海水淡化旋流式喷头喷淋均匀性研究

曹传鹏，解利昕，徐世昌，杜亚威

（1.天津大学化工学院，天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室，天津300072；2.河北工业大学化工学院，天津300130）

海水淡化技术是满足日益增长的淡水需求的解决方案之一[1]。我国部分沿海地区海水存在高污染问题，尽管多效蒸馏的能耗高于反渗透技术，仅需简单预处理的低温多效海水淡化技术依然展现出良好的应用前景。水平管降膜蒸发器（HFE），具有传热效率高、压降小、易分离蒸汽、温差小等显著优点[2]。水平管降膜的传热系数约为竖直管降膜蒸发的2 倍，而且原料在管外蒸发，易于观察测定成膜和结垢情况，在海水淡化工程中应用广泛[3]。

水平管降膜蒸发器由液体分布器、水平蒸发管、回流系统和排气通道四个关键部件组成。而位于蒸发器上方的液体分布器将进料海水喷淋到下部水平管束上，并通过水平管束与管内蒸汽进行换热。蒸发侧的传热系数与液膜分布、蒸发液物化性质、换热管尺寸、换热环境等多种因素相关[4]，因此液体分布效果会影响蒸发器的性能[5]。液体分布器喷洒的液体是否均匀，将直接影响整个设备的运行效率[6]。而目前液体分布器的主要形式为喷淋管式、喷淋板式、喷嘴式液体分布器[7]。喷嘴式液体分配器在防止不溶物或垢物堵塞方面具有一定的优势[8]。一些学者对液体分布器开孔间距、开孔大小和布液高度等因素进行了实验研究[9～13]，或采用数值模拟方法对内部流体流动形态进行分析[14]，对分布器优化设计起到指导作用。

本文针对海水淡化系统中空旋流式液体喷头进行了液体分布均匀性研究，提出了多喷头布置方案，并进行了均匀性分析，为分布器优化设计、提高蒸发器蒸发效率起到指导作用。

1 实验部分

1.1 液体喷头的结构

中空结构的旋流液体喷头结构如图1。

图1 中空旋流液体喷头

图1 是中空结构旋流液体喷头图片。喷头的长方体入口通道与圆柱体涡流室相切。液体沿着切线方向通过入口通道进到涡流室，并在空腔内形成回旋流。最后从喇叭形喷嘴均匀喷洒出来。喷头出口口径较大，难溶物和垢物不容易沉积堵塞，喷淋压力损失较小。在一定范围内液体分布均匀，能够适应水平管降膜蒸发器液体均匀分布的要求。

1.2 喷淋实验平台

研究中搭建喷头喷淋实验平台如图2，对该喷头的喷淋特性及均匀性影响因素进行实验。

图2 喷头喷淋特性实验平台

图2 为喷淋特性测试示意图。实验中使用自来水作为工作介质。原料水储存在原料水箱中，通过离心泵将原料水泵送到喷头。液体通过喷头喷洒，下部的液体收集系统收集计量喷洒的液体。液体收集系统由若干个集液量筒等间距排列组成。排列的集液量筒可以旋转收集不同角度的喷淋液体。通过调节进料流量和喷头高度，可以测量不同流量和喷淋高度的液体喷淋量。液体收集系统各个集液量筒的示数将用于反应喷头的喷淋覆盖范围和喷淋均匀性情况。

液体收集装置由一排紧密排列的量筒和挡水板组成。排列的集液量筒位于喷头下方，并可绕着中心点任意角度旋转从而覆盖整个喷淋的圆形范围。实验开始前集液量筒由挡水板遮挡，当开机运行稳定后，开始计时的瞬间移走挡水板。一段时间后且量筒内的喷淋液量均未达到最大刻度时停止计时，停止计时的瞬间用挡水板遮住集液量筒。然后分别读取量筒的集液量，每组实验重复三次取平均值。本文中的喷淋量q（m/s）由单位时间量筒的集液高度变化表示，S（mm）为集液量筒距喷头中心（喷头出口中心线与集液测量平面交点）的水平距离。

2 结果与讨论

2.1 单喷头喷淋均匀性分析

图3 不同流量下的布液分布（高度500mm，角度0℃）

图4 不同角度的布液分布（高度500mm，流量9t/h）

图5 不同高度的布液分布(流量9t/h，角度0℃)

图3、4 和5 分别为不同流量、角度和高度下的布液分布情况。喷淋液体分布基本上关于喷头喷淋中心对称分布，喷淋量主要集中在中间范围区域，喷淋范围边缘部分的喷淋量较小。在中间区域，液体喷淋量分布较为均衡，喷头的喷淋均匀性得到体现，可以满足水平管降膜蒸发器内的进料海水喷淋要求。由图3 可以看出，随着喷淋流量的增加，喷淋量也逐渐增加。在中间有一个喷淋量相对较小的区域，且流量越大越明显。进入旋流室的液体绕着喷头圆形壁面做旋流运动，靠近壁面处的液体压力较高。随着流量增加，进入喷嘴壁面的液体切向压力升高，喷淋范围增加，中间区域的喷淋量相对减小。由图4 可知，对于不同的喷淋角度，喷淋量的变化不大。由图5 可以看出，随着喷淋高度的增加，中间喷淋量逐渐减小但喷淋分布更加均匀。当喷淋高度为600～700mm 时，可以实现较为均匀的喷淋分布。

2.2 多喷头喷淋均匀性分析

为了测定多个喷头喷淋布液性能，针对单喷头的喷淋特性，提出了两种较佳的多喷头布置方案（图6）。ABCD 为喷头的布置点，由于喷淋区域由重复的正方形和三角形组成，因此只需测定该区域的布液分布。通过调整喷头间距离确定较佳的布液分布结构。分布。

图6 多喷头布置方案 (a)正方形布置 (b)三角形布置

图8 采用三角形布置的分布云图。图中分布云图的三个顶点为三个喷头的布置点。当喷头间距较小时，喷淋量主要集中在中间区域，当喷头间中心距离逐渐增大时，中心位置的喷淋逐渐减小，直到出现空白喷淋区。当高度500mm，喷头距中心850mm 时喷淋量的分布比较均匀，中心区域的喷淋量和周围区域的喷淋量较为接近。

图7 正方形的布置方式时的布液分布图

图8 正方形的布置方式时的布液分布图

表1 展示了不同布置方式时喷淋量的均匀性状况。当采用三角行分布时，喷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。结合图7 和图8 可得，采用三角形布置时可以得到较为均匀的喷淋量分布。

表1 不同布置方式喷淋量的均匀性

3 结论

本文针对海水淡化系统中空旋流式液体喷嘴进行了液体分布均匀性研究，喷淋液体分布基本上关于喷头喷淋中心对称分布，喷淋量主要集中在中间范围区域，喷淋范围边缘部分的喷淋量较小。随着喷淋流量的增加，喷淋密度变大。喷淋角度对喷淋密度的影响较小。随着喷淋高度的增加，喷淋密度逐渐减小但喷淋分布更加均匀。当喷淋高度为600～700mm 时，可以实现较为均匀的喷淋分布。

对两种多喷头布置方案进行了均匀性分析。正方形布置时，喷淋液主要集中于对角线位置，相邻喷头间的喷淋量较小，未能实现较为均匀的喷淋分布。采用三角形布置时可以得到较为均匀的喷淋量分布，当喷淋高度500mm，中心距850mm 时喷淋量的分布比较均匀。