射流闪蒸研究进展及其应用

2022-04-15邱发成贺世豪李文生全学军

重庆理工大学学报(自然科学) 2022年3期

邱发成，贺世豪，熊沛，李文生，全学军

(重庆理工大学化学化工学院，重庆 400054)

射流撞击与负压闪蒸技术在水污染治理方面都具有较好处理效果[1-2]。然而，射流撞击技术与负压闪蒸技术在高浓度氨氮废水处理领域的研究较少，且其耦合强化方面的研究更少[3-4]。因而，从传质与分离耦合强化的研究角度出发，利用射流撞击-负压闪蒸耦合模式强化氨氮废水中的脱氨行为可作为高浓度氨氮废水吹脱过程强化研究的有效手段之一。事实上，射流闪蒸具有结合射流破碎过程中多变的气液交界面与闪蒸强化热质传递的优点。研究发现，在此过程中，射流液相的表面更新和破碎作用，可为后续闪蒸效率的提升奠定基础，从而使得射流破碎结合闪蒸强化传热传质性能显著增强。最终，以其优越的传热传质性能表现，促使这类新型耦合技术研究逐渐走向工业成熟化的应用。因此，射流闪蒸的研究对理论要求及指导工业化生产具有重要意义。

1 射流破碎及闪蒸研究进展

1.1 射流破碎研究进展

三大经典破碎理论指出：射流破碎是一个有序的物理过程。关于其研究，最早是从液体能量角度提出，Plateau[5]最先研究了射流表面能对射流过程产生形变逐渐至破碎的影响，率先开创了射流研究。随后Rayleigh等[6-7]提出在忽略流体黏性及重力影响的条件下，认为射流过程中的形变波动及破碎主要受液体物性表面张力影响。但是两者的研究均从各自研究角度出发，并没有多大关联。直至后来，Weber[8]总结了前人的研究并提出，射流过程形态变化是液体物性参数与外在物理条件共同作用的效果。同时，还综合了液体自身物性与运动参数，提出了无量纲韦伯数的概念，用于表征两相流在交界面上的运动特征。

现今，射流破碎的理论，普遍认为自由射流发生破碎的诱导因素是由于运动表面生成了不稳定波[9]。随后，引发流体发生形变，继而产生破碎[10]。总的来讲，根据破碎在喷射方向的分段特征，将破碎定义为逐级破碎(包含初级破碎、次级破碎等)。按照破碎的主要产生因素，又可分为压力破碎、碰撞破碎、风生破碎等[11]。按照逐级破碎方式的不同，也可以划分为膜状破碎、袋式/韧带式破碎、丝状破碎等[12]。液滴射流雾化过程如图1所示[13]。

图1 液滴射流雾化过程示意图

现阶段，根据对射流破碎的综合研究发现，初始破碎的主要影响变量有雷诺数Re[13]、韦伯数We[14]、Oh数[15]及喷嘴形式等影响。这些变量分别从外在物理因素、流体物性、喷嘴结构等方面影响射流破碎直至整个雾化过程。具体地，随着雷诺数的增大，射流从层流态向湍流态发展，影响着射流破碎的产生与发展。根据雷诺数研究结果，发现射流产生破碎点的位置与射流液体雷诺数有很强的线性相关性，特别是在有横向气流参与的破碎过程中[16-17]。对于韦伯数来讲，射流气动力与流体的表面张力相对强度有直接关系[18]。同时，韦伯数又可以间接表征喷嘴结构特征物理量。现有研究表明：喷嘴内粗糙的润湿流道有利于破坏流体在壁面处的边界层稳定性，导致流体在管内易发生湍流[19]。近年来，随着对喷嘴结构的研究不断深入，逐渐形成渐进变化流道与陡峭变化流道研究领域[20]。对于渐进变化流道而言，流体在其内部径向运动状态是过渡有序的，多出现层流特征。对于陡峭变化流道，流体运动在径向变化剧烈，容易使液体产生湍流甚至空化[21]。

目前，射流破碎的特性研究主要包括射流贯穿破碎长度特性、表面波动频率及波动速度特性[22]。对于射流贯穿行为来讲，随着射流速度的增大而增加。同时伴随着射流轴向长度的增加，射流边界层逐渐模糊，边界层附近卷吸周围气体产生漩涡，不断卷吸的气体与射流流体发生掺杂混合，从而导致射流破碎沿径向范围扩张。射流破碎长度主要受雷诺数、Oh数、射流喷嘴结构和射入环境的影响[23]。

特别地，对于横向射流破碎而言，从射流的表面波动频率与波动速度之间的联系来看，在较低的破碎气速小，射流的破碎主要受流体自身物性及射流速度影响。随着气流速度的增大，破碎发生明显变化。即在沿着射流方向上，射流孔口附近的起始段，由于受射流初始动量影响，液柱表面产生波纹。继续沿着射流方向，可以发现液柱开始出现块状破碎及剥落。随着气流的进一步增加，液相进一步破碎成更小的液滴。Sallam等[24]的研究也表明在大气流速度条件下，射流破碎与气液动量比呈线性相关关系，但在气液动量比小于一定数值时，对射流破碎影响较弱。

1.2 闪蒸研究进展

关于闪蒸的概念，是与闪急沸腾概念一同被提出的，并逐渐受到广泛关注。目前，关于闪蒸的应用主要聚焦于海水淡化水处理[25-26]，低品位能源利用[27]及电厂有害气体减排[28]等领域。闪蒸的基本原理可描述为：当过热的液体进入低于饱和温度的环境时，液体内部的过热能量会以显热的形式释放，并作为液体直接汽化的热量。随后，过热液体形成，并快速汽化蒸发。其中，过热能量越大，闪急蒸发过程越激烈[29]。

在早期的闪蒸研究中，主要侧重于容器类的闪蒸。然而，受限于容器大小的影响，使闪蒸过程中的相接触面积有限，且容易在闪蒸液面附近处形成局部热量集中区域，从而导致温度梯度较小，造成闪蒸效率低[30]。因此，如何解决闪蒸过程中受蒸发接触面积限制以及闪蒸区域内传热效率低的问题，已经成为一大研究热点。

针对闪蒸过程中往往需要提供较高过热度及一定压力条件等问题，近年来提出的基于负压条件下低温闪蒸技术逐渐受到研究者青睐[31]。目前，关于闪蒸过程中的影响因素主要包括过热度、液相工质属性(颗粒强化，物性等)、工质运动特性及环境状态等[32]。Yang等[33]通过研究瞬时过热度变化过程，得出处于静态闪蒸过程中的液相存在一个瞬时峰值，并综合分析了影响瞬时过热度大小的关键因素。Peng等[34]通过添加氧化铝纳米颗粒的方式，研究液相闪蒸冷却过程中的传热规律，发现纳米颗粒的加入，改变了液相闪蒸过程中的传热机制。同时，还得出了适宜浓度的纳米颗粒，能够增强液相闪蒸过程中的传热过程。Li等[35]通过研究低压环境中工质闪蒸特性，发现环境压力对射流闪蒸的雾化形态产生了重要影响，且在环境压力小于50 kPa时，蒸汽的闪蒸过程及蒸发形成的蒸汽扩散行为均得到加强。

2 射流闪蒸的应用

近年来，以闪蒸工艺为基础的耦合强化思路逐渐被提出，如射流与闪蒸的耦合应用。事实上，射流过程中独特的两相界面及射流破碎形成的微小液滴，都具有很高的比表面积，使得传热和传质面积得到大大增强。因此，射流破碎与闪蒸的结合工艺在传热传质方面具有优秀的表现。所以，目前关于闪蒸研究中，结合液相破碎的技术使闪蒸过程的效率提高到了一个新的高度。

长久以来，射流技术和闪蒸技术在各自领域均有针对性的应用实施。射流闪蒸耦合技术兼具两者的特性，进一步拓展了其应用范围。目前国内外对于射流闪蒸技术的应用主要有：

1) 脱盐工艺：采用射流闪蒸用于脱盐在海水淡化处理领域有巨大的优势。随着新兴低温闪蒸脱盐技术的应用，特别是闪蒸耦合太阳能集热技术的推广，进一步降低了处理能耗。在保证处理效率的前提下，这种耦合强化技术的能量消耗，相较于蒸馏脱盐及膜过滤脱盐处理工艺大幅缩小[36-38]。Cai等[39]从能量分析角度，研究了射流闪蒸状态下影响闪蒸脱盐的因素，发现向上的射流有助于促进闪蒸。同时还发现，射流速度越大，闪蒸的能量利用率和蒸发率明显增加。另外，Cai等还通过数值模拟分析的方式，模拟了射流闪蒸过程中液相运动蒸发进程，证明了射流雾化越彻底，液相闪蒸效率越高。为了进一步了解射流闪蒸过程中温度的变化情况，Fathinia等[40]研究了射流闪蒸中喷嘴附近的温度分布，得出在喷嘴下游处的温度变化分为3个阶段。即分别为快速下降区，平稳下降区以及温度稳定区，进而基于温度分布分析，揭示了射流闪蒸效率在空间位置上的变化规律。

2) 换热冷却：无论是射流还是闪蒸，均涉及强烈的传热过程。在现今工业散热领域，射流强制冷却技术具有不可替代的作用。研究发现，现今常采用低温饱和气体以冲击射流闪蒸的方式，对散热表面进行强制对流换热，以满足大量换热需求[41-43]。Wang等[44]研究了液氮冲击射流闪蒸的冷却机理。研究发现，在液氮射流冲击区内，很难形成膜态沸腾，蒸发产生的气膜很容易被液氮射流冲击破坏，从而影响冲击区域内的传热情况。Wu等[45]模拟了液氮在射流冲击破碎岩石应用中运动及温度变化的情况。研究指出，受射流闪蒸过程的影响，速度及湍流强度均大于同样条件下的水射流结果。由于液氮强烈的换热过程，在液氮冷却作用下，射流冲击驻点的应力发生变化，进而改变了整个换热过程。

3) 微纳米反应：利用射流闪蒸技术控制微纳米反应的应用，属于开发阶段。其原理是：以蒸发溶剂作为载体，通过溶剂闪蒸作用使其快速蒸发并释放内部溶解的反应成分，从而均匀地将反应组分暴露在反应环境内。Lobry等[46]采用雾化喷射闪蒸的方式对包含纳米颗粒的液滴进行快速蒸发实验，使得喷雾闪蒸过程能够在亚微米和纳米尺度上对有机材料进行再结晶，完成均匀改性目的。在此过程中，闪蒸的快慢程度决定了液滴内部纳米颗粒的释放速率，进而影响微尺度上材料的结晶速率。Coty等[47]利用喷射闪蒸技术对溶解度较差的BCS IV药物进行纳米结晶，通过表征证实了得到的纳米级结晶体提高了溶解度。因此，喷射闪蒸技术有效地解决了由于溶解度较差导致生物对药物利用率较低的问题。

4) 燃料预混：燃料在射流产生的雾化状况以及空间内蒸发燃料浓度均匀性，都是影响燃烧稳定及完全燃烧的关键。在液体燃料燃烧的工业应用中，燃料在开始燃烧前，必须保证与空气充分混合。在此过程中，燃料首先通过射流产生雾化，在极短时间内雾化燃料产生蒸发并与空气产生预混，随即在点火能量作用下开始燃烧。Gao等[48]模拟了两组分物质在射流闪蒸作用下与空气的预混情况。研究发现，随着燃料温度的升高或环境压力的降低，体积分数较高的燃料有较高的闪沸倾向。此时过热度指标不能完全适用于评判这类多组分物质，以及被用来确定闪沸状态下趋于复杂化的参数。Li等[35]还分析了燃油射流进入气缸内闪蒸这期间的传热变化。研究指出，燃油在射流闪蒸中蒸发速率较快，且射流中心线处蒸汽浓度较高。在射流中心线附近，热量传递较迅速，使得沿中心线的温度下降较快。以上分析表明，射流闪蒸对燃油燃烧预混的影响，主要通过射流雾化形式和闪蒸传热蒸发行为的调控，在双重作用下形成浓度适宜的燃料-空气混合气，最终达到高效燃烧的目的。

3 射流闪蒸中的特征现象

射流碰撞是射流闪蒸过程中利用流体动力学引发液相破碎的惯用手段，其实际应用非常广泛，如冲击射流换热驻点附近的射流流动、发动机喷油燃烧、喷雾喷涂等[49]。按照射流碰撞分类，可以将射流碰撞分为直射射流冲击碰撞和雾化射流碰撞。关于冲击式直射射流碰撞，是通过巨大的射流动量冲击引发主体射流破碎。对于冲击方式的选择，现今主流的研究有单相射流对冲式撞击破碎[50]和第二相协助冲击破碎[51]。关于雾化射流碰撞，是通过大量射流雾化粒子在运动中相互影响，产生碰撞来实现。总的来说，在射流碰撞破碎过程中，主要是由于密集独立分散液相之间的相对运动，导致各液相之间相互碰撞作用而产生的碰撞结果，如液相破碎、合并、分散等行为，进而影响区域内液滴的大小、运动分布情况。同时，液滴碰撞造成的液滴变形、二次雾化、运动变化等特征，也会对蒸发参与过程、传热传质参与过程等产生连锁性影响。射流闪蒸过程中，液相射流产生的碰撞破碎行为，对后续闪蒸效率有至关重要的影响。在研究射流闪蒸过程中，液相的碰撞破碎影响作用不可忽视。

3.1 射流闪蒸过程中的动量传递

对射流闪蒸而言，整个过程伴随着多相运动及相变过程，液相不断地快速蒸发导致其动量传递过程与单一的射流有很大区别[52]。具体地，在射流方向上，由于液相的闪蒸作用，射流沿下游的速度刚性急剧衰减，再加上蒸发汽化作用，使得主射流的速度方向矢量发散。同时，由于蒸发热形成的扩散，造成在径向上的动量出现膨胀行为。因此，上述行为的发生，导致了射流闪蒸过程中动量传递出现较大的混乱特性[53]。研究表明，受到射流的混乱运动影响，在闪蒸初期，射流液相极容易与周围液相碰撞发生相互作用。同时，这种碰撞作用进一步改变了闪蒸过程[54]。Tonini等[55]利用模型计算的方式，证明处于蒸发状态的液相发生碰撞时，其表面形变曲率越大，对应处蒸发的浓度梯度也越大。上述研究表明，碰撞对液相产生的形变会促进液相蒸发。此外，射流动量特性也能直接影响闪蒸传质，即在射流初始速度较大时，闪蒸效率明显提高。产生这种现象的原因，是由于初始动量越大，射流影响范围也越广，使闪蒸发生的空间不断扩大，进而强化了闪蒸过程。

3.2 射流闪蒸过程中的热量传递

射流闪蒸的热量传递，受到射流液相运动与蒸发耦合过程的影响，从而导致体系内传热过程十分复杂。事实上，射流闪蒸中热量的传递行为，直接主导闪蒸过程的优劣。因此，对射流闪蒸传热的研究多集中在闪蒸传热方面。

射流闪蒸阶段的主要传热方式，有对流、导热、相变传热[56]。对于闪蒸过程，相变传热具备独有的特点，即从相变换热角度来看，液相闪蒸成为气相时，液相热量首先以显热的形式释放，被发生相变所需的潜热所吸收，从而快速的完成相转变过程。Ji等[57]以此为基础，通过分析闪蒸过程中的可用显热与蒸发所需能量关系，得到闪蒸与Ja数之间的关联，证实了热量传递会对闪蒸过程产生影响。从热量扩散的角度，液相经闪蒸得以汽化，形成的气相具有很强的扩散性。随后，热量再通过气相携带作用进行快速传递。正是得益于气相对热量的携带作用，闪蒸过程中的热量在空间中迅速传递。以上2个因素的共同作用，促进了热量的传递过程，从而提高闪蒸过程传热效率[58]。

3.3 射流闪蒸过程中的质量传递

前2部分关于射流闪蒸中的传递分析表明：动量传递和热量传递，是促进射流闪蒸传质的关键因素。因此，对射流闪蒸的传质过程分析，一般以这2项参数作为主要考虑的影响因素。

闪蒸作为传质进行的主体阶段，无论是液相汽化蒸发，还是挥发性气体挥发等，其传质过程遵循气相的扩散规律，即对于闪蒸形成的气相扩散过程，其基本的扩散方式为浓度扩散。此过程中，蒸汽相浓度的大小受传热过程的影响，也就是热量的传递快慢直接决定气相扩散的快慢[59]。Markadeh等[60]分析得到，处于蒸发条件下的液滴，在蒸发初始阶段热量传播速率大于蒸汽质量传播速率，而在蒸发后半段，质量传播速率大于热量传播速率。这是由于蒸发初期蒸汽浓度低，导致浓度梯度推动的传质过程缓慢。随着蒸发不断进行，质量扩散逐渐受对流传质扰动等影响，其传质作用增强。

然而，以上是针对闪蒸理想化的浓度扩散过程，而实际的射流闪蒸传质过程稍显复杂。以射流碰撞破碎闪蒸为例，射流形成的复杂液相运动，造成液滴破碎、相邻液相互影响等结果，导致闪蒸传质的分析，不能简单地采用传质扩散模型。因此，在进行实验研究时，还需要辅以模拟的方式加以分析。Castanet等[61]利用实验与模拟的方式，分析了处于强制蒸发条件下相邻液滴的蒸发行为。研究发现，在蒸汽边界层内，传质主要受扩散控制，液滴之间间距越小，相邻液滴蒸发受到干扰，从而导致传质性能急剧减小。