通过空化 - 闪蒸喷嘴耦合提升蒸发效率

《Experimental Thermal and Fluid Science》：Evaporation efficiency enhancement through cavitation-flash nozzle coupling

　　

**摘要**

闪蒸蒸发因其提高能量转换效率的潜力，被广泛应用于闭式地热发电系统及其他低品位热能回收系统中。然而，其性能往往受到自发成核和用于相变的有限液-气界面面积的限制。本研究通过在闪蒸喷嘴上游引入空化喷嘴，探讨了闪蒸蒸发的增强机制。在真空环境中，结合高速可视化技术和闪蒸产率及蒸发效率的测量，研究了入口温度为50–80 °C条件下不同工况的性能。在相同的真空室压力下，上游空化喷嘴使平均蒸发速率提高了8.34%（95%置信区间：6.93–9.77%），表明在匹配的热力学条件下具有统计上可重复的提升效果。虽然闪蒸产率随过热度的增大而单调递增，但蒸发效率对入口温度呈非单调依赖关系，在中等温度范围（50–70 °C）达到最大值，并在80 °C时出现下降。高温条件下效率降低的现象可能与加剧的气泡聚并效应以及有效液-气界面面积的减少有关，这些因素限制了进一步的蒸发。高速可视化结果显示，在整个研究温度范围内，空化产生的两相结构均持续存在，同时表明性能变化主要由微尺度输运过程控制，而非由宏观流动状态转换主导。为描述热载荷、流体动力输运和压力松弛的综合效应，提出了一个经验标度坐标 Φ = ln[Ja/(Re·Rp)]。使用 Φ 映射实验数据可揭示空化与非空化两种构型的不同响应特征，并针对所测试的运行条件和喷嘴几何形状建立了构型特异性经验关联式 E(Φ)。这些结果表明，空化主要通过改善成核和界面输运来促进相变速率，从而增强闪蒸蒸发，而非通过增加热力学驱动力。本研究结果为低品位热能回收应用中空化辅助闪蒸蒸发系统的设计和优化提供了新的见解。

**引言**

闪蒸蒸发是指过冷液体因压力突然降低而发生快速汽化的过程[1]。作为一种涉及耦合传热与传质的基本相变过程，闪蒸蒸发在静态系统和动态系统中均得到了广泛的研究[2, 3]。由于其能够快速产生蒸汽、实现有效的相分离以及高效利用显热，该过程被广泛应用于海水淡化、废热回收和地热能应用等领域[2, 4]。

闪蒸蒸发多年来一直是地热发电中的基本过程[5]。近年来，闭式地热系统（CLGS）的进步使得对更紧凑、更高效的闪蒸蒸发方法的需求日益增加[6]。在这些系统中，专用工质在闭式地下换热回路中循环流动，吸收地热热量，随后在地面闪蒸产生蒸汽用于发电。在此背景下，提高闪蒸蒸发效率对于改善系统紧凑性、能量转换性能和整体经济可行性至关重要。

闪蒸蒸发受到气泡成核的随机性和非平衡热力学效应的限制[7]。因此，蒸发速率和效率往往低于理论预测值，尤其是在低过热度条件下或针对某些流体性质时尤为明显[8, 9]。提高闪蒸蒸发效率——即在固定热力学条件下最大化蒸汽产率——可直接提升能量转换和系统经济性[10, 11]。

闪蒸蒸发作为过热度驱动的相变过程，在快速降压过程中发生，已被广泛研究。其性能受到热驱动力、流动条件和液-气界面发展的强烈影响。早期的喷雾和池内闪蒸实验研究阐明了过热度、流量和喷嘴构型在蒸汽生成、非平衡行为和蒸发效率中的作用[1, 12, 13]。后续研究表明，喷雾闪蒸蒸发对液滴尺度输运、近喷嘴区域发展及环境压力高度敏感，尤其在高温低压条件下更为显著[14, 15, 16, 17, 18]。综合这些研究结果表明，闪蒸蒸发既受热力学因素控制，也受到可用过热度、输运时间尺度以及成核和界面更新有效性的相互作用的共同支配。

大量研究表明，增加气泡成核位点的可及性能够提升闪蒸性能。人工引入成核位点，如电解产生的气泡、微气泡或产气插入件，可促进提前成核、降低非平衡效应并提高可达到的蒸发速率[7, 10, 11, 19]。这些发现表明，传统闪蒸蒸发的局限性通常是动力学的而非纯粹热力学的，尤其是在自然成核不足的情况下。因此，增加有效成核位点数量和增大液-气界面面积是固定运行条件下提高蒸发效率的有前景的策略。

近期对喷嘴空化和闪蒸沸腾喷雾的研究表明，喷嘴内部两相结构显著影响下游射流的破碎和相变行为。喷嘴内空化会改变雾化过程、诱发液丝形成，并通过气穴的生成、生长和溃灭来改变近喷嘴区域的喷雾结构[20, 21, 22, 23]。进一步研究指出，空化可以通过提供充分发展的气泡并改变其在喷嘴出口附近的空域分布来增强闪蒸沸腾雾化。环境压力和喷嘴内部流动共同决定了射流形态和破碎特征[24, 25, 26]。这些发现凸显了上游空化与下游闪蒸相关雾化和蒸发之间可能存在的重要联系。

尽管取得了上述进展，但流体动力学产生的空化成核位点对后续闪蒸蒸发的直接影响仍未得到充分理解。特别是，在受控闪蒸喷嘴系统中，上游空化对下游闪蒸速率、蒸发效率及压力耦合输运过程的影响尚不清楚。这一知识空白在实际系统中尤为重要，因为在实际系统中，热力学驱动力、输运过程和压力再分配是同时演化的。为应对这一问题，本研究采用了空化喷嘴位于闪蒸喷嘴上游的实验装置，能够系统评估在不同入口温度、流量和压力条件下空化辅助闪蒸蒸发的性能。对比实验量化了空化对蒸发速率和效率的影响，同时通过高速可视化观察了喷嘴内部的空化结构及其对下游闪蒸的影响。实验结果被用于分析热驱动力、流体动力输运和压力分布的耦合作用，并建立了描述空化引起的效率增强的构型特异性经验关联式。

**实验系统与程序**

本研究使用的实验装置如图1所示。系统形成一个闭式回路，包含空化产生段、闪蒸蒸发段和冷凝段。

空化产生段包括主水箱①、加热器、主泵②和空化喷嘴④。在每次实验运行之前，主水箱内注入预定量的水，并使用内置加热器加热至目标温度。在此初始阶段，水箱内的液体在循环过程中保持热均匀性，以确保进入空化喷嘴时入口温度的稳定性。主泵提供所需的流动动力，使液体以可控的流量通过空化喷嘴。闪蒸蒸发段由一个闪蒸喷嘴和一个真空室组成，闪蒸喷嘴用于在受控条件下产生闪蒸蒸发。闪蒸产生的蒸汽和液滴被引入真空室中，真空室的压力通过真空泵调节至所需的真空度。冷凝段收集从真空室排出的冷凝水，通过称量冷凝水的质量来计算闪蒸蒸发量。

**参数与无量纲组的定义**

本研究中使用的物理量和符号定义如下。

入口液体质量流量和实测闪蒸蒸发速率分别记为 ????（kg/s）和 ????（kg/s）。由冷凝水重量计算得到的随时间累计生成的蒸汽质量，以及蒸汽生成质量随时间的变化，分别表示为 ????（kg）和 ????（kg）。

闪蒸蒸发产率 Y 定义为实测闪蒸蒸发速率与入口液体质量流量的比值。

**结论**

（1）在匹配的运行条件下，空化辅助闪蒸显著提高了蒸发性能。在 T = 80 °C、???? = 0.30 kg/s 且 ???? = 0.0285 MPa 时，上游空化喷嘴使平均蒸发速率提高了8.34%。95%置信区间为6.93–9.77%，Welch检验结果（p < 0.001）确认了观测到的增强效果超过了实验间变异性。

（2）闪蒸产率主要受热力学驱动力控制，而蒸发效率……

**CRediT作者贡献声明**

谢新：撰写—原稿，可视化，验证，方法学，调查研究，形式分析，数据管理，概念构思。

横峰健人：撰写—审阅与编辑，指导，资源提供，项目管理，方法学，资金支持，概念构思。

**利益冲突声明**

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。

**致谢**

作者感谢日本新能源公司对本工作的资金支持。

谢新 | 横峰健人

日本京都大学工学部大学院核工学科，日本京都 6158530