低压环境冲渣水蒸发实验研究

衣婧豪，战 胜，仪垂杰

(青岛大学 机电工程学院，山东 青岛 266071)

当液体注入低压环境时，由于环境压力突然下降，液体快速蒸发，其温度迅速下降达到对应饱和压力时，液体由平衡状态变为过热状态，称为闪蒸；另一闪蒸过程是液体撞击固体壁面后，液滴或液膜在表面上的蒸发过程。液滴在低压环境下蒸发过程在工业领域有着广泛的应用。

目前，低压环境下闪蒸已有众多学者对此进行了理论和实验研究，刘琰[1]对Nacl溶液在低压环境中相变过程进行了实验研究，得到了工质浓度、环境压力等因素对液滴温度影响规律。刘璐[2]在真空环境下对蔗糖溶液闪蒸结晶过程进行了实验研究，分析了环境压力对蒸发结晶过程的影响。Miyatake等[3-4]进行了静止纯水液膜的闪蒸现象的实验研究，得到了用不平衡分数NEF和不平衡温差NETD来衡量闪蒸的结论；Saury[5-6]对过热度为1～35 ℃的水膜进行了闪蒸实验研究，发现过热度和初始压强是影响闪蒸的主要因素，后续扩大了实验参数范围，进一步对压降速率和液膜高度的实验研究，结果表明随着压降速率和液膜高度增加，不平衡分数增加。Lior[7-8]不仅实验研究了凝结气体含量对闪蒸沸腾形态、蒸发量的影响；还研究了流体中的残留气体对闪蒸过程的影响。Mutair等[9-10]研究了喷雾流量、过热度、初始水温和喷嘴直径对喷雾闪蒸性能的影响规律，提出了喷雾中心线温度变化的指数衰减模型。郭迎利[11]对方腔内池水的过热度、初始温度、水位高度对其瞬态闪蒸时间进行了实验研究。Zhang 等[12]对浓度为0～0.15 mol/L的NaCl 溶液进行了更深入的实验研究,通过拟合得出了蒸汽携带系数的实验关联式。

闪蒸广泛应用于食品工业、海水淡化、盐水浓缩结晶分离、航天部件冷却以及火电厂热力系统中低温废热处理回收与再利用[13-14]等，但在冲渣水换热应用利用领域基本为空白。

本实验研以青岛特岗冲渣水为原料，主要分析环境压力、液位高度对蒸发的影响。本文研究成果有助于深入认识低压条件下冲渣水蒸发过程，从而更好地应用于工程。

1 闪蒸系统热力学分析

1.1 系统描述

文章搭建的冲渣水真空闪蒸实验台主要包括闪蒸罐、真空泵、水泵、冷水机组、冷凝器和加热水箱等。其中真空泵的作用是给冷凝器和闪蒸罐提供一个稳定的低压环境，在低压环境下冲渣水可以在温度较低时就能达到沸腾的状态。加热水箱的作用是提供不同温度的冲渣水，冷水机组的作用是为闪蒸产生的低压蒸汽的冷凝提供冷量。实验装置示意如图1所示。

图1 冲渣水闪蒸实验装置

1.2 试验方法

实验选用青岛特钢底滤池中的85 ℃冲渣水，其水质：SS1 000～2 000 mg/L、总固体880.00 mg/L、总硬度990.00 mg·L-1、总碱度662.00 mg·L-1、钙离子990.00 mg·L-1、镁离子350.00 mg·L-1、氯离1 160.00 mg·L-1、硫酸根离子30.00 mg·L-1、全铁6.04 mg·L-1、氟化物37.00 mg·L-1、硝酸根离子340.00 mg·L-1。根据饱和水蒸汽的压力与温度的关系，选择实验环境压力为30、40和50 kPa；实验时进水流量60、70和80 L·min-1；实验时液位高度为40、50和60 cm。

实验时，开启加热器将冲渣水加热到目标温度, 开启真空泵将闪蒸腔压力调节到目标压力,进水流量稳定在目标流量。由于闪蒸室内为低压环境，被加热到相应温度的冲渣水溶液进入闪蒸室以后，使得其低于相应温度对应饱和的压力，这时冲渣水开始闪蒸产生蒸汽。当进入闪蒸腔中的液体温度达到闪蒸腔压力对应的饱和温度时, 启动冷却水泵, 闪蒸腔中闪蒸出的蒸汽在冷凝器中遇冷凝结, 生成的冷凝水经质量流量计返流入冷凝水管。没有蒸发的低焓值废水流入到废水箱中。

1.3 实验数据处理

闪蒸过程计算主要依据质量守恒和能量守恒。

根据质量守恒min=mout，可以得到

m1=m2+m3

(1)

根据能量守恒hin=hout，可以得到

m1h1=m2h2+m3h3

(2)

闪蒸率的定义为：闪蒸产生的蒸汽质量与输入的热水质量之比。其公式为

将式(1)带入到式(2)中，整理后得到本文的具体计算公式：

(3)

式中：m1、m2、m3分别为闪蒸室渣冲水质量流量、闪蒸产生蒸汽质量流量、废冲渣水质量流量，t/h；h1、h2、h3分别为热水的焓值、蒸汽焓值、废水的焓值,kJ/kg。

2 实验结果分析及讨论

2.1 压力变化对蒸汽量的影响

在不同流量和不同液位高度的条件下，闪蒸压力对初始温度为85 ℃的冲渣水蒸汽产量的影响规律，如图2所示。当进水流量、液位高度和初始温度一定时，随闪蒸罐内环境压力升高，蒸汽流量降低。由于闪蒸罐内压力可以看成饱和蒸汽的饱和压力，其对应的饱和温度会相应降低，这时渣水的过热度会提高；另一方面罐内环境压力降低，增大了闪蒸的驱动力也使得蒸汽流量增大。

图2 不同进水流量时蒸汽产量随闪蒸压力的变化

2.2 液位高度变化对蒸汽量度的影响

在不同流量和不同闪蒸压力的条件下，液位高度对初始温度为85 ℃的冲渣水蒸汽产量的影响规律，如图3所示。当进水流量、相对真空度和初始温度一定时，随高度升高升高，蒸汽压力降低。

图3 不同压力时蒸汽产量随液位高度的变化

因为液位高度增加会使液体静压力增加，闪蒸罐底部渣水的饱和温度增加，与上部液体相比更难闪蒸，液位高度增加也会使气泡上升距离增大，阻力增大；另一方面，液位的升高，渣水液体到液面的距离缩短，是的下落时间变短，从而减少了此过程过程中液体闪蒸的时间，这些因素都抑制了闪蒸的进行。

2.3 进水流量变化对蒸汽量的影响

在50 cm液位高度和不同压力的条件下，进水流量对初始温度为85 ℃的冲渣水蒸汽产量影响的规律，如图4所示。当闪蒸罐内压力、液位高度和初始温度一定时，随进水流量升高，蒸汽流量增加。

图4 不同压力时蒸汽产量随进水流量的变化

当进水流量增大，进入闪蒸罐中待蒸发的渣水量就相应的增大；另一方面，流量增加使得闪蒸罐液体的流速增加，扰动增强，强化液体在闪蒸罐中的换热，从而使蒸汽量增加。

2.4 闪蒸再生冷凝液水质检测

实验后对冲渣水闪蒸形成的冷凝水进行水质检测，得到水质参数如表1 所示。经过闪蒸后的得到的冷凝水，其水质基本可以满足常规工业软水要求；换热过程中产生的负压蒸汽的品质相对纯净，不会对常规材质的换热器造成过大腐蚀。

表1 冲渣水闪蒸冷凝水水质

3 结 论

本文搭建了冲渣水溶液真空闪蒸特性测试实验台，在冲渣水溶液初始温度一定的条件下，改变闪蒸罐内环境压力为50～70 kPa、进水流量60～80 mg·L-1、液位高度40～60cm，研究了压力、进水流量、液位高度对产生蒸汽的影响。结论如下:

(1)在相同的液位高度、进水流量下，改变闪蒸罐内的环境压力，压力越低，蒸汽产量越大。

(2)在相同环境压力、液位高度下，改变闪蒸罐的进水流量，随着进水流量的增加，蒸汽产量也不断增大。

(3)在相同环境压力、进水流量下，改变闪蒸罐内的液位高度，随着液位高度的增高，蒸汽产量也逐渐增大。

(4)经过闪蒸后的得到的冷凝水，其水质基本可以满足常规工业软水要求；同时，在闪蒸过程中产生的低压蒸汽的品质相对纯净，不会对常材质的换热器造成过大腐蚀。