的污水湍流強度基本一致，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時的湍流強度略大，而在距管中軸線16～19 mm范圍內(nèi)卻是NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時的湍流強度較大。

圖11 不同NaCl含量時500 mm處管內(nèi)湍流強度分布

圖12 不同NaCl含量時500 mm處管內(nèi)速度分布

圖12為不同NaCl含量時，蒸發(fā)管500 mm處管內(nèi)速度分布。由圖12可以看出，在接近壁面處距管壁4 mm范圍內(nèi)，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時大于NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時的速度，且在距管中心18.2 mm處(液相與氣相交界處)達(dá)到最大值，沿徑向向內(nèi)速度迅速下降，這與管內(nèi)蒸汽的流動有關(guān)。可見增大NaCl含量會導(dǎo)致管內(nèi)氣相及液相速度發(fā)生變化，但變化幅度不大且速度分布規(guī)律不變。

3 結(jié) 論

(1)降膜蒸發(fā)管內(nèi)壁面處溫度的總體分布規(guī)律表現(xiàn)為貼近管內(nèi)壁處氣膜區(qū)溫度急劇下降，而在徑向距管內(nèi)壁0.3 mm以后趨于平穩(wěn)。不同參數(shù)對溫度的影響表現(xiàn)為入口速度增大和含鹽污水NaCl含量增大會使蒸發(fā)管近壁面處溫降變大；布膜間隙為1.25 mm時的溫降相較于1.00 mm和1.50 mm間隙時的溫降大。

(2)降膜蒸發(fā)管內(nèi)500 mm處湍流強度分布規(guī)律總體表現(xiàn)為沿著徑向相對于蒸發(fā)管中軸線的距離增大先緩慢增大后迅速減小，最后在貼近壁面處急劇增大。不同參數(shù)對管內(nèi)500 mm處湍流強度的影響規(guī)律為:在距管中軸線15～19 mm的氣相區(qū)域，在入口速度為0.125 m/s時湍流強度最大；布膜間隙為1.50 mm時的湍流強度大于布膜間隙為1.00 mm和1.25 mm時的湍流強度；沿徑向方向0～19 mm范圍內(nèi)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時的湍流強度略大，而在16～19 mm范圍內(nèi)卻是NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時的湍流強度較大。

(3)降膜蒸發(fā)管內(nèi)500 mm處速度分布的總體規(guī)律表現(xiàn)為沿徑向由管中心向管壁方向流體速度緩慢減小，在距管中心12～15 mm處達(dá)到最小值，后迅速增大，在液膜區(qū)達(dá)到最大值后又在氣膜區(qū)急劇減小。不同參數(shù)對管內(nèi)500 mm處速度的影響表現(xiàn)為在距管中軸線15 mm到氣膜處，進(jìn)口速度為0.150 m/s時流體速度最大，0.100 m/s時流體速度最小；增大布膜間隙會導(dǎo)致液膜流速減小，但會使液膜表面到距管中心15.5 mm范圍內(nèi)氣相速度增大；在接近壁面處距管壁4 mm范圍內(nèi)，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時大于NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時的速度，且在距管中心18.2 mm處(液相與氣相交界處)達(dá)到最大值。