曹傳鵬，解利昕，徐世昌，杜亞威

（1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津市膜科學(xué)與海水淡化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津300130）

海水淡化技術(shù)是滿足日益增長(zhǎng)的淡水需求的解決方案之一[1]。我國(guó)部分沿海地區(qū)海水存在高污染問(wèn)題，盡管多效蒸餾的能耗高于反滲透技術(shù)，僅需簡(jiǎn)單預(yù)處理的低溫多效海水淡化技術(shù)依然展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。水平管降膜蒸發(fā)器（HFE），具有傳熱效率高、壓降小、易分離蒸汽、溫差小等顯著優(yōu)點(diǎn)[2]。水平管降膜的傳熱系數(shù)約為豎直管降膜蒸發(fā)的2 倍，而且原料在管外蒸發(fā)，易于觀察測(cè)定成膜和結(jié)垢情況，在海水淡化工程中應(yīng)用廣泛[3]。

水平管降膜蒸發(fā)器由液體分布器、水平蒸發(fā)管、回流系統(tǒng)和排氣通道四個(gè)關(guān)鍵部件組成。而位于蒸發(fā)器上方的液體分布器將進(jìn)料海水噴淋到下部水平管束上，并通過(guò)水平管束與管內(nèi)蒸汽進(jìn)行換熱。蒸發(fā)側(cè)的傳熱系數(shù)與液膜分布、蒸發(fā)液物化性質(zhì)、換熱管尺寸、換熱環(huán)境等多種因素相關(guān)[4]，因此液體分布效果會(huì)影響蒸發(fā)器的性能[5]。液體分布器噴灑的液體是否均勻，將直接影響整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行效率[6]。而目前液體分布器的主要形式為噴淋管式、噴淋板式、噴嘴式液體分布器[7]。噴嘴式液體分配器在防止不溶物或垢物堵塞方面具有一定的優(yōu)勢(shì)[8]。一些學(xué)者對(duì)液體分布器開孔間距、開孔大小和布液高度等因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[9～13]，或采用數(shù)值模擬方法對(duì)內(nèi)部流體流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行分析[14]，對(duì)分布器優(yōu)化設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

本文針對(duì)海水淡化系統(tǒng)中空旋流式液體噴頭進(jìn)行了液體分布均勻性研究，提出了多噴頭布置方案，并進(jìn)行了均勻性分析，為分布器優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高蒸發(fā)器蒸發(fā)效率起到指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 液體噴頭的結(jié)構(gòu)

中空結(jié)構(gòu)的旋流液體噴頭結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 中空旋流液體噴頭

圖1 是中空結(jié)構(gòu)旋流液體噴頭圖片。噴頭的長(zhǎng)方體入口通道與圓柱體渦流室相切。液體沿著切線方向通過(guò)入口通道進(jìn)到渦流室，并在空腔內(nèi)形成回旋流。最后從喇叭形噴嘴均勻噴灑出來(lái)。噴頭出口口徑較大，難溶物和垢物不容易沉積堵塞，噴淋壓力損失較小。在一定范圍內(nèi)液體分布均勻，能夠適應(yīng)水平管降膜蒸發(fā)器液體均勻分布的要求。

1.2 噴淋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

研究中搭建噴頭噴淋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2，對(duì)該噴頭的噴淋特性及均勻性影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖2 噴頭噴淋特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖2 為噴淋特性測(cè)試示意圖。實(shí)驗(yàn)中使用自來(lái)水作為工作介質(zhì)。原料水儲(chǔ)存在原料水箱中，通過(guò)離心泵將原料水泵送到噴頭。液體通過(guò)噴頭噴灑，下部的液體收集系統(tǒng)收集計(jì)量噴灑的液體。液體收集系統(tǒng)由若干個(gè)集液量筒等間距排列組成。排列的集液量筒可以旋轉(zhuǎn)收集不同角度的噴淋液體。通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)料流量和噴頭高度，可以測(cè)量不同流量和噴淋高度的液體噴淋量。液體收集系統(tǒng)各個(gè)集液量筒的示數(shù)將用于反應(yīng)噴頭的噴淋覆蓋范圍和噴淋均勻性情況。

液體收集裝置由一排緊密排列的量筒和擋水板組成。排列的集液量筒位于噴頭下方，并可繞著中心點(diǎn)任意角度旋轉(zhuǎn)從而覆蓋整個(gè)噴淋的圓形范圍。實(shí)驗(yàn)開始前集液量筒由擋水板遮擋，當(dāng)開機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，開始計(jì)時(shí)的瞬間移走擋水板。一段時(shí)間后且量筒內(nèi)的噴淋液量均未達(dá)到最大刻度時(shí)停止計(jì)時(shí)，停止計(jì)時(shí)的瞬間用擋水板遮住集液量筒。然后分別讀取量筒的集液量，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次取平均值。本文中的噴淋量q（m/s）由單位時(shí)間量筒的集液高度變化表示，S（mm）為集液量筒距噴頭中心（噴頭出口中心線與集液測(cè)量平面交點(diǎn)）的水平距離。

2 結(jié)果與討論

2.1 單噴頭噴淋均勻性分析

圖3 不同流量下的布液分布（高度500mm，角度0℃）

圖4 不同角度的布液分布（高度500mm，流量9t/h）

圖5 不同高度的布液分布(流量9t/h，角度0℃)

圖3、4 和5 分別為不同流量、角度和高度下的布液分布情況。噴淋液體分布基本上關(guān)于噴頭噴淋中心對(duì)稱分布，噴淋量主要集中在中間范圍區(qū)域，噴淋范圍邊緣部分的噴淋量較小。在中間區(qū)域，液體噴淋量分布較為均衡，噴頭的噴淋均勻性得到體現(xiàn)，可以滿足水平管降膜蒸發(fā)器內(nèi)的進(jìn)料海水噴淋要求。由圖3 可以看出，隨著噴淋流量的增加，噴淋量也逐漸增加。在中間有一個(gè)噴淋量相對(duì)較小的區(qū)域，且流量越大越明顯。進(jìn)入旋流室的液體繞著噴頭圓形壁面做旋流運(yùn)動(dòng)，靠近壁面處的液體壓力較高。隨著流量增加，進(jìn)入噴嘴壁面的液體切向壓力升高，噴淋范圍增加，中間區(qū)域的噴淋量相對(duì)減小。由圖4 可知，對(duì)于不同的噴淋角度，噴淋量的變化不大。由圖5 可以看出，隨著噴淋高度的增加，中間噴淋量逐漸減小但噴淋分布更加均勻。當(dāng)噴淋高度為600～700mm 時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)較為均勻的噴淋分布。

2.2 多噴頭噴淋均勻性分析

為了測(cè)定多個(gè)噴頭噴淋布液性能，針對(duì)單噴頭的噴淋特性，提出了兩種較佳的多噴頭布置方案（圖6）。ABCD 為噴頭的布置點(diǎn)，由于噴淋區(qū)域由重復(fù)的正方形和三角形組成，因此只需測(cè)定該區(qū)域的布液分布。通過(guò)調(diào)整噴頭間距離確定較佳的布液分布結(jié)構(gòu)。分布。

圖6 多噴頭布置方案 (a)正方形布置 (b)三角形布置

圖8 采用三角形布置的分布云圖。圖中分布云圖的三個(gè)頂點(diǎn)為三個(gè)噴頭的布置點(diǎn)。當(dāng)噴頭間距較小時(shí)，噴淋量主要集中在中間區(qū)域，當(dāng)噴頭間中心距離逐漸增大時(shí)，中心位置的噴淋逐漸減小，直到出現(xiàn)空白噴淋區(qū)。當(dāng)高度500mm，噴頭距中心850mm 時(shí)噴淋量的分布比較均勻，中心區(qū)域的噴淋量和周圍區(qū)域的噴淋量較為接近。

圖7 正方形的布置方式時(shí)的布液分布圖

圖8 正方形的布置方式時(shí)的布液分布圖

表1 展示了不同布置方式時(shí)噴淋量的均勻性狀況。當(dāng)采用三角行分布時(shí)，噴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。結(jié)合圖7 和圖8 可得，采用三角形布置時(shí)可以得到較為均勻的噴淋量分布。

表1 不同布置方式噴淋量的均勻性

3 結(jié)論

本文針對(duì)海水淡化系統(tǒng)中空旋流式液體噴嘴進(jìn)行了液體分布均勻性研究，噴淋液體分布基本上關(guān)于噴頭噴淋中心對(duì)稱分布，噴淋量主要集中在中間范圍區(qū)域，噴淋范圍邊緣部分的噴淋量較小。隨著噴淋流量的增加，噴淋密度變大。噴淋角度對(duì)噴淋密度的影響較小。隨著噴淋高度的增加，噴淋密度逐漸減小但噴淋分布更加均勻。當(dāng)噴淋高度為600～700mm 時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)較為均勻的噴淋分布。

對(duì)兩種多噴頭布置方案進(jìn)行了均勻性分析。正方形布置時(shí)，噴淋液主要集中于對(duì)角線位置，相鄰噴頭間的噴淋量較小，未能實(shí)現(xiàn)較為均勻的噴淋分布。采用三角形布置時(shí)可以得到較為均勻的噴淋量分布，當(dāng)噴淋高度500mm，中心距850mm 時(shí)噴淋量的分布比較均勻。