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板式蒸发式冷凝器传热传质的数值模拟点击：1753 日期：[ 2014-04-26 21:54:16 ] |
| 板式蒸发式冷凝器传热传质的数值模拟 郭常青 朱冬生 蒋翔 吴治将 张景卫 (华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东广州510640) 摘 要：在考虑表面张力动量源项和气—液两相间传热传质源项的条件下,基于VolumeofFluid算法,建立了板式蒸发式冷凝器气—液两相降膜流动传热传质的计算模型.利用该模型定量分析了壁面热流密度、液相进口温度和空气流速对竖直板面温度分布、气—液两相界面处潜热和显热传热热量密度的相对关系的影响.结果表明:液膜和空气内温度随壁面热流密度的增大而增大,在气—液两相界面处,温度梯度不连续;气—液两相界面处的传热形式以水蒸发传质引起的潜热传热为主、空气显热传热为辅,且传热热阻主要集中于水膜内;随空气流速的增加,气—液两相间传质量也随之增大. 关键词：板式蒸发式冷凝器;传热;传质;气—液两相流;数值模拟 中图分类号：TB657·5 文献标识码：A 蒸发式冷凝器是一种高效节能节水的冷却设备,主要利用水的蒸发潜热带走工艺流体的热量,完成对工艺流体的冷却、冷凝,同时实现水的循环利用,目前已被广泛应用在制冷、化工、食品、纺织等行业[1-2]. 板式蒸发式冷凝器是根据蒸发式冷凝器基本原理和板式换热器原理开发出来的.其核心部件是板式换热板束,其中水、空气的流动和分布对板式蒸发式冷凝器的流动阻力和换热性能有显著影响.因此换热板束内水、空气的流动和分布是板式蒸发式冷凝器研究的一个关键技术.然而目前对板式蒸发式冷凝器的研究和报道相对较少[3]. 由于在气—液两相界面处同时存在着动量、热量和质量的传递,使板式蒸发式冷凝器的模拟计算十分复杂,因此早期的研究主要通过数学分析和实验的方法进行[4-5].随着计算机软硬件以及计算方法的发展,采用数值模拟方法对两相流传热传质现象进行分析成为可能[6-8],但文献[6-8]都是采用自己编程的方法进行研究,因此计算的可移植性差而且费时.文中利用FLUENT商业软件,建立了板式蒸发式冷凝器主要换热元件———竖直板片气—液两相降膜流动传热传质的计算模型,并利用该模型分析了壁面热流密度、液相进口温度和空气流速对传热传质性能的影响,为板式蒸发式冷凝器的优化设计和传热传质机理的研究提供了重要依据. 1 物理模型 根据板式蒸发式冷凝器气—液两相流流动的特点,将研究问题简化为无限大竖直平板上的气—液两相流动,并忽略表面波动的影响.选用二维非稳态Navier-Stokes方程描述流场,简化后的物理模型如图1所示,其中x,y分别代表垂直于和平行于气液流动的方向.水沿竖直加热平板向下流动,空气与水膜的流动方向相同,在下降过程中部分水蒸发为水蒸气并扩散至空气中;在此过程中,热量由加热平板传递给液膜,并穿过气—液相界面传递给空气,在界面处同时存在着传热和传质现象. 1. 1 控制方程 1. 1. 1 体积分数方程 气—液相界面的追踪采用目前在各类计算自由表面流动的数值方法中应用最为广泛的VOF(Vo-lume ofFluid)算法. VOF算法通过追踪计算单元内第j相的体积分数φj的分布求得气—液相界面位置.在某个计算单元内,φj=0表示该单元内无第j相;φj=1表示该单元内充满第j相;0<φj<1则表示该单元内存在第j相与其他相的界面.气—液相界面的分布通过式(1)和(2)计算得到: 对于这种存在自由表面的薄液膜流动,表面张力是影响界面运动形式的一个重要因素,在气—液界面处,表面张力动量源项表示为[9] 1.1.5 空气中水蒸气组分的扩散方程 空气中水蒸气组分的扩散方程为 1.2 边界条件 在壁面处(x=0)采用无滑移边界条件,并且为恒热流密度;而右侧采用对称性边界条件;液膜入口温度为TL, in,K;质量通量为.m,kg/(m2·s);空气入口速度为uG, in,温度为TG, in;水蒸气含量为win;水膜和空气的出口边界条件均设为压力出口.假定气—液相界面为半穿透界面,则界面处空气的x向速度为[10] 其中:Mv、Ma分别为水蒸气和空气的摩尔质量;p∞为环境大气压力;pi为界面处水蒸气的饱和压力,通过式(16)计算得到[11]: 式中:hLG为水的蒸发潜热,J/kg.此方程表明,通过气—液界面处的热量通过两种方式传递:一种是由于界面处温度梯度而导致的显热传热热流密度qsi,另外一种是水分蒸发而导致的潜热传热热流密度qli.因此界面处总的传热热流密度可表示为： 1.3 数值格式 求解器选用FLUENT6. 2流体力学软件包.收敛判断标准包括:稳定的液膜厚度和稳定的气液相出口流量;采用结构化网格,网格从气相区向液相区方向逐渐加密,沿流动方向逐渐变疏,网格总数约为4万个;采用非稳态格式计算,时间步长为10-4~10-5s;压力项选用PRESTO!算法;压力-速度耦合方法选用PISO算法;动量方程、能量方程和水蒸气扩散方程均选用二阶迎风格式,而气—液界面追踪方法选用精度较高的Geo-Reconstruct格式;方程(5)中的动量源项,方程(10)中的能量源项和方程(13)、(14)、(15)等通过FLUENT提供的UDF(User-Defined Function)宏命令编写和接入. 2 结果与讨论 文中重点考虑热流密度、水的入口温度TL, in和空气流速对传热传质的影响,其他参数统一设定为:水的入口质量通量.m为0. 1kg/(m2·s),空气入口温度为303K,空气入口水蒸气含量win为1·3% (对应的空气相对湿度为50% ). 2. 1 模型可靠性验证 为了验证CFD模型的可靠性,首先按文献[10]在壁面热流密度qw=2000W /m2,TL, in=303K,uG, in=2m/s和.m=0·02kg/(m2·s)的实验条件下进行了模拟计算.该条件下壁面温度(Tw)沿流动方向的分布曲线如图2,并与CFD模拟结果相比较,由图2可见,二者吻合良好. 2. 2 热流密度的影响 壁面热流密度qw分别为3000和2000W /m2时不同截面y*=y/L(L为板的高度)处的温度分布如图3所示.从图中可以看出,由于气相和液相物性参数的不同以及气—液界面处水分蒸发引起的传热,在气—液相界面处,温度梯度存在不连续,但温度始终连续.通过比较图3(a)和图3(b)可知,液膜和空气内温升随壁面热流密度qw的增大而增大。 2. 3 气—液界面显热与潜热的关系 板式蒸发式冷凝器中,气—液相界面处显热和潜热传热量的相对关系非常重要.qw为3000W /m2时气—液界面处传热量沿界面的分布曲线见图4. 通过比较图4(a)和图4(b)可见,qli远远大于qsi,例如当水的入口温度为313K时,qli是qsi的4·5倍,这意味着在气—液相界面处的传热形式是以水潜热蒸发传质引起的传热为主、空气显热传热为辅.另外,从图中还可以看出,qli和qsi的变化趋势相似,均随水膜入口温度的升高而增大,这是因为,随着水膜入口温度的升高,相应的气—液相间温差增大,提高了蒸发推动力.图4(b)还显示,水膜入口温度为303K时与308、313K的变化趋势不同,其显热传热热流密度沿流动方向增大,这是由于此时气液入口处(y=0)气相和液相的温度相同,因此不存在显热传热,而随着液膜沿流动方向温度升高,qsi也随之增大.图4(c)是气—液相界面总传热热流密度与壁面热流密度之比沿流动方向的变化曲线.以水膜入口温度为313K的情况为例,从图中可以看出,进入该系统的壁面热流中,约80%被水膜吸收,而仅有20%的热量通过气—液相界面传递给空气,这说明板式蒸发式冷凝器的热阻主要集中在水膜内,因此减小水膜的厚度、改进水膜的流动状态对提高蒸发式冷凝器的性能有重要影响. 2. 4 气相流速的影响 在蒸发式冷凝器工作过程中,空气不仅直接带走热量,而且影响水膜状态和气—液相界面特性,从而影响水和空气的热质交换速率.蒸发式冷凝器工作过程中,水温和空气温度极其接近,且空气中水蒸气分压较高,水处于一种非饱和或近饱和状态,水膜内部热质推动力很小,在气—液相界面上温差和湿度差也很小,此时水膜外空气的流动是传质的主要推动力[12].空气流速对水分蒸发量的影响如图5所示,由图5可见在研究的范围内(2~4m/s),在较高的空气流速下,水的蒸发通量也较大.这是因为在恒定的水膜流量下,气流流速的增加可增大气—液相界面相对速度,加快气—液接触面的更新过程;从分子运动论的观点来看,空气分子动能变大,势能减小,两方面的共同作用使水、气的化学势差增大,导致水膜的波动频率和幅度增大,加剧空气和水膜之间的热质交换程度,形成“毛细诱导的蒸发”[13],其传热量相对于自由表面降膜蒸发可增加一个至几个数量级. 3 结论 水膜和空气温度随壁面热流密度的增大而升高,在气—液相界面处,温度梯度不连续,而温度始终连续;气—液相界面处传热的形式以水蒸发传质引起的潜热传热为主、空气显热传热为辅,且传热热阻主要集中于水膜内;在研究的空气流速范围内(2~4m /s),水分蒸发量随风速增大而增大. 参考文献：略 |
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