馬龍?zhí)?楊開敏 季璨

(1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南250013；2.山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101；3.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)山東省科學院能源研究所，山東濟南250014)

0 引言

閃蒸是液體經歷壓力突降時的快速汽化現(xiàn)象，具有效率高、能耗低等優(yōu)勢，近年來在海水淡化、冷卻、干燥等領域得到了廣泛應用[1-3]。同時，閃蒸所具備的節(jié)能環(huán)保、可充分利用低品位熱能的特點，在水泥、鋼鐵、有色冶金等高耗能行業(yè)的余熱回收方面展現(xiàn)出良好的應用前景[4]。

國內外對閃蒸的研究始于20世紀60年代。Miyatake等[5]是研究池水閃蒸現(xiàn)象與機理的先驅，發(fā)現(xiàn)池水閃蒸包含快速沸騰階段和表面蒸發(fā)階段，提出衡量閃蒸過程溫度變化和完成程度的2個重要參數(shù):不平衡溫差 NETD(Nonequilibrium Temperature Difference)和不平衡分數(shù) NEF(Nonequilibrium Fraction)。Saury等[6-7]開展了水膜和池水閃蒸實驗，探討了溫度、壓力、過熱度、初始水位等因素對閃蒸蒸發(fā)量的影響，并估算了閃蒸現(xiàn)象的持續(xù)時間。Mutair等[8-9]在一系列射流閃蒸實驗中，觀察了流動狀況對閃蒸射流特性和閃蒸強度的影響，提出了預測射流中心線溫度變化的指數(shù)型衰減曲線，并擬合出預測閃蒸結束位置的經驗公式，發(fā)現(xiàn)即使過熱度很低，閃蒸仍表現(xiàn)出較高的效率。張友森等[10]通過實驗研究了純水循環(huán)閃蒸過程中顯熱轉化率隨進口過熱度的變化規(guī)律。程文龍等[11]研究了不同參數(shù)對真空噴霧閃蒸冷卻的影響，得出了噴霧閃蒸冷卻的換熱特性曲線，并分析了能夠實現(xiàn)最優(yōu)散熱量的最佳噴霧高度和流量。周致富等[12-13]通過實驗對帶有不同膨脹腔噴嘴制冷劑閃蒸噴霧特性展開研究，分析膨脹腔結構與霧化錐角的關系，并探究閃蒸瞬態(tài)噴霧冷卻表面動態(tài)傳熱特性。楊慶忠等[14]探討了不同初始條件下NaCl溶液靜態(tài)閃蒸過程中蒸發(fā)質量的變化規(guī)律，并提出蒸發(fā)質量的無量綱關聯(lián)式。梁婷等[15]和王輝輝等[16]利用高速攝像技術探究純水靜態(tài)閃蒸特性，分析不同壓降速率下純水靜態(tài)閃蒸起始階段氣泡群的分布規(guī)律，并研究了不同參數(shù)條件下液膜高度的演變規(guī)律。

綜上所述，國內外對閃蒸的研究大多針對較低初始溫度和負壓環(huán)境下的池水和水膜閃蒸、以及真空環(huán)境下的噴霧閃蒸等。而對于在余熱發(fā)電領域有廣闊應用前景的初始溫度＞100℃、閃蒸壓力為正壓的噴霧閃蒸，則缺乏專門的實驗研究。因此，文章以水的高溫高壓噴霧閃蒸為研究對象展開一系列實驗，研究初始溫度、閃蒸壓力、供水流量等因素對閃蒸特性的影響，為閃蒸在余熱回收領域的應用提供參考。

1 實驗系統(tǒng)與步驟

1.1 實驗系統(tǒng)

閃蒸實驗系統(tǒng)主要由加熱裝置、閃蒸系統(tǒng)、補水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。系統(tǒng)的具體工藝流程為:除氧水經U型立式直流余熱鍋爐加熱至合適溫度，通過噴嘴噴入閃蒸罐，發(fā)生噴霧閃蒸。閃蒸產生的蒸汽通過罐體上部的蒸汽管道輸送至集汽箱，未蒸發(fā)的水和來自除氧水箱的補水一起，通過罐體下部的排水管道輸送至余熱鍋爐省煤器，開始新一輪的循環(huán)。

圖1 閃蒸系統(tǒng)示意圖

實驗臺全貌如圖2所示。實驗系統(tǒng)的核心部件——閃蒸罐屬于壓力容器，工作介質是水和蒸汽。其本體結構包括:殼體、封頭、進水裝置、排水及排汽裝置、汽水分離裝置、人孔、接管、吊耳和支座等；主要附件有安全閥、壓力表、溫度計、水位計等。閃蒸罐筒體和封頭材料為Q345R，連接管道材料為20號鋼，外部均包覆厚度為100 mm的硅酸鋁針刺毯保溫材料。

圖2 實驗臺全貌圖

閃蒸系統(tǒng)各部分均按需安裝有用于測量溫度、壓力、流量的儀表，儀表的具體信息見表1，測量儀表如圖3所示。

表1 測量儀表信息表

1.2 實驗步驟

開始實驗前，檢查實驗系統(tǒng)各設備是否正常。檢查工作主要針對3個部分:鍋爐側、閃蒸罐本體側和測試設備側。檢查各部分的閥門能否正常開啟和關閉，測試設備是否連接正常、儀表能否正常使用、數(shù)據(jù)采集設備是否正常工作等。在確保各設備均正常運行后，按照《鍋爐操作規(guī)程》啟動余熱鍋爐。待其正常運行后，開始進行變工況實驗。

圖3 測量儀表圖

實驗采用控制變量法，分別研究液體過熱度、閃蒸壓力、供水流量、噴射方向和噴嘴尺寸對閃蒸的影響，實驗參數(shù)的變化范圍見表2。

表2 實驗參數(shù)變化范圍表

具體實施步驟如下:

(1)以液體過熱度為變量時，保持閃蒸罐供水流量不變，通過調節(jié)余熱鍋爐引風機頻率來調節(jié)煙氣量，將閃蒸罐供水加熱至不同目標溫度。

(2)以閃蒸壓力為變量時，保持閃蒸罐供水溫度和流量不變，將閃蒸罐內壓力設定為不同的目標值，接收此信號的電動執(zhí)行機構會根據(jù)罐內壓力信號，自動調節(jié)蒸汽管道上電動調閥的開度，以使罐內壓力保持在設定值。

(3)以供水流量為變量時，保持閃蒸罐供水溫度和閃蒸壓力不變，通過調節(jié)供水管道閥門開度調節(jié)供水流量。

(4)以噴射方向為變量時，保持供水溫度、流量及閃蒸壓力不變，通過切換不同管路，實現(xiàn)流體向上或向下噴射。

(5)以噴嘴尺寸為變量時，更換不同噴嘴，在相同的實驗工況下進行閃蒸實驗。

在每次實驗中，待運行穩(wěn)定后記錄該工況下的閃蒸蒸汽質量流量，并根據(jù)式(1)計算閃蒸蒸汽質量流量與供水質量流量之比，即汽化率，由式(1)表示為

式中:η為汽化率；qm，ev、qm，in分別為閃蒸蒸汽質量流量、供水質量流量，t/h。

2 結果與分析

2.1 液體過熱度對閃蒸特性的影響

液體過熱度定義為液體初始溫度與閃蒸壓力對應的飽和溫度之差，由式(2)表示為

式中:ΔTs為液體過熱度，℃；T0為液體初始溫度，℃；Ts為閃蒸壓力對應的飽和溫度，℃。

供水質量流量qm，in為 19 t/h、閃蒸壓力pev為121 kPa、過熱度 ΔTs在 38.0～41.7°C 變化的條件下，閃蒸蒸汽質量流量qm，ev和汽化率η隨過熱度變化的曲線如圖4(a)所示。供水質量流量qm，in為24 t/h、閃蒸壓力pev為121 kPa、過熱度 ΔTs在27.7～31.2℃變化的條件下，閃蒸蒸汽質量流量qm，ev和汽化率η隨過熱度變化的曲線如圖4(b)所示?？梢钥闯?，隨著過熱度的提高，閃蒸蒸汽流量和汽化率均增大。

圖4 蒸汽流量和汽化率隨過熱度的變化圖(pev=121 kPa)

閃蒸壓力為121 kPa、過熱度在27.7～44.6℃范圍內變化時，汽化率的變化曲線如圖5所示?？梢钥闯?，汽化率是過熱度的增函數(shù)，提高過熱度可以強化閃蒸。當液體過熱度增大時，噴嘴內部汽化核心密度增加，氣泡生長速度增大，蒸發(fā)加快，促進霧化破碎，使噴嘴產生的噴霧更細。在噴霧液滴蒸發(fā)階段，過熱度越大則蒸發(fā)越劇烈，液滴越小則蒸發(fā)越迅速。此外，在實驗所涉及的范圍內，汽化率隨過熱度近似成比例的提高?？梢哉J為，過熱度是閃蒸的驅動力。

圖5 汽化率隨過熱度的變化圖(pev=121 kPa)

采用線性擬合方法，得出汽化率與過熱度之間的經驗公式，由式(3)表示為

2.2 閃蒸壓力對閃蒸特性的影響

將閃蒸罐內壓力分別保持在126、131、136、141和146 kPa，液體初始溫度為145℃的條件下，供水質量流量分別為11、20 t/h時，蒸汽質量流量和汽化率的變化曲線如圖6所示。

可以看出，隨著閃蒸罐內壓力的提高，閃蒸蒸汽質量流量和汽化率均減小。這可以解釋為，當閃蒸壓力提高時，其對應的飽和溫度相應提高，在液體初始溫度不變的前提下，液體過熱度降低，閃蒸的動力減小，而噴嘴進出口壓差減小，噴嘴霧化效果降低。所以閃蒸過程減弱，產汽量和汽化率均降低。

2.3 供水流量對閃蒸特性的影響

當液體初始溫度為146℃、閃蒸壓力為121 kPa時，閃蒸蒸汽質量流量隨供水質量流量變化如圖7所示?？梢钥闯?，隨著供水流量的增加，蒸汽流量也近似成比例的增大。這說明當前閃蒸系統(tǒng)的設計能夠滿足較大流量范圍的使用要求。

圖6 蒸汽流量和汽化率隨閃蒸壓力的變化圖

圖7 蒸汽流量隨供水流量的變化圖

2.4 噴射方向對閃蒸特性的影響

為滿足不同條件下的運行要求，閃蒸罐內部設置了向下和向上2路供水管道。在相同實驗條件下，向下噴射和向上噴射時閃蒸蒸汽量對比如圖8所示。可以看出，向下噴射的產汽量均高于向上噴射。向上噴射時，部分較小的液滴可能在尚未完成閃蒸，即被罐內上升的蒸汽流攜帶出閃蒸罐；而向下噴射時，液滴在罐內的停留時間得以延長，蒸發(fā)進行的更加充分。實驗中觀察到的現(xiàn)象與上述分析相印證:在向上噴射的工況下，閃蒸蒸汽帶水較為明顯；而在向下噴射時，蒸汽則無明顯的帶水現(xiàn)象。綜合來看，實際應用中推薦向下噴射，因其兼具產汽量高、帶水量少、覆蓋完全、能充分利用罐內空間等優(yōu)勢。

圖8 向下噴射和向上噴射的蒸汽量—過熱度曲線圖(qm，in=15 t/h)

2.5 噴嘴尺寸對閃蒸特性的影響

為研究噴嘴尺寸對閃蒸的影響，在實驗用噴嘴的基礎上，另外選取了3個類型相同、尺寸不同的噴嘴。將實驗用噴嘴編號為1，其余3個編號為2、3、4。噴嘴主要尺寸見表3。

表3 噴嘴主要尺寸表

分別使用上述4個噴嘴進行實驗，在相同的實驗工況下(T0=145℃)，使用不同噴嘴的閃蒸蒸汽量見表4。隨著噴嘴尺寸的減小，閃蒸蒸汽量亦減少。使用1、2號噴嘴時，蒸發(fā)情況相差不大，但使用3、4號噴嘴時，蒸發(fā)情況明顯削弱。噴嘴尺寸對蒸發(fā)的影響表現(xiàn)為兩種相互競爭、作用相反的機制:(1)噴嘴尺寸減小，霧化液滴粒徑減小，較細的噴霧可以在更短時間內完成蒸發(fā)；(2)噴嘴尺寸減小，噴出液體的流速增大，使液體在閃蒸罐內的停留時間縮短，很可能來不及完成閃蒸就排出罐外。由實驗結果來看，1、2號噴嘴能夠使液體在有限的時間內完成蒸發(fā)，而3、4號噴嘴因流速增加的不利影響超過了粒徑減小的有利影響，而無法滿足實驗的要求。因此在工程應用中，應綜合考慮容器大小、噴嘴特性等因素來選取合適的噴嘴。

表4 噴嘴尺寸對蒸汽產量的影響表(T0=145℃)

3 結論

以閃蒸在余熱發(fā)電領域的應用為出發(fā)點，以工業(yè)余熱為熱源，基于大型閃蒸實驗平臺，進行循環(huán)噴霧閃蒸變工況實驗，研究不同因素對閃蒸特性的影響，總結閃蒸蒸汽流量和汽化率的變化規(guī)律，主要結論如下:

(1)閃蒸蒸汽流量和汽化率隨過熱度的提高而增大，隨閃蒸壓力的提高而減小，供水流量的改變會成比例的改變閃蒸蒸汽流量；

(2)液體向下噴射的閃蒸效果優(yōu)于向上噴射，噴嘴尺寸的減小使噴霧液滴粒徑減小，同時縮短了液體在閃蒸罐內停留時間，實際應用中應綜合考慮容器大小、噴嘴特性等因素來選取合適的噴嘴。