作者：夏凡童，虞 斌，钱启兵，李 锴 （南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京 211800）

摘 要：为提高利用烟气余热浓缩减量脱硫废水的效益，以分离式热管多效蒸发系统的蒸发段为研究对象，采用 fluent 软件中的 mixture 模型的多相流模型，拟合垂直换热管内的沸腾传热过程，在假设烟气热量恒定的情况下，得出变温变物 性参数与变温物性参数恒定两种条件下，改变进口流速对垂直管内流体的温度、含气率和换热管的沸腾传热系数的影响 规律，建立了烟气蒸发器垂直换热管的三维物理模型，结果表明，物性参数是否随温度变化对换热管内的含气率和沸腾 传热系数均又较大影响，变温变物性参数的条件更符合实际的沸腾传热特性，为分离式热管多效蒸发系统提供更有效的 研究方法。

关键词：垂直蒸发；混合模型；数值模拟；物性参数；沸腾传热

0 引言

目前国内外应用湿法脱硫工艺的火电厂所占的 比例为 93%，湿法脱硫工艺所需的脱硫塔含有大量 的脱硫废水，如果不定期排出就会腐蚀设备，同时影 响出产石灰的质量，但脱硫废水经过常规的“三联 箱”处理后，仍含有大量的重金属和盐离子，直接排 放会污染土壤[1]、水质以及生物[2]。2015 年以来，国家 对环境保护的要求日趋严格，出台了许多政策，要求 实现脱硫废水零排放。但零排放前期需要大量的资 金投入，运行过程中也需要耗费大量成本，还会出现 设备结垢等一系列问题[3]，为解决这些问题，需在脱 硫废水蒸发固化工艺前加入浓缩减量工艺，对此国 内外进行了大量研究和试验。 张猛等[4]将多效蒸发与 PVDF 中空纤维疏水膜组 件相结合设计出减压多效膜蒸馏装置，降低了冷却 水的消耗，且系统的当量膜通量得到提高。田禾等[5] 设计制造了一种多效蒸发海水淡化装置太阳能闪蒸 蒸发器，试验后得出系统稳定运行的温度范围在 68～ 78 ℃之间，提高了每日的水生产量，缩短了系统达到 稳定状态需要的时间。Zhou 等[6]利用 MVR 的系统模 型计算并解析处理含 Na2SO4 的高盐废水的过程。由 模拟结果可知系统的蒸发面积和压缩机功耗主要是 受传热温差大小的影响，要降低系统的能耗可以减 小传热温差；要降低设备成本，可以通过增大传热温 差来减小换热面积来实现。Lin 等[7]使用超亲水宽松 NF 对高盐印染废水的处理效果进行了研究，由试验 结果可知，宽松结构 NF 完全可以承受浓差极化与染 料滤饼层的形成，对微孔堵塞与染料沉积也起到一 定抑制作用。Anqi 等[8]通过数值模拟利用 RO 技术处 理含盐废水，确定了动力混合进料对膜性能的影响， 通过 RO 的含盐废水水流量由局部压力与含盐废水 浓度决定，动量混合产生的湍流在各流率下均可提 高 RO 对含盐废水的分离效率。 上述是国内外对高盐废水进行浓缩减量的研究 和试验，包含了蒸发浓缩法和膜分离法等主要高盐 废水浓缩减量的方法[9]，目前国内外对高盐废水浓缩 减量的方法均存在前期投资大，设备占用面积和空 间大，设备易结垢且易被盐离子腐蚀等缺点。本文以 烟气余热对脱硫废水浓缩减量的分离式热管多效蒸 发系统为研究背景，建立分离式热管烟气蒸发段换 热管的数学模型，利用 fluent 软件对换热管的沸腾传 热特性进行数值模拟分析，得出管内流体变温变物 性参数和管内流体进口流速对管内流体的温度、含 气率和管内沸腾传热系数[10]的影响规律。

1 模型描述及求解

本文所研究的利用烟气余热对脱硫废水浓缩减 量的分离式热管多效蒸发系统的结构如图 1 所示。 系统分为蒸发段、一效冷凝段和二效冷凝段，在蒸发 段管内的水受壳程烟气加热，形成水蒸气经过一效冷凝段加热管内废水，对废水进行一次热浓缩，废水 中的水受热后蒸发进入二效冷凝段，使废水再次受 热蒸发，水蒸气通过冷凝回流至蒸发段循环利用，实 现对脱硫废水的浓缩减量。蒸发段垂直管内存在水 和水蒸气两相流体，沿着换热管垂直向上的方向，管 内的两相流体的流动类型结构和换热机理不断发生 变化[11，13]。

1.1 模型建立及网格划分 本文采用的换热管规格如表 1 所示。
为了便于划分网格并保证计算过程合理，本文 采用有限容积法对计算区域进行离散，同时利用六 面体网格对物理模型进行划分。

1.2 多相流模型 蒸发段垂直管内存在水和水蒸气两相流体，对 其进行数值模拟分析应选择多相流模型。本文所研 究的两相介质中水蒸汽的体积分数大于 10%，水和 水蒸气相互贯穿，所以根据多相流模型的选择标准， 本文选用混合模型，控制方程如下： （1）

式中：v 軆 m 为混合流体的平均速度；ρm 为混合流体 的密度；m 为质量源的质量传递量。



1.3 流体变温变物性参数的多项式 本文利用 Orign 来拟合流体物性参数与温度的 多项式，实现管内流体变温变物性参数的设定。由于 水发生相变前后水的物性参数发生突变，而且只有 在一定温度范围内符合多项式的要求，所以采用分 段多项式，温度的范围在 280 k ~ 444 k 和 444 k ~ 645 k 内，分别建立了密度、比热、导热系数、动力粘 度与温度的分段多项式如表 3 所示。 式中：ρ，cp，λ，μ 分别为水的密度、比热、导热系 数和动力粘度。 1.4 边界条件 本文模拟过程的边界条件如下。 （1）进口边界设置为速度进口条件，进口速度取 0.5 m/s，1 m/s，1.5 m/s，流体温度为 370 K。 （2）出口边界设置为压力出口条件，出口压力为 蒸汽饱和压力，出口压力为 101.325 kPa，蒸发温度为 433 K。 （3）壁面设置为烟气恒温加热条件，加热温度为 553 K。 （4）计算域初始条件。管内饱和液体的温度为 373 K。

2 模拟结果及分析

2.1 换热管温度场分布特点 图 2 和图 3 所示为进口流速分别为 1 m/s，出口 蒸发温度为 433 K，壁面温度为 553 K，换热管长度 为 2 m 时，在管内流体变温物性参数恒定和管内流 体变温变物性参数两种情况下换热管温度场的分布 云图。

从图 2 和图 3 中可以看出在两种条件下，沿着 换热管垂直向上的方向流体的温度均增加。从截面 的温度场可看出变温变物性参数的条件下，烟气的 热量从管壁至管中心的传递过程更均匀，流体温度 的变化幅度较小，这是由于考虑流体变温变物性参 数时，流体的物性参数的改变对沸腾给热系数有重 要影响，使流体所需的相变蒸发温度条件升高。 2.2 管内流体物性参数变化对沸腾传热的影响 管内流体变温变物性参数会影响管内沸腾给热 给热系数的大小，使管内各处的蒸发温度不同，进而 影响管内液相转换为气相的速率，从而影响管内的 沸腾传热过程。 图 4 至 6 分别为进口速度为 1m/s，蒸发温度为 443 K，壁面温度为 553 K 时，考虑流体变温变物性 参数与否的情况下，管内流体的温度、含气率和换热 管的沸腾传热系数沿着换热管垂直向上的方向的变 化情况。 由图 4 可知，在两种条件下，沿着换热管垂直向 上的方向，换热管内的含气率均逐渐增加，且在截面 L = 0.1 m 以上区域，管内流体含气率均增长幅度趋 于缓慢；同时可以看出，在相同截面处，相比在管内 流体变温物性参数恒定的条件下，在管内流体变温 变物性参数的条件下管内流体的含气率较低。在管 内流体变温变物性参数的条件下，管内流体的平均 含气率为 16.28%；在管内流体变温物性参数恒定的 条件下，管内流体的平均含气率为 35.51%。由图 5 可 知，在管内流体变温物性参数恒定的条件下，换热管 的平均沸腾换热系数较大，且沿换热管垂直向上的 方向增长幅度大，在管内流体变温变物性参数的条 件下的沸腾换热系数趋于稳定。

2.3 蒸发温度对沸腾传热的影响 图 7~图 9 分别为当管长为 2 m，蒸发温度为 433 K，管壁温度为 553 K，且考虑管内流体物性参数变 化时，不同进口速度下，管内流体的温度、含气率、以 及管的沸腾传热系数沿着换热管垂直向上的方向的 变化情况。 由图 7 可知，管长 0.7 m 以下部分，管内流体进 口流速越快，相同截面处管内流体温度越高；由图 8 可知，管内流体达到饱和状态后，管内流体进口流速 越高，管内同一截面处流体的含气率越大。由不同管 进口流速条件下管内流体温度变化情况可知，管内 相同截面处蒸发压强相同时，管内相同截面处流体 温度越高，管内流体蒸发量越大，所以管内流体的含 气率就越大。由图 9 可知，相同管截面处换热管的换 热系数随着流体进口流速的增大而增大。 2.4 沸腾传热系数的影响规律 表 4 为管长为 2 m，蒸发温度为 433 K，壁温为 553 K 时，在管内流体变温变物性参数的条件下，管 内流体的温度、含气率和管的沸腾传热系数随管内 进口流速的变化情况。 由表 5 可知，在流体变温变物性参数的条件下， 管内流体进口流速为 1.5 m/s 时，沸腾换热系数是管 内进口流速为 0.5 m/s，1.0 m/s 时的 21.2%，16.8%；在 流体变温物性参数恒定的条件下，管内流体进口流 速为 1.5 m/s 时，沸腾换热系数是管内进口流速为 0.5 m/s，1.0 m/s 时的 19.7%，15%。在管内进口流速从 0.5 m/s 逐渐提高至 1.5 m/s 的条件下，若不考虑管内 流体变温变物性参数，当管内流体温度由 511.29K 逐 渐提高至 518.22 K 时，管内流体的含气率由 27.80% 逐渐升高至 46.34%，管内沸腾传热系数由 3712.28 W/（m2 ·K）逐渐升高至 4441.98 W/（m2 ·K）。

3 结论 本文假设烟气提供的热量恒定，以浓缩废水的 分离式热管多效蒸发系统中烟气蒸发器管程为研究 对象，构建了一种基于混合模型的烟气蒸发器换热 管内沸腾传热过程的数值计算模型，提出了变温变 物性参数的理念，拟合出更符合实际操作中的沸腾 过程，分析得出结论：①在一定管内流体进口流速范 围内，流体的进口流速越大，换热管内的沸腾传热系 数越大；②流体的物性参数随温度变化使管内达到 沸腾状态所需的温度变高，变温变物性参数的条件 下换热管内的沸腾换热系数变小；③相比变温物性 参数恒定的理想条件，管内沸腾传热特性的模拟在 变温变物性参数条件下更符合管内沸腾传热的实际 情况，为分离式热管多效蒸发系统的结构优化和应 用奠定基础研究方法。