高參數(shù)水噴霧閃蒸的理論分析與實驗研究.pdf

1、在能源短缺與環(huán)境污染問題日益突出的今天，如何提高能源利用率、減輕生產(chǎn)生活領(lǐng)域的污染成為關(guān)系到我國經(jīng)濟發(fā)展與人民生活水平的關(guān)鍵課題。在水泥、鋼鐵等高耗能行業(yè)中，工業(yè)余熱的高效利用方法具有重要的研究價值。將閃蒸引入高耗能行業(yè)余熱發(fā)電系統(tǒng)是進一步提高工業(yè)余熱利用效率、減輕生產(chǎn)熱污染的有效手段。余熱利用程度與閃蒸方式、參數(shù)水平、閃蒸效率等因素密切相關(guān)。因此，對閃蒸機理與特性進行分析與研究具有重要意義。本文圍繞在余熱回收領(lǐng)域有重要應(yīng)用價值的高參數(shù)

2、水噴霧閃蒸過程展開全面研究，進行了有深度的理論分析與數(shù)值模擬，開展了廣泛參數(shù)的實驗研究，掌握了高參數(shù)水噴霧閃蒸過程的基本規(guī)律與特性。在此基礎(chǔ)上，從霧化噴嘴的角度提出了較好的優(yōu)化方案。
　　首先，本文運用歐拉-拉格朗日法思想，建立噴霧閃蒸數(shù)學(xué)模型。在歐拉坐標系下求解蒸汽的流動與傳熱特性，在拉格朗日坐標系下求解噴霧液滴的運動與閃蒸。其中，液滴閃蒸過程因其機理特殊性而無法使用常規(guī)蒸發(fā)模型預(yù)測。本文從閃蒸蒸發(fā)機理特殊性出發(fā)，建立新的過熱液

3、滴閃蒸數(shù)學(xué)模型，描述閃蒸過程中液滴質(zhì)量、直徑與溫度的變化規(guī)律。
　　采用數(shù)值方法求解噴霧閃蒸數(shù)學(xué)模型，編寫用戶自定義函數(shù)，對CFD軟件進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了噴霧閃蒸過程全尺寸三維數(shù)值模擬。通過計算得出閃蒸罐內(nèi)部噴霧場與流場的發(fā)展過程及穩(wěn)態(tài)特性。結(jié)果表明，噴霧在發(fā)展初期具有較高過熱度，蒸發(fā)劇烈，引發(fā)噴嘴出口附近蒸汽高速流動，液滴溫度和直徑隨蒸發(fā)而迅速減小。隨著噴霧的繼續(xù)發(fā)展，蒸發(fā)劇烈程度明顯減緩，同時液滴初始動量影響力減弱，噴霧徑向擴

4、展趨勢減小。噴霧場與流場共同發(fā)展至穩(wěn)定狀態(tài)后，中心軸線附近液滴速度較高，噴霧外緣液滴速度較低。蒸汽流場出現(xiàn)對稱的大尺度旋渦。
　　對噴霧閃蒸特性進行參數(shù)敏感性分析，探究噴霧錐角、液滴粒徑大小、噴射方向、初始速度和閃蒸壓力對閃蒸特性的影響。結(jié)果表明，噴霧錐角的增大可以提高噴霧的覆蓋程度，并使閃蒸進行的充分程度稍有提高。液滴粒徑的減小雖使噴霧寬度降低，但顯著提高閃蒸速度，噴嘴出口附近蒸汽流速也顯著增加。流體向上噴射時無法充分利用閃蒸罐

5、內(nèi)部空間，且存在蒸發(fā)不完全和蒸汽帶水的可能性，在實際應(yīng)用中并不推薦。噴霧初始速度的減小能夠延長液滴在閃蒸罐內(nèi)停留時間，使閃蒸進行的更加充分。閃蒸壓力的提高意味著流體過熱度的減小，閃蒸強度明顯降低，噴霧寬度也因曳力的增大而降低。
　　在均勻噴霧閃蒸過程數(shù)值研究基礎(chǔ)上，建立了非均勻噴霧閃蒸模型，對液滴尺寸分布符合Rosin-Rammler函數(shù)的噴霧閃蒸過程進行求解。發(fā)現(xiàn)粒徑較小的液滴群集中分布于軸線附近，粒徑較大的液滴群徑向覆蓋范圍較

6、廣。噴霧溫度在軸向上呈現(xiàn)頂部高、底部低的特點，在徑向上呈現(xiàn)中心低、外緣高的特點。噴霧液滴速度變化幅度大于均勻噴霧，粒徑較小的液滴群速度變化較大。噴嘴出口附近蒸汽流速與湍流強度顯著提高。蒸汽流場出現(xiàn)了尺度不同、方向相反的雙旋渦。
　　基于以工業(yè)余熱為熱源的大型噴霧閃蒸實驗臺，開展噴霧閃蒸實驗研究。鑒于目前閃蒸實驗參數(shù)普遍較低的現(xiàn)狀，在實驗中提高參數(shù)水平，將初始水溫提高至100℃以上，將過熱度范圍擴大至30～46℃，將閃蒸罐運行壓力保

7、持為正壓，拓展了閃蒸的實驗研究范圍。實驗結(jié)果表明，閃蒸蒸發(fā)量隨初始溫度的提高而增大，隨閃蒸壓力的提高而減小。流體噴射方向向下時蒸發(fā)量更高，蒸汽帶水更少。噴嘴尺寸對閃蒸的影響體現(xiàn)在霧化效果與液體停留時間兩個相反的方面，需根據(jù)閃蒸空間大小與噴嘴特性選擇合適的噴嘴。過熱度是閃蒸的驅(qū)動力，經(jīng)擬合得出過熱度與閃蒸效率的經(jīng)驗公式。提出以無量綱的Jakob數(shù)作為閃蒸過程的特征數(shù)，分析不同實驗條件下Jakob數(shù)與閃蒸效率的關(guān)系，對實驗數(shù)據(jù)進行無量綱化多

8、元回歸分析，提出Jakob數(shù)、無量綱壓力與閃蒸效率的經(jīng)驗公式。
　　在對噴霧閃蒸進行全面分析的基礎(chǔ)上，考慮到噴嘴內(nèi)部發(fā)生相變的可能性及其對噴霧特性和噴霧閃蒸的影響，進一步將噴嘴內(nèi)部納入研究范圍。將多相流模型與降壓相變模型相結(jié)合，對實驗用含雙S形葉片的噴嘴內(nèi)部流動與閃蒸進行數(shù)值模擬。在此基礎(chǔ)上提出一種改進的噴嘴結(jié)構(gòu)，增設(shè)一組S形葉片，并將葉片兩端與噴嘴內(nèi)壁的幾何關(guān)系由相切改為垂直。分析表明，改進的結(jié)構(gòu)在促進閃蒸、減輕積垢與增大通流能