海水淡化旋流式噴頭噴淋均勻性研究

曹傳鵬，解利昕，徐世昌，杜亞威

（1.天津大學化工學院，天津市膜科學與海水淡化技術重點實驗室，天津300072；2.河北工業大學化工學院，天津300130）

海水淡化技術是滿足日益增長的淡水需求的解決方案之一[1]。我國部分沿海地區海水存在高污染問題，盡管多效蒸餾的能耗高于反滲透技術，僅需簡單預處理的低溫多效海水淡化技術依然展現出良好的應用前景。水平管降膜蒸發器（HFE），具有傳熱效率高、壓降小、易分離蒸汽、溫差小等顯著優點[2]。水平管降膜的傳熱系數約為豎直管降膜蒸發的2 倍，而且原料在管外蒸發，易于觀察測定成膜和結垢情況，在海水淡化工程中應用廣泛[3]。

水平管降膜蒸發器由液體分布器、水平蒸發管、回流系統和排氣通道四個關鍵部件組成。而位于蒸發器上方的液體分布器將進料海水噴淋到下部水平管束上，并通過水平管束與管內蒸汽進行換熱。蒸發側的傳熱系數與液膜分布、蒸發液物化性質、換熱管尺寸、換熱環境等多種因素相關[4]，因此液體分布效果會影響蒸發器的性能[5]。液體分布器噴灑的液體是否均勻，將直接影響整個設備的運行效率[6]。而目前液體分布器的主要形式為噴淋管式、噴淋板式、噴嘴式液體分布器[7]。噴嘴式液體分配器在防止不溶物或垢物堵塞方面具有一定的優勢[8]。一些學者對液體分布器開孔間距、開孔大小和布液高度等因素進行了實驗研究[9～13]，或采用數值模擬方法對內部流體流動形態進行分析[14]，對分布器優化設計起到指導作用。

本文針對海水淡化系統中空旋流式液體噴頭進行了液體分布均勻性研究，提出了多噴頭布置方案，并進行了均勻性分析，為分布器優化設計、提高蒸發器蒸發效率起到指導作用。

1 實驗部分

1.1 液體噴頭的結構

中空結構的旋流液體噴頭結構如圖1。

圖1 中空旋流液體噴頭

圖1 是中空結構旋流液體噴頭圖片。噴頭的長方體入口通道與圓柱體渦流室相切。液體沿著切線方向通過入口通道進到渦流室，并在空腔內形成回旋流。最后從喇叭形噴嘴均勻噴灑出來。噴頭出口口徑較大，難溶物和垢物不容易沉積堵塞，噴淋壓力損失較小。在一定范圍內液體分布均勻，能夠適應水平管降膜蒸發器液體均勻分布的要求。

1.2 噴淋實驗平臺

研究中搭建噴頭噴淋實驗平臺如圖2，對該噴頭的噴淋特性及均勻性影響因素進行實驗。

圖2 噴頭噴淋特性實驗平臺

圖2 為噴淋特性測試示意圖。實驗中使用自來水作為工作介質。原料水儲存在原料水箱中，通過離心泵將原料水泵送到噴頭。液體通過噴頭噴灑，下部的液體收集系統收集計量噴灑的液體。液體收集系統由若干個集液量筒等間距排列組成。排列的集液量筒可以旋轉收集不同角度的噴淋液體。通過調節進料流量和噴頭高度，可以測量不同流量和噴淋高度的液體噴淋量。液體收集系統各個集液量筒的示數將用于反應噴頭的噴淋覆蓋范圍和噴淋均勻性情況。

液體收集裝置由一排緊密排列的量筒和擋水板組成。排列的集液量筒位于噴頭下方，并可繞著中心點任意角度旋轉從而覆蓋整個噴淋的圓形范圍。實驗開始前集液量筒由擋水板遮擋，當開機運行穩定后，開始計時的瞬間移走擋水板。一段時間后且量筒內的噴淋液量均未達到最大刻度時停止計時，停止計時的瞬間用擋水板遮住集液量筒。然后分別讀取量筒的集液量，每組實驗重復三次取平均值。本文中的噴淋量q（m/s）由單位時間量筒的集液高度變化表示，S（mm）為集液量筒距噴頭中心（噴頭出口中心線與集液測量平面交點）的水平距離。

2 結果與討論

2.1 單噴頭噴淋均勻性分析

圖3 不同流量下的布液分布（高度500mm，角度0℃）

圖4 不同角度的布液分布（高度500mm，流量9t/h）

圖5 不同高度的布液分布(流量9t/h，角度0℃)

圖3、4 和5 分別為不同流量、角度和高度下的布液分布情況。噴淋液體分布基本上關于噴頭噴淋中心對稱分布，噴淋量主要集中在中間范圍區域，噴淋范圍邊緣部分的噴淋量較小。在中間區域，液體噴淋量分布較為均衡，噴頭的噴淋均勻性得到體現，可以滿足水平管降膜蒸發器內的進料海水噴淋要求。由圖3 可以看出，隨著噴淋流量的增加，噴淋量也逐漸增加。在中間有一個噴淋量相對較小的區域，且流量越大越明顯。進入旋流室的液體繞著噴頭圓形壁面做旋流運動，靠近壁面處的液體壓力較高。隨著流量增加，進入噴嘴壁面的液體切向壓力升高，噴淋范圍增加，中間區域的噴淋量相對減小。由圖4 可知，對于不同的噴淋角度，噴淋量的變化不大。由圖5 可以看出，隨著噴淋高度的增加，中間噴淋量逐漸減小但噴淋分布更加均勻。當噴淋高度為600～700mm 時，可以實現較為均勻的噴淋分布。

2.2 多噴頭噴淋均勻性分析

為了測定多個噴頭噴淋布液性能，針對單噴頭的噴淋特性，提出了兩種較佳的多噴頭布置方案（圖6）。ABCD 為噴頭的布置點，由于噴淋區域由重復的正方形和三角形組成，因此只需測定該區域的布液分布。通過調整噴頭間距離確定較佳的布液分布結構。分布。

圖6 多噴頭布置方案 (a)正方形布置 (b)三角形布置

圖8 采用三角形布置的分布云圖。圖中分布云圖的三個頂點為三個噴頭的布置點。當噴頭間距較小時，噴淋量主要集中在中間區域，當噴頭間中心距離逐漸增大時，中心位置的噴淋逐漸減小，直到出現空白噴淋區。當高度500mm，噴頭距中心850mm 時噴淋量的分布比較均勻，中心區域的噴淋量和周圍區域的噴淋量較為接近。

圖7 正方形的布置方式時的布液分布圖

圖8 正方形的布置方式時的布液分布圖

表1 展示了不同布置方式時噴淋量的均勻性狀況。當采用三角行分布時，噴淋量最大值和平均值的比值以及最小值和平均值的比值都比正方形布置更接近于1。結合圖7 和圖8 可得，采用三角形布置時可以得到較為均勻的噴淋量分布。

表1 不同布置方式噴淋量的均勻性

3 結論

本文針對海水淡化系統中空旋流式液體噴嘴進行了液體分布均勻性研究，噴淋液體分布基本上關于噴頭噴淋中心對稱分布，噴淋量主要集中在中間范圍區域，噴淋范圍邊緣部分的噴淋量較小。隨著噴淋流量的增加，噴淋密度變大。噴淋角度對噴淋密度的影響較小。隨著噴淋高度的增加，噴淋密度逐漸減小但噴淋分布更加均勻。當噴淋高度為600～700mm 時，可以實現較為均勻的噴淋分布。

對兩種多噴頭布置方案進行了均勻性分析。正方形布置時，噴淋液主要集中于對角線位置，相鄰噴頭間的噴淋量較小，未能實現較為均勻的噴淋分布。采用三角形布置時可以得到較為均勻的噴淋量分布，當噴淋高度500mm，中心距850mm 時噴淋量的分布比較均勻。