低壓環境沖渣水蒸發實驗研究

衣婧豪，戰 勝，儀垂杰

(青島大學 機電工程學院，山東 青島 266071)

當液體注入低壓環境時，由于環境壓力突然下降，液體快速蒸發，其溫度迅速下降達到對應飽和壓力時，液體由平衡狀態變為過熱狀態，稱為閃蒸；另一閃蒸過程是液體撞擊固體壁面后，液滴或液膜在表面上的蒸發過程。液滴在低壓環境下蒸發過程在工業領域有著廣泛的應用。

目前，低壓環境下閃蒸已有眾多學者對此進行了理論和實驗研究，劉琰[1]對Nacl溶液在低壓環境中相變過程進行了實驗研究，得到了工質濃度、環境壓力等因素對液滴溫度影響規律。劉璐[2]在真空環境下對蔗糖溶液閃蒸結晶過程進行了實驗研究，分析了環境壓力對蒸發結晶過程的影響。Miyatake等[3-4]進行了靜止純水液膜的閃蒸現象的實驗研究，得到了用不平衡分數NEF和不平衡溫差NETD來衡量閃蒸的結論；Saury[5-6]對過熱度為1～35 ℃的水膜進行了閃蒸實驗研究，發現過熱度和初始壓強是影響閃蒸的主要因素，后續擴大了實驗參數范圍，進一步對壓降速率和液膜高度的實驗研究，結果表明隨著壓降速率和液膜高度增加，不平衡分數增加。Lior[7-8]不僅實驗研究了凝結氣體含量對閃蒸沸騰形態、蒸發量的影響；還研究了流體中的殘留氣體對閃蒸過程的影響。Mutair等[9-10]研究了噴霧流量、過熱度、初始水溫和噴嘴直徑對噴霧閃蒸性能的影響規律，提出了噴霧中心線溫度變化的指數衰減模型。郭迎利[11]對方腔內池水的過熱度、初始溫度、水位高度對其瞬態閃蒸時間進行了實驗研究。Zhang 等[12]對濃度為0～0.15 mol/L的NaCl 溶液進行了更深入的實驗研究,通過擬合得出了蒸汽攜帶系數的實驗關聯式。

閃蒸廣泛應用于食品工業、海水淡化、鹽水濃縮結晶分離、航天部件冷卻以及火電廠熱力系統中低溫廢熱處理回收與再利用[13-14]等，但在沖渣水換熱應用利用領域基本為空白。

本實驗研以青島特崗沖渣水為原料，主要分析環境壓力、液位高度對蒸發的影響。本文研究成果有助于深入認識低壓條件下沖渣水蒸發過程，從而更好地應用于工程。

1 閃蒸系統熱力學分析

1.1 系統描述

文章搭建的沖渣水真空閃蒸實驗臺主要包括閃蒸罐、真空泵、水泵、冷水機組、冷凝器和加熱水箱等。其中真空泵的作用是給冷凝器和閃蒸罐提供一個穩定的低壓環境，在低壓環境下沖渣水可以在溫度較低時就能達到沸騰的狀態。加熱水箱的作用是提供不同溫度的沖渣水，冷水機組的作用是為閃蒸產生的低壓蒸汽的冷凝提供冷量。實驗裝置示意如圖1所示。

圖1 沖渣水閃蒸實驗裝置

1.2 試驗方法

實驗選用青島特鋼底濾池中的85 ℃沖渣水，其水質：SS1 000～2 000 mg/L、總固體880.00 mg/L、總硬度990.00 mg·L-1、總堿度662.00 mg·L-1、鈣離子990.00 mg·L-1、鎂離子350.00 mg·L-1、氯離1 160.00 mg·L-1、硫酸根離子30.00 mg·L-1、全鐵6.04 mg·L-1、氟化物37.00 mg·L-1、硝酸根離子340.00 mg·L-1。根據飽和水蒸汽的壓力與溫度的關系，選擇實驗環境壓力為30、40和50 kPa；實驗時進水流量60、70和80 L·min-1；實驗時液位高度為40、50和60 cm。

實驗時，開啟加熱器將沖渣水加熱到目標溫度, 開啟真空泵將閃蒸腔壓力調節到目標壓力,進水流量穩定在目標流量。由于閃蒸室內為低壓環境，被加熱到相應溫度的沖渣水溶液進入閃蒸室以后，使得其低于相應溫度對應飽和的壓力，這時沖渣水開始閃蒸產生蒸汽。當進入閃蒸腔中的液體溫度達到閃蒸腔壓力對應的飽和溫度時, 啟動冷卻水泵, 閃蒸腔中閃蒸出的蒸汽在冷凝器中遇冷凝結, 生成的冷凝水經質量流量計返流入冷凝水管。沒有蒸發的低焓值廢水流入到廢水箱中。

1.3 實驗數據處理

閃蒸過程計算主要依據質量守恒和能量守恒。

根據質量守恒min=mout，可以得到

m1=m2+m3

(1)

根據能量守恒hin=hout，可以得到

m1h1=m2h2+m3h3

(2)

閃蒸率的定義為：閃蒸產生的蒸汽質量與輸入的熱水質量之比。其公式為

將式(1)帶入到式(2)中，整理后得到本文的具體計算公式：

(3)

式中：m1、m2、m3分別為閃蒸室渣沖水質量流量、閃蒸產生蒸汽質量流量、廢沖渣水質量流量，t/h；h1、h2、h3分別為熱水的焓值、蒸汽焓值、廢水的焓值,kJ/kg。

2 實驗結果分析及討論

2.1 壓力變化對蒸汽量的影響

在不同流量和不同液位高度的條件下，閃蒸壓力對初始溫度為85 ℃的沖渣水蒸汽產量的影響規律，如圖2所示。當進水流量、液位高度和初始溫度一定時，隨閃蒸罐內環境壓力升高，蒸汽流量降低。由于閃蒸罐內壓力可以看成飽和蒸汽的飽和壓力，其對應的飽和溫度會相應降低，這時渣水的過熱度會提高；另一方面罐內環境壓力降低，增大了閃蒸的驅動力也使得蒸汽流量增大。

圖2 不同進水流量時蒸汽產量隨閃蒸壓力的變化

2.2 液位高度變化對蒸汽量度的影響

在不同流量和不同閃蒸壓力的條件下，液位高度對初始溫度為85 ℃的沖渣水蒸汽產量的影響規律，如圖3所示。當進水流量、相對真空度和初始溫度一定時，隨高度升高升高，蒸汽壓力降低。

圖3 不同壓力時蒸汽產量隨液位高度的變化

因為液位高度增加會使液體靜壓力增加，閃蒸罐底部渣水的飽和溫度增加，與上部液體相比更難閃蒸，液位高度增加也會使氣泡上升距離增大，阻力增大；另一方面，液位的升高，渣水液體到液面的距離縮短，是的下落時間變短，從而減少了此過程過程中液體閃蒸的時間，這些因素都抑制了閃蒸的進行。

2.3 進水流量變化對蒸汽量的影響

在50 cm液位高度和不同壓力的條件下，進水流量對初始溫度為85 ℃的沖渣水蒸汽產量影響的規律，如圖4所示。當閃蒸罐內壓力、液位高度和初始溫度一定時，隨進水流量升高，蒸汽流量增加。

圖4 不同壓力時蒸汽產量隨進水流量的變化

當進水流量增大，進入閃蒸罐中待蒸發的渣水量就相應的增大；另一方面，流量增加使得閃蒸罐液體的流速增加，擾動增強，強化液體在閃蒸罐中的換熱，從而使蒸汽量增加。

2.4 閃蒸再生冷凝液水質檢測

實驗后對沖渣水閃蒸形成的冷凝水進行水質檢測，得到水質參數如表1 所示。經過閃蒸后的得到的冷凝水，其水質基本可以滿足常規工業軟水要求；換熱過程中產生的負壓蒸汽的品質相對純凈，不會對常規材質的換熱器造成過大腐蝕。

表1 沖渣水閃蒸冷凝水水質

3 結 論

本文搭建了沖渣水溶液真空閃蒸特性測試實驗臺，在沖渣水溶液初始溫度一定的條件下，改變閃蒸罐內環境壓力為50～70 kPa、進水流量60～80 mg·L-1、液位高度40～60cm，研究了壓力、進水流量、液位高度對產生蒸汽的影響。結論如下:

(1)在相同的液位高度、進水流量下，改變閃蒸罐內的環境壓力，壓力越低，蒸汽產量越大。

(2)在相同環境壓力、液位高度下，改變閃蒸罐的進水流量，隨著進水流量的增加，蒸汽產量也不斷增大。

(3)在相同環境壓力、進水流量下，改變閃蒸罐內的液位高度，隨著液位高度的增高，蒸汽產量也逐漸增大。

(4)經過閃蒸后的得到的冷凝水，其水質基本可以滿足常規工業軟水要求；同時，在閃蒸過程中產生的低壓蒸汽的品質相對純凈，不會對常材質的換熱器造成過大腐蝕。