Open channel type multi-stage flash (MSF) evaporator is the most widely used distillation system in practice, usually constructed along with the electric power plant in water deficient areas. The superheated brine stream enters the flash stage with bubble formation. As the two-phase mixture flows downwards, the bubbles grow and rise up due to buoyancy and finally escape through the free surface to the vapor space to be condensed as fresh(distilled) water; and the remaining liquid flows out to the next stage maintained at the lower pressure. As a whole, the system is designed to operate with small thermal potential.
In the present study, the open channel two-phase flow behaviors inside the flash stage and the evaporation performance of the system were predicted numerically. In operational bases, the liquid level, size and number density of bubble nuclei embedded in the incoming liquid, system pressure, and the degree of inlet superheat were taken as parameters. In the analysis, two-dimensional, steady turbulent flow was assumed; and the continuous(liquid) phase was handled with Eulerian approach whereas the dispersed phase with Lagrangian approach. A bubble motion equation was solved in conjunction with the appropriate constitutive relations on the drag coefficient and on the virtual mass coefficient, and the bubble growth was considered to be thermally controlled. Standard k-ε model was used in turbulence calculations for the liquid phase. The PSI-Cell method was adopted to count for the interactions between the phases; that is, the phase interactions were considered in the source terms of the balance equations for the liquid phase.
The velocity and temperature distributions of the liquid phase, as well as bubble trajectories and sizes, were obtained. Several comparisons were made with the others' experimental data to confirm the adequacy of the present numerical approach, and the results turned out to be satisfactory. Then the non-equilibrium allowance was calculated to evaluate the evaporation performance. The evaporation performance is promoted by increasing the number density and/or size of bubble nuclei embedded in the incoming liquid, or by increasing the degree of inlet superheat. The evaporation rate increases with the system pressure due to the change of the physical properties of fluid at the corresponding saturation condition. The non-equilibrium allowance decreases with the lower liquid level since the hydrostatic pressure, which suppresses the bubble growth, becomes relatively low; thus the system shows the better evaporation performance. Also, the non-equilibrium allowance decreases with the long stage length. These results agree reasonably with the existing empirical correlations on the non-equilibrium allowance.
다단 후래시 증발장치 (MSF evaporator)는 각 단 (stage)의 압력강하에 의해 급격한 후래시 증발 (flash evaporation)을 일으켜 해수로 부터 증류수를 얻는 장치이다. 본 연구에서는 이러한 장치의 증발성능을 알아보기 위해 수치계산을 수행하고, 실험을 통한 관찰결과및 기존의 실험결과와 비교하였다. 증발기 내부의 속도및 온도분포를 계산하기 위해 액체장에 대해서는 Eulerian 접근법을, 기포장에 대해서는 그 궤적을 추적하는 Lagrangian 접근법을 사용하였다. 액체장과 기포 사이의 상호 작용 (interaction) 즉, two-way coupling 효과는 PSI-Cell 개념을 사용하였으며, 기포의 크기는 기존의 기포 성장관계식을 사용하여 계산하였다. 난류장 계산에서는 표준 k-ε 난류모델을 사용하였다. 계산 변수로는 증발기의 기하학적 형상및 운전조건 등과 더불어 입구에서 기포의 크기와 수밀도 (단위 체적당 함유된 기포의 갯수)를 고려하였다.
본 연구의 계산모델로 부터 기포의 궤적및 크기 그리고 액체장의 속도및 온도분포 등이 계산되었으며, 이를 바탕으로 후래시 증발기의 총증발량과 증발성능을 나타내는 비평형한도 등이 얻어졌다. 현재의 계산결과가 많은 단순화된 가정을 포함하고 있음에도 불구하고 기존 실험값과 비교적 합리적으로 일치하였으며, 후래시 증발기 내부의 열.수력학적 특성을 타당성있게 예측하였다.
전체적으로 후래시 증발단으로 유입되는 기포핵의 갯수 및 크기가 증가함에 따라 활발한 후래시 증발이 일어나고 결과적으로 비평형한도가 감소되었다. 그리고 증발단의 길이, 증발단의 압력 (혹은 증발기 내부의 압력에 대응되는 포화온도), 입구에서의 과열도 등이 증가함에 따라 증발성능이 향상 (혹은 비평형한도가 감소) 되었으며, 증발기 내부의 액체의 수위를 가능한 낮게 유지하여 운전할 수록 입구 가까이에서의 급격한 후래시 증발에 의해 증발성능이 향상되는 것을 알 수 있었다.
