多级海水淡化装置闪蒸室内多孔板的设计研究

曹天义,宋亮福

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

多级闪蒸法用途比较广泛，在用于淡化海水的同时，同样可以用于化工厂以及热电厂的锅炉供水，工业废弃水等的再处理.该技术于1950年左右起步，在1970年至1980年期间得到飞速发展.多级闪蒸装置是由多个闪蒸室串联而成，在水位差作用下保持持续流动.上下级间存在的压差使海水保持过热状态而不断蒸发.在蒸发的过程中因吸收热量，导致与空气接触的水面过热度降低，使闪蒸效率下降.在闪蒸室底部设置多孔板可以有效的将下层水流扰动到水面附近，保持水面过热度.然而，多孔板的设置将会增加流动过程中的压力损失.在保证闪蒸效率的前提下，如何降低多孔板造成的压力损失，是闪蒸过程中首先需要解决的问题.表征压力损失的性能指标为压损系数Eu.Eu越大，压力损失越大.其表达式为

Eu=(PU-PD)/0.5ρV2，

(1)

式中：PU和PD分别为多孔板上游和下游测压点处的压力测量值.工程中对永久压力损失的定义为：未受阻流件影响的上游处压力与压力恢复到极大值位置后的下游压力之差.故为了满足这一定义，上游和下游的测压点分别选取管道入口和出口平面处，并且上、下游取压点要保证在同一水平线上[1].V为流体平均流速；ρ为流体的密度；压损失系数Eu与多孔板的几何参数有关，这些几何参数如下：

(1)多孔板的开孔率，即所有孔口面积之和与多孔板表面积之比.通常用其平方根b表示，b为当量孔径比;

(2)板的厚度t通常以相对厚度给出：t/d，d为孔口直径;

(3)孔口数量为n；

(4)孔口的分布形式.

其次，雷诺数也对流体流过多孔板时的压力损失起着重要的作用.通常情况下，随着雷诺数的增加，Eu会逐渐增大[2].在闪蒸室中，雷诺数对压损系数的具体影响有待进一步模拟研究.对于在闪蒸室中增设多孔板的流动，采用平均雷诺数[3～6]进行计算.其表达式为

Rem=UmD/v，

(2)

式中：D为管道直径；Um为流动过程中的平均流速；v为流体的动力粘度，可通过查表得到其具体数值.

国内外学者对闪蒸室和多孔板进行了研究.庞虹[7]通过对多级闪蒸室装置的三维数值模拟计算，得到海水液面附近的湍流强度，从水力特性上分析出了阻流板不利于提高闪蒸效率.E.S.Hassan Fath[8]在闪蒸室底部设置了三角挡板，通过改变三角挡板数量及位置，模拟得出海水流动过程中的最高闪蒸效率.姚征等[9]模拟研究了某套海水淡化设备的前两级，通过分析闪蒸室底部漩涡的流线谱形态和湍流黏度，优化了闪蒸室中的水流结构.Morrison等[10]成功预测了流体流过传统单孔板时的流动特性.V.K.Singh等[11]模拟得出多孔板中各个孔口组成的节圆直径的大小对流出系数以及流型的影响.B.Y.Guo[12]等找到多孔板的最佳倾斜角度，降低了气体流动过程中多孔板造成的压力损失.

1 闪蒸室模型

1.1 物理模型

多级闪蒸装置第一级的三维示意图，如图1所示.其长度为L=1.254 m，宽度为S=0.3 m，高度为H=0.35 m.图中左侧下方有一边长为R=0.06 m的正方形入口，海水由此进入闪蒸室，右侧下方为大小相等的正方形出口.多孔板设置在闪蒸室底部中间位置，高度为Z=0.075 m.图中所示为五孔多孔板.

图1 三维闪蒸装置示意图

1.2 数学模型

1.2.1 VOF模型

在VOF模型中，假设流体之间无渗透，并且引入体积分数这一概念，表示每一相所占的空间大小.相间的界面追踪可以通过求解体积分数的连续性方程来完成[13].对于第q相，有如下形式：

(3)

式中：ρq和vq分别为第q相的密度和速度；mqp为从第q相传递到第p相的质量，反之，mpq为从第p相传递到第q相的质量；Sɑq为源项；ɑq为第q相的体积分数.

动量方程：

(4)

能量方程：

(5)

其中：ρ为密度；v为流体的动力黏度；u为粘性系数；F为其他体积力.

同样地，各相共用密度ρ和有效热导率keff.其中，将能量E和温度T视为质量平均变量.能量方程如下：

(6)

其中：ɑq为第q相的体积分数；ρq为第q相的密度；Eq为第q相的能量.

1.2.2 大涡模拟模型

在大涡模拟方法中，使用滤波函数将比网格尺度大的涡和小于网格尺度的涡划分开来.前者通过求解瞬态N-S方程计算，而后者对大尺度运动的影响则通过建立模型加以模拟[14].瞬态下的N-S方程为

(7)

(8)

(9)

2 边界条件和数值方法

假定流体为牛顿流体且不可压缩.海水入口温度为110 ℃，出口温度为106 ℃.入口为速度入口，出口为自由出流.闪蒸室内压力为1.023 bar，过热蒸汽温度为102 ℃.计算域生成六面体网格，总网格数为1.64×105个，压力场的计算采用Body force weighted格式.

3 结果讨论

如图2所示，逐一列出了多孔板的几何参数、平均雷诺数以及相对应的压损系数.本次模拟中，选取了5组不同的多孔板[15].为了保证多孔板其余的几何参数不会对模拟产生影响，将5组多孔板的孔板厚度和孔口直径均设为定值，分别为2 mm和5 mm.模拟研究孔口数量n及其分布、平均雷诺数Re和当量孔径比b对压损系数的影响.

由公式(2)可知，式中D和v两个参数均为常数，雷诺数Re与流速Um成正比.即当流速增加时，雷诺数随之增大.通过调节入口流速的大小，分别得到了各个多孔板的6组雷诺数，如图2所示.这样做是因为随着流速的增加，雷诺数将逐渐超过临界雷诺数，流体会充分发展为紊流，使得闪蒸室内的流场由不稳定区域逐渐过渡到稳定区域，最后趋于稳定，从而可以更好地分析孔板的几何分布对压损系数的影响.各孔板的平均雷诺数Re对Eu的影响，如表1所示.可以看出，随着Re增加，Eu逐渐减小.这一结果与S.Malavasi[16]等的研究结果相似.

图2 多孔板的几何参数特征

ReEuDK1DK2DK3DK4DK5300029810348489.3420028810145457.461002828842416.872002798640416.584002798638396.2100002778436376.2

图3中同样可以观察到，Eu随着当量孔径比β的增加而减小.这是由于随着b的增加，海水流过多孔板的面积逐渐增大，局部阻力减小，降低了多孔板附近的掺混损失和节流损失，从而使得压力损失下降.Eu的最大值出现在五孔多孔板中.此时，β取得最小值，0.066.其次，可以清晰的看出，对于多孔板DK3和DK4来说，每一个Re所对应的Eu值几乎相同.此时，两多孔板的β值相同，孔的分布不同.同时，在多孔板DK3和DK4中，孔口数量相同而分布不同时，每一个Re所对应的Eu值几乎相等.由此得出，孔的分布形式对Eu的影响极其微小，而β值对Eu的影响要大得多.

图3 在不同的雷诺数Re下，β对压损系数Eu的影响

孔口数量n和Eu之间的关系，如图4所示.可以看出，Eu随着n的增加而减小.对比五个多孔板的Eu值，最大值见于DK1(n=5)，最小值见于DK5(n=25).这是由于孔口数量增多后，自孔口射出的射流股数增加，孔与孔之间距离减小，各股射流之间相互掺混随之增强，从而将多孔板下游的大尺度漩涡转化成较小尺度的漩涡.而大尺度漩涡的减小，增加了流场内部小尺度漩涡的数量，使得脉动能量的分布趋于均匀化，使得压力损失降低.

图4 在不同的雷诺数Re下，n对压损系数Eu的影响

4 结 论

本文对增设多孔板的闪蒸室内部进行了数值模拟.研究了多孔板的几何参数、平均雷诺数对压损系数Eu的影响.得到以下结论：

(1)当多孔板的几何参数一定、孔口个数n增加时，孔板下游的大尺度漩涡的尺寸和数量均降低，使得脉动能量的分布更加均匀化，减小了多孔板的压损系数.

(2)多孔板有3个关键的几何参数，分别为孔口个数n、当量孔径比b以及孔口的几何分布.其中，当量孔径比b对压损系数Eu有着决定性的影响.依据对多孔板特性的影响程度，3个几何参数的排列顺序为：β>n>孔口的几何分布.

(3)在3 000≤Re≤10 000范围内，随着雷诺数Re的增加，压损系数Eu逐渐减小.

(4)为了提高模拟精确度，本文将孔口直径和孔板厚度设为定值.实际上，孔口直径以及孔板厚度对压损系数Eu也存在着一定的影响，具体结果仍有待研究.