低溫多效海水淡化蒸發(fā)器內(nèi)流動(dòng)阻力的分析

馮寅

摘 要：以低溫多效海水淡化（LT-MED）蒸發(fā)器內(nèi)蒸汽流動(dòng)阻力為研究對(duì)象，介紹了管內(nèi)阻力、管束阻力和除沫器阻力，分析了影響阻力的因素。

關(guān)鍵詞：海水淡化；蒸發(fā)器；阻力

引言

海水淡化的方法多種多樣，其中LT-MED由于預(yù)處理要求低、耗能小等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用。作為LT-MED系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，水平管降膜蒸發(fā)器的性能直接影響了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。由于蒸發(fā)器內(nèi)蒸汽處于低溫、負(fù)壓、飽和狀態(tài)，流動(dòng)阻力引起的壓降會(huì)導(dǎo)致溫度變化，進(jìn)而影響蒸發(fā)器的性能。因此需要對(duì)流動(dòng)阻力進(jìn)行深入研究，尋求降低阻力的辦法，力爭在阻力最小的情況下達(dá)到換熱要求。

1 水平管降膜蒸發(fā)器

在LT-MED系統(tǒng)中，水平管降膜蒸發(fā)器主要由殼體、換熱管束、海水噴嘴、除沫器、蒸汽室、管箱等部分組成（見圖1）。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，海水噴淋到頂排換熱管上，然后以膜狀形式逐級(jí)滴落到下一水平管。蒸汽在管內(nèi)冷凝放熱，蒸汽凝結(jié)水就是生產(chǎn)出的淡水，海水受熱蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽流經(jīng)除沫器進(jìn)入下一效蒸發(fā)器作為加熱蒸汽。

蒸發(fā)器內(nèi)的流動(dòng)阻力包括：管內(nèi)阻力、管束阻力、除沫器阻力、通道內(nèi)阻力、蒸氣室和管箱內(nèi)的局部阻力等。其中管內(nèi)阻力、管束阻力和除沫器阻力是主要的流動(dòng)阻力。

2 管內(nèi)阻力

蒸汽在管內(nèi)冷凝時(shí)形成了氣液兩相流動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的壓降。如果管內(nèi)流動(dòng)阻力過大，根據(jù)飽和蒸汽的性質(zhì)，壓降損失將導(dǎo)致蒸汽在換熱管進(jìn)口和出口的飽和溫度發(fā)生很大變化，凝結(jié)過程中的傳熱溫差和傳熱系數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。所以管內(nèi)流動(dòng)阻力對(duì)蒸發(fā)器性能影響很大，不容忽視。

為了求解簡化可以通過折算系數(shù)把管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)阻力與單相阻力關(guān)聯(lián)，先求單相阻力然后折算出兩相阻力[1]：

式中，（△P）l-管內(nèi)僅為液相時(shí)的壓降，Pa；Φ2-兩相摩擦因子；fl-摩擦系數(shù)；go-換算系數(shù)；L-管長，m；D-管外徑，m；vl-液體流速，m/h。

可以看出，蒸汽在管內(nèi)的流動(dòng)阻力隨著管長、蒸汽密度和流速的增加而增大，隨著管徑的增加而減??；由于蒸汽密度、摩擦阻力系數(shù)以及馬蒂內(nèi)利參數(shù)都受溫度的影響，因此蒸汽溫度對(duì)管內(nèi)流動(dòng)阻力的影響很大。

3 管束阻力

在蒸發(fā)器內(nèi)，管外海水受熱蒸發(fā)會(huì)產(chǎn)生大量蒸汽，蒸汽掠過管束時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的阻力。噴淋海水沿管束在重力作用下下落，蒸汽流出管束時(shí)還要考慮到噴淋海水對(duì)其的阻力。管束阻力所造成的壓降會(huì)引起蒸發(fā)溫度和凝結(jié)溫度的改變，進(jìn)而影響蒸發(fā)器的性能。

目前計(jì)算水平管降膜蒸發(fā)器內(nèi)管束流動(dòng)阻力的典型公式為[2]：

（2）

式中，ξ-修正參數(shù)；ρ-蒸汽密度，kg/m3；Z-管列數(shù)；v-管外蒸汽流速，m/s。

國內(nèi)學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)方法擬合出蒸汽橫掠降膜流動(dòng)水平管束的阻力公式[3]：

式中，μ-噴淋水動(dòng)力黏度，Pa.s；η-蒸汽動(dòng)力黏度，Pa.s；Г-噴淋密度，kg/m.s；slo，str-縱、橫向管間距，m。

可以看出，管束阻力隨著蒸汽密度、流速和管列數(shù)的增加而增大，由于飽和蒸汽密度和動(dòng)力黏度都直接受溫度影響，因此溫度對(duì)管束阻力影響很大，溫度升高會(huì)使得阻力增加。管束阻力還受管束排列方式和噴淋密度的影響。

4 除沫器阻力

管外蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽中會(huì)夾帶大量海水液滴，若不將其除去，會(huì)影響淡水水質(zhì)。蒸汽攜帶液滴流經(jīng)除沫器后，液滴會(huì)被攔截而流回蒸發(fā)器底部，干蒸汽則通過除沫器進(jìn)入下一效作為加熱蒸汽。蒸汽流經(jīng)除沫器引起的壓降將降低凝結(jié)溫度，當(dāng)傳熱溫差很小時(shí)，這種變化所帶來的效應(yīng)就很明顯，因此除沫器阻力對(duì)蒸發(fā)器性能的影響不可忽視。

蒸發(fā)器內(nèi)蒸汽流經(jīng)絲網(wǎng)除沫器的流動(dòng)阻力公式[4]：

（4）

絲網(wǎng)除沫器在濕工況下的壓降計(jì)算式[5]：

（5）

式中，ρs-除沫器填充密度，kg/m3；d-絲網(wǎng)直徑，m；v-蒸汽流速，m/s；h-絲網(wǎng)除沫器厚度，m；μg-氣相動(dòng)力粘度，Pa.s。

有學(xué)者[6]將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的除沫器阻力值同式（5）比較，在蒸汽流速較小時(shí)，實(shí)驗(yàn)值與式（5）計(jì)算值相差較小，隨著蒸汽流速的增加，差距越來越大。

從式（4）、（5）可以看出，除沫器阻力隨著蒸汽流速和除沫器填充密度的增加而增大，隨著絲網(wǎng)直徑的增大而減小。由于飽和蒸汽的動(dòng)力粘度隨著溫度的升高而增大，所以除沫器阻力隨著蒸汽溫度的升高而增大。

5 結(jié)束語

5.1 管內(nèi)阻力隨著管長、蒸汽流速和密度增加而增大，隨著管徑增加而減小。

5.2 管束阻力隨著蒸汽溫度、流速和管列數(shù)增大而增大，也受管束排列方式和噴淋密度的影響。

5.3 除沫器阻力隨著蒸汽流速和溫度的升高而增大，隨著絲網(wǎng)直徑增大而減小。

蒸汽溫度和流速對(duì)各段阻力都有影響，適當(dāng)降低溫度和流速可以減小阻力。但是降低溫度和流速又會(huì)造成換熱效率下降，因此應(yīng)在保證換熱和降低阻力之間尋求最優(yōu)值。

參考文獻(xiàn)

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[6]孫正偉.除沫器流動(dòng)阻力與分離特性研究[D].碩士學(xué)位論文，大連理工大學(xué)，2012.