低温多效海水淡化蒸发器内流动阻力的分析

冯寅

摘 要：以低温多效海水淡化（LT-MED）蒸发器内蒸汽流动阻力为研究对象，介绍了管内阻力、管束阻力和除沫器阻力，分析了影响阻力的因素。

关键词：海水淡化；蒸发器；阻力

引言

海水淡化的方法多种多样，其中LT-MED由于预处理要求低、耗能小等优点，已被广泛应用。作为LT-MED系统的关键设备，水平管降膜蒸发器的性能直接影响了系统经济性。由于蒸发器内蒸汽处于低温、负压、饱和状态，流动阻力引起的压降会导致温度变化，进而影响蒸发器的性能。因此需要对流动阻力进行深入研究，寻求降低阻力的办法，力争在阻力最小的情况下达到换热要求。

1 水平管降膜蒸发器

在LT-MED系统中，水平管降膜蒸发器主要由壳体、换热管束、海水喷嘴、除沫器、蒸汽室、管箱等部分组成（见图1）。系统运行时，海水喷淋到顶排换热管上，然后以膜状形式逐级滴落到下一水平管。蒸汽在管内冷凝放热，蒸汽凝结水就是生产出的淡水，海水受热蒸发产生的蒸汽流经除沫器进入下一效蒸发器作为加热蒸汽。

蒸发器内的流动阻力包括：管内阻力、管束阻力、除沫器阻力、通道内阻力、蒸气室和管箱内的局部阻力等。其中管内阻力、管束阻力和除沫器阻力是主要的流动阻力。

2 管内阻力

蒸汽在管内冷凝时形成了气液两相流动，会产生相应的压降。如果管内流动阻力过大，根据饱和蒸汽的性质，压降损失将导致蒸汽在换热管进口和出口的饱和温度发生很大变化，凝结过程中的传热温差和传热系数也会发生变化。所以管内流动阻力对蒸发器性能影响很大，不容忽视。

为了求解简化可以通过折算系数把管内气液两相流动阻力与单相阻力关联，先求单相阻力然后折算出两相阻力[1]：

式中，（△P）l-管内仅为液相时的压降，Pa；Φ2-两相摩擦因子；fl-摩擦系数；go-换算系数；L-管长，m；D-管外径，m；vl-液体流速，m/h。

可以看出，蒸汽在管内的流动阻力随着管长、蒸汽密度和流速的增加而增大，随着管径的增加而减小；由于蒸汽密度、摩擦阻力系数以及马蒂内利参数都受温度的影响，因此蒸汽温度对管内流动阻力的影响很大。

3 管束阻力

在蒸发器内，管外海水受热蒸发会产生大量蒸汽，蒸汽掠过管束时会产生相应的阻力。喷淋海水沿管束在重力作用下下落，蒸汽流出管束时还要考虑到喷淋海水对其的阻力。管束阻力所造成的压降会引起蒸发温度和凝结温度的改变，进而影响蒸发器的性能。

目前计算水平管降膜蒸发器内管束流动阻力的典型公式为[2]：

（2）

式中，ξ-修正参数；ρ-蒸汽密度，kg/m3；Z-管列数；v-管外蒸汽流速，m/s。

国内学者通过实验方法拟合出蒸汽横掠降膜流动水平管束的阻力公式[3]：

式中，μ-喷淋水动力黏度，Pa.s；η-蒸汽動力黏度，Pa.s；Г-喷淋密度，kg/m.s；slo，str-纵、横向管间距，m。

可以看出，管束阻力随着蒸汽密度、流速和管列数的增加而增大，由于饱和蒸汽密度和动力黏度都直接受温度影响，因此温度对管束阻力影响很大，温度升高会使得阻力增加。管束阻力还受管束排列方式和喷淋密度的影响。

4 除沫器阻力

管外蒸发产生的蒸汽中会夹带大量海水液滴，若不将其除去，会影响淡水水质。蒸汽携带液滴流经除沫器后，液滴会被拦截而流回蒸发器底部，干蒸汽则通过除沫器进入下一效作为加热蒸汽。蒸汽流经除沫器引起的压降将降低凝结温度，当传热温差很小时，这种变化所带来的效应就很明显，因此除沫器阻力对蒸发器性能的影响不可忽视。

蒸发器内蒸汽流经丝网除沫器的流动阻力公式[4]：

（4）

丝网除沫器在湿工况下的压降计算式[5]：

（5）

式中，ρs-除沫器填充密度，kg/m3；d-丝网直径，m；v-蒸汽流速，m/s；h-丝网除沫器厚度，m；μg-气相动力粘度，Pa.s。

有学者[6]将实验测得的除沫器阻力值同式（5）比较，在蒸汽流速较小时，实验值与式（5）计算值相差较小，随着蒸汽流速的增加，差距越来越大。

从式（4）、（5）可以看出，除沫器阻力随着蒸汽流速和除沫器填充密度的增加而增大，随着丝网直径的增大而减小。由于饱和蒸汽的动力粘度随着温度的升高而增大，所以除沫器阻力随着蒸汽温度的升高而增大。

5 结束语

5.1 管内阻力随着管长、蒸汽流速和密度增加而增大，随着管径增加而减小。

5.2 管束阻力随着蒸汽温度、流速和管列数增大而增大，也受管束排列方式和喷淋密度的影响。

5.3 除沫器阻力随着蒸汽流速和温度的升高而增大，随着丝网直径增大而减小。

蒸汽温度和流速对各段阻力都有影响，适当降低温度和流速可以减小阻力。但是降低温度和流速又会造成换热效率下降，因此应在保证换热和降低阻力之间寻求最优值。

参考文献

[1]尾花英朗.热交换器设计手册[M].北京：烃加工出版社，1987：406-408.

[2]Armin G. Energetic perspective in thermal performance of multi-effect distillation[D]. Bremen University，1995.

[3]刘华，沈胜强，龚路远，刘瑞. 低压蒸汽横掠水平降膜管束流动阻力实验研究[J]. 大连理工大学学报，2013，53（6）：810-815.

[4]Hisham T.El-Dessouky， Imad M.Alatiqi， Hisham M.Ettouney， Noura S.Al-Deffeeri. Performance of wire mesh mist eliminator[J]. Chemical Engineering and Processing， 2000（39），129-139.

[5]Happel J. Viscous flow relative to arrays of cylinders[J].AIChE Journal， 1959，5（2）：174-177.

[6]孙正伟.除沫器流动阻力与分离特性研究[D].硕士学位论文，大连理工大学，2012.