陈启东 顾泽堃 张 斌

（1.常熟理工学院机械工程学院；2.苏州大学机电工程学院）

喷雾闪蒸是指高温高压液体工质从喷嘴射入低于其自身饱和蒸汽压的容器中，形成均匀的雾状液滴，液滴由于处于非平衡过热状态而发生剧烈汽化，同时伴随爆炸性的破碎、雾化，即所谓闪蒸雾化现象［1］。

闪蒸与普通蒸发不同，不需要热源使液体的温度升高达到过热，而是由于压力降低瞬间使液体整体达到过热状态。 该过程产生大量蒸汽，温降明显，具有速度快、能耗低、分离效果好及冷却能力强等优势，因此广泛应用于需要大量蒸汽或快速冷却的工业生产中［2，3］。

综合来看，对喷雾闪蒸的研究主要针对改变供水初始温度、闪蒸室环境压力及喷嘴孔径等来观察闪蒸雾化的效果［4～9］。前人所设计的闪蒸室都是大型闪蒸圆柱形罐，体积较大，液滴在闪蒸蒸发时停留时间较长，但笔者所设计的闪蒸室体积较小， 为了增加液滴在闪蒸室内的停留时间，在设计时增加旋流叶片，这对提高液滴的蒸发和雾化效果有一定的促进作用［10～12］，为液体在后续的旋风分离器中进行二次蒸发、分离打下基础。

1 闪蒸室结构与闪蒸特性

闪蒸室尺寸结构和网格划分如图1所示，闪蒸室由上下两个锥体部分组成，由法兰连接。 叶片焊接在轴套上，按照设计好的叶片数量和螺旋角度焊接在轴套上，轴套套在固定杆上，由固定螺母固定，固定杆与闪蒸室上半部分焊接。 闪蒸室最大直径0.5m，整体高约为1.6m，喷嘴与闪蒸室上锥体用法兰连接，叶片用于增加液体闪蒸雾化蒸发。 此模型采用Mesh软件划分网格，并对喷嘴和叶片处进行了网格加密处理。

图1 闪蒸室尺寸结构和网格划分

闪蒸效果的主要性能指标包括闪蒸效率、不平衡温差、不平衡分数以及粒径的大小、分布等。

闪蒸效率η的计算方法如下［13］：

式中 mev——蒸发量；

m0——喷雾量。

不平衡温差（NETD）［14］是指液体在闪蒸过程中，闪蒸室内的气液是存在不平衡现象的。 通过实验发现，闪蒸室内液体的温度要略高于闪蒸蒸汽的温度。 其计算公式如下：

式中 Tv——闪蒸室内压力对应的饱和温度；

T0——未蒸发液滴的出口温度。

不平衡分数（NEF）初始定义如下：

式中 mv（t）——t时刻的闪蒸质量，kg；

mv（∞）——理想情况下的闪蒸质量，kg。

2 计算模型及计算方法

2.1 连续相控制方程

将液滴蒸发出来的蒸汽视为连续相，且为不可压缩的理想气体。 基于N-S方程，闪蒸室内蒸汽的质量方程、能量方程、动量方程和组分方程可以用控制方程的通用表达式表示为：

式中 u——水蒸气流速；

Sφ——源项， 包括气相作用源项和气相与液滴间的作用源项；

Γ——广义扩散系数；

ρ——水蒸气密度；

φ——通用变量，代表水蒸气的速度、焓、湍动能及湍动能耗散率等。

2.2 离散相控制方程

将液滴相看作离散相，在拉格朗日坐标下模拟流场。 本研究采用随机轨道模型模拟其运动过程，并假设液滴为球形液滴，因为液滴与蒸汽密度比大，并忽略液滴的旋转和作用在液滴上的虚拟质量力、压力梯度力、热泳力及升力等，只考虑液滴的重力和曳力，其运动方程的表达式为：

式中 CD——曳力系数；

dp——液滴直径，m；

Re——液滴雷诺数；

u——蒸汽速度，m/s；

up——液滴速度，m/s；

μ——流体动力粘度，Pa·s；

ρ——蒸汽密度，kg/m3；

ρp——液滴密度，kg/m3。

2.3 气液两相间传热传质方程

液滴闪蒸相变过程可以认为一部分水吸热汽化为水蒸气， 气液两相之间发生传热传质现象。 根据扩散控制蒸发模型，液滴的蒸发率如下：

式中 Dv——液滴在水蒸气中的传质扩散速度；

M——水的摩尔质量，g/mol；

pd（Td）——液滴表面温度对应的饱和蒸汽压，Pa；

p∞——环境压力；

R——通用气体常数，J/（mol·K）；

Td——液滴表面温度，K；

T∞——环境温度，K。

无限空间中液滴的温度将通过平衡由于其蒸发引起的潜热损失和由于液滴表面与周围环境之间的温度差异导致的热传导来确定。 如果液滴小到100μm， 可以假设液滴中的自然对流忽略不计。 那么，液滴温度变化速率是：

式中 Cpl——液滴的定压比热容；

hfg——汽化潜热。

2.4 求解方法与边界条件

湍流模型设置为Realizable k-ε模型， 此模型适合的流动类型比较广泛， 包括旋均匀剪切流、自由流、腔道流动、边界层流动及有分离的流动等。 连续相是在欧拉坐标系下采用封闭连续相控制方程组进行描述，采用控制容积有限差分法进行方程离散， 利用SIMPLE有限差分算法求解；离散相是在拉格朗日坐标下采用DPM模型和随机轨道模型追踪雾滴的轨迹。

连续相入口条件设为质量流量入口，流量设为0， 离散相以压力旋流喷嘴的形式喷射入闪蒸室。 连续相出口采用压力出口，压力大小设为闪蒸室内部压强， 此处为50kPa， 离散相出口采用escape边界条件， 即液滴运动值与出口接触从计算域内消失。

连续相边界条件设置为无滑移固定固体壁面，壁面绝热与环境温度一致，为81℃，近壁区处理用Scalable壁面函数法，认为壁面绝热。 对于喷雾液滴，在筒体壁面采用“reflect”边界条件，即切向恢复系数设为1，法向恢复系数设为0。

3 计算结果及讨论

3.1 不同叶片数量对闪蒸特性的影响

在水喷雾流量为500kg/h、初温为130℃、闪蒸环境压力为60kPa的工况下，叶片角度为45°时，研究不同叶片数量对闪蒸特性的影响。

图2给出了由于不同数量叶片的作用， 闪蒸室内液体不平衡分数随时间变化的规律。 可以看出不平衡分数主要分为两个阶段：第1阶段NEF飞快下降，闪蒸大部分在此阶段完成；而第2阶段下降缓慢。 可以看出，由于叶片数量的增加，第1阶段和第2阶段NEF均有较大下降，由于叶片数量的增多， 有更多的液滴和水蒸气在闪蒸室内停留，增加停留时间。 气体在叶片处微循环，增加气液两相的接触反应次数。结束时，无叶片时NEF接近于0.572，有6片叶片时NEF接近于0.300，差距非常大。 图3给出了不同叶片数量对不平衡温差的影响，由于叶片数量的增加，气液两相流反应更为充分，闪蒸反应程度加大，气液温差降低。 同样，无叶片不平衡温差大概是6片叶片的两倍，6片叶片不平衡温差为2.61℃。 证明了闪蒸室内放置叶片的必要性。

图2 在不同叶片数量下NEF随时间的变化

图3 不同叶片数量对NETD的影响

图4为不同叶片数量的闪蒸效率随时间的变化，随着叶片数的增加，液滴与水蒸气接触次数增多，在闪蒸室内停留时间增加，使得反应更为平衡，有更多的液滴蒸发为水蒸气从出口处流出。 6片叶片蒸发率比无叶片高出2.40%，为6.35%。 可见叶片对液滴蒸发有着很大的促进作用。 图5为不同叶片数量对出口液滴粒径的影响，在6叶片作用下液滴直径也比无叶片的减少10.10μm，为66.01μm。相比之下液滴蒸发雾化情况良好。

图4 不同叶片数量的闪蒸效率随时间的变化

图5 不同叶片数量对出口液滴粒径的影响

3.2 不同叶片角度对闪蒸特性的影响

在水喷雾流量为500kg/h、初温为130℃、闪蒸环境压力为60kPa的工况下， 叶片数量为6片时，研究不同叶片角度对闪蒸特性的影响。

图6为不同叶片角度的NEF随时间的变化，可以看出， 随着叶片角度的增加，NEF不断降低，在叶片螺旋角为35°时，降到了最低，为0.226，后面随着角度的增加，NEF有所增加。 可以推断出，流体大多以35°流入叶片。 叶片角度小，液滴停留时间短，流体与叶片碰撞有较大能量损失，而且大部分没有从叶片上流过。 叶片角度过大，停留时间虽有所增加，但由于碰撞有能量损失，闪蒸反应有所减缓。 图7为不同叶片角度对NETD的影响。 随着叶片角度的增加，NETD先减少后增加，35°时降到最低，为1.67℃。

图6 不同叶片角度的NEF随时间的变化

图7 不同叶片角度对NETD的影响

图8为不同叶片角度的闪蒸效率随时间的变化，可以看出闪蒸在很短时间内，产生大量水蒸气，后随着时间的推移缓慢蒸发。 随着叶片角度的增加，蒸发率先增大后减小，最大为7.1%，最低为5.9%， 说明适合的叶片角度有助于闪蒸蒸发。图9为不同叶片角度对出口液滴粒径的影响，随着叶片角度的增加， 出口液滴粒径先减小后增大，在35°时粒径最小，达到了62.18μm。

图8 不同叶片角度的闪蒸效率随时间的变化

图9 不同叶片角度对出口液滴粒径的影响

4 结束语

通过对闪蒸室内部喷雾场、流场和传热传质进行分析，并设计螺旋叶片安装在闪蒸室内增加液滴雾化蒸发效果。 结果表明，在喷嘴孔处（即闪蒸反应初期）发生剧烈的传热传质现象，螺旋叶片数量越多， 不平衡分数和不平衡温差越低，闪蒸效率越高， 出口处液滴蒸发雾化效果越好，叶片数量的增加可以提高闪蒸效果；叶片角度为从15°增加到45°时， 不平衡分数和不平衡温差均先降低后增大，而闪蒸效率和出口处液滴蒸发雾化效果均先增大后减小，这些评判闪蒸效果的参数均在叶片角度为35°时达到峰值，说明合适的叶片角度可以提高闪蒸效果。