張 琳,高麗麗,崔 磊,趙慶良
(常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 常州 213016)
有機(jī)廢水廣泛存在于石油、化工、食品、中間體等行業(yè)的廢水中,有機(jī)廢水一直是廢水處理中的難題。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)大多采用多效蒸發(fā)工藝[1],利用前效蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽,作為后效蒸發(fā)器的熱源,但是一般只做到四效,四效后蒸發(fā)效果就不理想了。不管是單效蒸發(fā)還是多效蒸發(fā),蒸發(fā)濃縮過(guò)程均需要消耗大量的生蒸汽。例如,對(duì)于四效的蒸發(fā)器,蒸發(fā)1 t水大約需要消耗0.35 t的蒸汽,電耗約15 kW·h,如果蒸發(fā)量為15 t/h的工業(yè)裝置,目前蒸汽市面價(jià)為230元/噸,工業(yè)電價(jià)為0.75元/千瓦時(shí),則一年按300個(gè)工作日7200 h計(jì)算,蒸汽的運(yùn)行費(fèi)用約991萬(wàn)元/年。
機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)(mechanical vapor recompression技術(shù),簡(jiǎn)稱MVR),作為一種更加高效節(jié)能的蒸發(fā)工藝越來(lái)越被人關(guān)注,其工作原理如圖1所示,是將蒸發(fā)器蒸發(fā)產(chǎn)生的原本需要冷卻水冷凝的二次蒸汽,經(jīng)壓縮機(jī)壓縮升溫后,再送入蒸發(fā)器加熱室作為加熱熱源,替代生蒸汽循環(huán)利用。由于節(jié)省了生蒸汽,二次蒸汽的潛熱也得到了回收利用,節(jié)能節(jié)水效果非常顯著。國(guó)外MVR技術(shù)的研究開(kāi)展早且研究深入,特別在海水脫鹽方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[2-15]。國(guó)內(nèi)MVR研究起步較晚,發(fā)展也比較緩慢,但是近幾年,隨著國(guó)家節(jié)能環(huán)保減排政策的強(qiáng)制實(shí)施,企業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)MVR技術(shù)愈來(lái)愈關(guān)注,發(fā)展也比較迅速[16],不斷有MVR在海水淡化、制鹽、廢水處理等行業(yè)的經(jīng)濟(jì)性和能效性分析研究[17-20]、實(shí)驗(yàn)研究[21-24]和應(yīng)用研究[25-27]方面的成果報(bào)道。但是總體來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)MVR還需要做大量的基礎(chǔ)研究工作,未來(lái)幾年MVR技術(shù)能否在國(guó)內(nèi)企業(yè)大規(guī)模成功推廣應(yīng)用,滿足企業(yè)節(jié)能減排的需求,取決于MVR系統(tǒng)工藝流程熱網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、高效安全可靠性蒸汽壓縮機(jī)[28-29]和高效蒸發(fā)器的自主研發(fā),這3個(gè)方面的也是國(guó)內(nèi)MVR研究的主要發(fā)展方向。
圖1 機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)工作原理圖
蒸發(fā)器作為MVR系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,其傳熱性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能起有著非常重要的作用,特別是對(duì)低溫蒸發(fā)的MVR系統(tǒng)來(lái)說(shuō),蒸發(fā)器的高效傳熱顯得尤為重要,關(guān)系到整個(gè)MVR系統(tǒng)是否能利用系統(tǒng)自身蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽能量維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
MVR系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì),根據(jù)介質(zhì)、負(fù)荷和濃度的不同,可選擇單效降膜蒸發(fā)、單效升膜蒸發(fā)、單效降膜循環(huán)蒸發(fā)、單效升膜循環(huán)蒸發(fā)、多效降膜與升膜循環(huán)蒸發(fā)相結(jié)合的方式,循環(huán)方式可以選擇自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán),最終目的是工藝能效最優(yōu)化。對(duì)于處理量大、濃度為 1%的氨基酸廢水溶液,一般采用多效降膜與升膜循環(huán)蒸發(fā)相結(jié)合的工藝。降膜蒸發(fā)器或升膜蒸發(fā)器管內(nèi)沸騰傳熱系數(shù)的預(yù)測(cè)是設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,因此開(kāi)展蒸發(fā)器管內(nèi)沸騰傳熱傳質(zhì)機(jī)理、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究對(duì)工程設(shè)計(jì)很有指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[30-31]對(duì)降膜蒸發(fā)器管內(nèi)沸騰傳熱系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究,關(guān)于氨基酸廢水溶液MVR系統(tǒng)中升膜循環(huán)蒸發(fā)器管內(nèi)沸騰傳熱特性的數(shù)值模擬研究還未見(jiàn)報(bào)道。
MVR升膜蒸發(fā)器管內(nèi)的流動(dòng)為湍流,湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,運(yùn)輸方程見(jiàn)式(1)、式(2)。
式中,σk、σε分別為湍動(dòng)能k和耗散率ε的普朗特?cái)?shù);Gk、Gb分別為由層流速度梯度和浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;YM為可壓湍流脈動(dòng)對(duì)總耗散率的影響;Sk、Sc為用戶自定義項(xiàng);μt為湍流黏度系數(shù),由式(3)計(jì)算。
模型常量分別為:C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=1.0,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.0。
MVR升膜蒸發(fā)器管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)同時(shí)也是一個(gè)蒸發(fā)相變多相流傳熱傳質(zhì)過(guò)程,在利用Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算時(shí),還需要選擇多相流模型。Fluent軟件中提供的多相流模型有:離散相模型、VOF模型(volume of fluid model)、混合物模型及歐拉模型。對(duì)于流動(dòng)中分散相的體積分?jǐn)?shù)≤10%的氣泡、液滴和粒子負(fù)載流動(dòng),宜選用離散相模型; 對(duì)于流動(dòng)中分散相的體積分?jǐn)?shù)>10%的氣泡、液滴和粒子負(fù)載流動(dòng),宜選用混合物模型;對(duì)于分層/自由面流動(dòng)和活塞流流動(dòng),宜選用VOF模型;對(duì)于流化床、泥漿流及水力沉降流動(dòng),宜選用歐拉模型。蒸發(fā)器管內(nèi)的沸騰蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)過(guò)程由于相之間互相貫穿并蒸發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的氣相體積分?jǐn)?shù)>10%,所以選用混合模型。
混合模型的連續(xù)方程見(jiàn)式(4)。
混合模型動(dòng)量方程見(jiàn)式(5)。
混合模型能量守恒方程見(jiàn)式(6)。
通過(guò)第二相p的連續(xù)方程,可以得到混合模型第二相p的體積分?jǐn)?shù)方程,見(jiàn)式(7)。
Fluent軟件多相流模型中假定各相質(zhì)量不變,而對(duì)于沸騰蒸發(fā)相變過(guò)程,氣液兩相的質(zhì)量隨著蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行是不斷變化的,因此需要自定義氣液相之間的質(zhì)量傳遞和能量傳遞函數(shù)。
對(duì)于質(zhì)量傳遞過(guò)程,采用De Schepper等[32]提出的方程來(lái)計(jì)算質(zhì)量源項(xiàng),如式(8)、式(9)。
氣、液兩相之間的能量傳遞過(guò)程是伴隨質(zhì)量傳遞過(guò)程進(jìn)行的,能量源項(xiàng)計(jì)算方程見(jiàn)式(10)。
式(8)~式(10)中,Tsat為蒸發(fā)溫度;Tliq為液體的溫度;αliq為液相容積率;ρliq為液相密度。將自定義(UDF)函數(shù)式(8)~式(10)采用 C語(yǔ)言源代碼編程,輸入到Fluent軟件中,F(xiàn)luent執(zhí)行 UDF函數(shù)式并結(jié)合流體力學(xué)模型方程來(lái)模擬沸騰蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)過(guò)程。
使用大型CFD模擬軟件Fluent對(duì)蒸發(fā)器管內(nèi)沸騰蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。采用三維隱式分離求解器,控制方程的離散采用有限單元體積法,各標(biāo)量的離散值采用單元中心點(diǎn)存貯,動(dòng)量分量、湍動(dòng)能分量、耗散率、能量和體積分?jǐn)?shù)采用具有二階精度的二階迎風(fēng)插值格式,壓力-速度耦合采用SIMPLE算法,定義的收斂條件計(jì)算殘差分別設(shè)為:能量 10?6,連續(xù)性 10?3,速度 10?3。
(1)進(jìn)口邊界 采用速度進(jìn)口條件,入口速度分別設(shè)為0.5 m/s、0.65 m/s、0.8 m/s、1 m/s,流體進(jìn)口溫度采用與蒸發(fā)器工況一樣的參數(shù),經(jīng)過(guò)預(yù)熱器后低溫沸點(diǎn)進(jìn)料,進(jìn)料溫度為T(mén)in=70 ℃(343 K),負(fù)壓操作,操作壓強(qiáng)為31170 Pa,湍流指定方法選擇湍流強(qiáng)度和水力直徑。
(2)出口邊界 采用自由出流邊界條件。
(3)壁面條件 管壁壁面采用無(wú)滑移固定壁面,MVR蒸發(fā)器傳熱管管外壁實(shí)際運(yùn)行工況是MVR壓縮機(jī)送過(guò)來(lái)的熱焓提高的二次蒸發(fā)熱源,由于管外蒸汽的冷凝也是一個(gè)相變過(guò)程,所以管外壁壁面設(shè)定恒溫加熱,加熱溫度分別為T(mén)wall=74 ℃(347 K)、76 ℃(349 K)、78 ℃(351 K)、80 ℃(353 K),即與管內(nèi)介質(zhì)的傳熱溫差分別為4℃、6 ℃、8 ℃、10 ℃。
蒸發(fā)器傳熱管樣件為光管和波紋管,規(guī)格為φ25 mm×2.5 mm×1000 mm,波紋管波峰內(nèi)徑為27 mm,波谷內(nèi)徑為20 mm,波峰與波谷距離為20 mm,工作介質(zhì)為1%的氨基酸廢水溶液。采用Gambit軟件對(duì)光管和波紋管進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分,z方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向,計(jì)算區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)管子,網(wǎng)格劃分時(shí)在管壁附近設(shè)置邊界層,第一層網(wǎng)格尺寸為 0.5 mm,以1.1的網(wǎng)格增長(zhǎng)比率增長(zhǎng),共10層,其余網(wǎng)格尺寸設(shè)定 為2 mm。
圖2為進(jìn)口流速1 m/s、壁面加熱溫度351 K時(shí),光管及波紋管沿軸向截面的湍流強(qiáng)度變化曲線。截面z=100 mm,z=200 mm,··,z=900 mm為流體流動(dòng)方向的波峰處;截面z=150 mm,z=250 mm,··,z=950 mm為流體流動(dòng)方向的波谷處。從圖2中可看出,光管的湍流強(qiáng)度剛開(kāi)始比較平緩,增大后又處于平緩趨勢(shì)。這是因?yàn)榱黧w在光管內(nèi)流動(dòng),流體逐漸升溫并蒸發(fā),隨著氣相的產(chǎn)生,流體的平均速度增大,使得湍流強(qiáng)度增大。當(dāng)氣相含氣率穩(wěn)定時(shí),流體的湍流強(qiáng)度也趨于穩(wěn)定。同時(shí),從波紋管和光管湍流強(qiáng)度對(duì)比發(fā)現(xiàn),波紋管不論在波峰還是波谷處,其湍流強(qiáng)度都遠(yuǎn)比光管大。這是由于波紋管波峰波谷結(jié)構(gòu)的存在,使得流體湍流擾動(dòng)加劇,湍流強(qiáng)度不斷增大,強(qiáng)化了管內(nèi)流體和管壁間的對(duì)流換熱,對(duì)工質(zhì)的沸騰蒸發(fā)有強(qiáng)化作用。
圖2 軸向不同截面平均湍流強(qiáng)度變化曲線
圖3 軸向不同截面平均溫度變化曲線
圖3為進(jìn)口流速為1 m/s、壁面加熱溫度為351 K時(shí),光管和波紋管沿軸向截面的溫度變化曲線。從圖3可以看出,光管和波紋管內(nèi)的流體溫度變化趨勢(shì)一致,從入口到出口的蒸發(fā)沸騰換熱過(guò)程中,流體的溫度都逐漸升高。在進(jìn)口流速、壁面加熱溫度一定的情況下,波紋管管內(nèi)蒸發(fā)介質(zhì)的溫度明顯高于光滑管內(nèi)蒸發(fā)介質(zhì)的溫度,光管內(nèi)流體出口平均溫度為344.68 K,波紋管內(nèi)流體出口平均溫度為345.67 K。這是因?yàn)椴y管內(nèi)流體由于受到周期性變化的流道影響,使得流體在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生了強(qiáng)烈的擾動(dòng),強(qiáng)化了傳熱,提高了換熱效率,使得波紋管內(nèi)流體整體溫度明顯高于光管。
圖4為進(jìn)口流速為1 m/s、壁面加熱溫度為351 K時(shí),光管及波紋管軸向沸騰蒸發(fā)相變含氣率變化曲線。從圖4中可以看出,波紋管和光管內(nèi)含氣率變化趨勢(shì)基本一致,沿軸向不斷增多。由于剛開(kāi)始流體未完全達(dá)到沸騰蒸發(fā)所需溫度,進(jìn)口段含氣率為 0,隨著流體流動(dòng),壁面附近的液體溫度逐漸升高,開(kāi)始沸騰蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽,沿著流體流動(dòng)的方向液相越來(lái)越少,氣相越來(lái)越多。同時(shí),通過(guò)波紋管和光管內(nèi)氣液分布圖對(duì)比發(fā)現(xiàn),在相同進(jìn)口質(zhì)量流量和相同加熱溫度下,波紋管的含氣率相較于光管大。這是由于一方面波紋管特殊波紋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了流體的擾動(dòng)與混合,使流體湍流度增大;另一方面波紋管傳熱面積也大,傳熱效果好,使管內(nèi)介質(zhì)較快達(dá)到沸騰蒸發(fā)產(chǎn)生氣泡所需要的溫度,進(jìn)入飽和沸騰,強(qiáng)化了傳熱。
圖4 軸向不同沸騰蒸發(fā)含氣率變化曲線
圖5為進(jìn)口流速為1 m/s時(shí),平均沸騰傳熱系數(shù)隨管壁加熱溫度的變化曲線。從圖5中可以看出,在進(jìn)口流速為1 m/s時(shí),隨著管壁加熱溫度的升高,平均沸騰傳熱系數(shù)都呈快速上升趨勢(shì);同時(shí),波紋管的平均沸騰傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于光管的平均沸騰傳熱系數(shù)。管壁加熱溫度從347 K增加到353 K,波紋管平均沸騰傳熱系數(shù)從 773 W/(m2·K)增加到 1954 W/(m2·K), 而 光 管 從 396 W/(m2·K)增 加 到 884 W/(m2·K),在相同加熱溫度下,波紋管的平均傳熱系數(shù)都大于光管,其中,波紋管最小平均沸騰傳熱系數(shù)是光管最小平均沸騰傳熱系數(shù)的2.09倍,波紋管最大平均沸騰傳熱系數(shù)是光管的2.21倍。
圖5 平均沸騰傳熱系數(shù)隨管壁溫度的變化曲線
圖6 平均沸騰傳熱系數(shù)隨流速的變化曲線
圖6為壁面加熱溫度為351 K時(shí),平均沸騰傳熱系數(shù)隨進(jìn)口流速的變化曲線。從圖6中可以看出,在管外加熱溫度為351 K時(shí),隨著流體進(jìn)口流速的增大,平均傳熱系數(shù)都呈快速上升的趨勢(shì);同時(shí),波紋管的平均沸騰傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于光管的平均沸騰傳熱系數(shù)。進(jìn)口流速質(zhì)量流量從 0.5 m/s增加到 1 m/s時(shí),波紋管平均傳熱系數(shù)從887 W/(m2·K)增加到 1561 W/(m2·K),而光管從 519 W/(m2·K)增加到734 W/(m2·K),在相同進(jìn)口流速下,波紋管的平均沸騰傳熱系數(shù)都大于光管的平均沸騰傳熱系數(shù),其中,波紋管最小平均沸騰傳熱系數(shù)是光管最小平均沸騰傳熱系數(shù)的1.71倍,波紋管最大平均沸騰傳熱系數(shù)是光管的2.13倍。
(1)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、多相流混合模型和相變質(zhì)量能量傳遞自定義函數(shù)可實(shí)現(xiàn)MVR升膜循環(huán)蒸發(fā)器管內(nèi)氨基酸廢水溶液在 70 ℃和 31170 Pa時(shí)的沸騰蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)過(guò)程。
(2)在進(jìn)口流速1 m/s、壁面加熱溫度為351 K的條件下,光管內(nèi)流體湍流強(qiáng)度沿著管長(zhǎng)方向變化不明顯,在下游截面300 mm位置隨著溶液沸騰蒸發(fā)汽包的產(chǎn)生,湍流強(qiáng)度有所增加;而波紋管內(nèi)流體湍流強(qiáng)度沿著管長(zhǎng)增加幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光管。
(3)管內(nèi)溶液溫度隨著管長(zhǎng)方向不斷升高,在相同軸向截面位置,波紋管的溫度比光管的高。
(4)管內(nèi)溶液沸騰蒸發(fā)產(chǎn)生的相變含氣率沿著管長(zhǎng)方向不斷增加,但相同相同截面位置波紋管的含氣率高于光管,波紋管的最高含氣率為35%,光管為30%。
(5)管內(nèi)平均沸騰傳熱系數(shù)隨著管壁加熱溫度和管內(nèi)進(jìn)口流速的升高而升高,不同管子結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱性能有影響,波紋管平均沸騰傳熱系數(shù)最高是光管的2.2倍。
(6)前期數(shù)值模擬探索研究為MVR升膜循環(huán)蒸發(fā)器的工程設(shè)計(jì)提供了一定基礎(chǔ),相關(guān)實(shí)驗(yàn)佐證工作有待進(jìn)一步深入。
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