基于柴油機(jī)廢熱的淡化裝置蒸發(fā)器的數(shù)值模擬

許攀， 朱從容

（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022）

基于柴油機(jī)廢熱的淡化裝置蒸發(fā)器的數(shù)值模擬

許攀， 朱從容

（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022）

為了有效利用中小型漁船柴油機(jī)的廢熱，設(shè)計(jì)了一種海水淡化裝置，該裝置能夠滿足船員的日常飲用水需要，改善船員的生活品質(zhì)。運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)海水淡化系統(tǒng)中的蒸發(fā)器進(jìn)行了數(shù)值模擬，為船用柴油機(jī)廢熱淡化系統(tǒng)蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)提供科學(xué)的理論依據(jù)。

柴油機(jī)廢熱；海水淡化裝置；蒸發(fā)器；數(shù)值模擬

0 引言

我國(guó)南海、東海、黃海及渤海擁有幾十萬(wàn)艘200匹馬力以上的機(jī)動(dòng)漁船［1］。目前，這些漁船由于沒(méi)有適用的海水淡化設(shè)備，生活起居都在船上，對(duì)船上淡水依賴更高，為了提高人們的生活品質(zhì)及淡水的需求量，研發(fā)一種漁船用海水淡化設(shè)備，解決漁船海上作業(yè)過(guò)程中新鮮淡水的供應(yīng)問(wèn)題，顯得極為必要。

海水淡化技術(shù)能夠有效地解決中小型漁船在海水作業(yè)需要的淡水量。其原理是柴油機(jī)在工作時(shí)尾氣排出的廢熱經(jīng)管道引入到殼管式蒸發(fā)器中，高溫的廢氣在蒸發(fā)器中與海水熱質(zhì)交換形成水蒸汽，蒸汽經(jīng)板式冷凝器冷卻冷凝成淡水［2-3］。殼管式蒸發(fā)器是海水淡化裝置中重要元件。本文應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)殼管式蒸發(fā)器進(jìn)行數(shù)值模擬，為海水淡化設(shè)備的蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)［4］。

1 殼管式蒸發(fā)器的模型建立與網(wǎng)格生成

圖1 殼管式蒸發(fā)器管束布置圖

圖2 殼管式蒸發(fā)器CAD模型

蒸發(fā)器根據(jù)被冷卻介質(zhì)的不同分為冷卻液體載冷劑的蒸發(fā)器和冷卻空氣的蒸發(fā)器兩大類型；目前常用的海水蒸發(fā)器有 4種形式：臥式殼管式、干式氟利昂、立管式、螺旋管式［5］。根據(jù)柴油機(jī)的廢熱提供熱源，蒸發(fā)器采用U型殼管式海水蒸發(fā)器，能夠確保廢熱的充分利用及提高海水蒸發(fā)器的熱效率。WANG CC等［6］研究表明：通過(guò)改變蒸發(fā)器的管路流程布置來(lái)強(qiáng)化換熱，提高蒸發(fā)器的性能。柴油機(jī)排氣流量為0.1 m3/s，蒸發(fā)器中廢氣進(jìn)口溫度T1=200℃，廢氣出口溫度T2=120℃，殼體內(nèi)部為液態(tài)水，海水的進(jìn)口溫度t1=25℃,殼管式海水蒸發(fā)器的管束排列如圖1所示，30根U型管采用正三角形分布。管束為直徑25 mm的U型管，壁厚2 mm，管間距為10 mm，蒸發(fā)器的整體外形長(zhǎng)寬高為1 035 mm×360 mm×800 mm，外板厚度為3 mm，材料為不銹鋼。用UG軟件設(shè)計(jì)殼管式蒸發(fā)器CAD模型如圖2所示。利用ICEM軟件對(duì)蒸發(fā)器的物理模型網(wǎng)格劃分，得到殼管式蒸發(fā)器的網(wǎng)格圖如圖3所示。

圖3 殼管式蒸發(fā)器模型網(wǎng)格圖

2 蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

殼管式海水蒸發(fā)器內(nèi)部流體的流動(dòng)必須遵守質(zhì)量、動(dòng)量、能量等物理守恒定律，用數(shù)學(xué)方程組表示為［7］：

質(zhì)量守恒方程：

式中：p為壓力；u為速度；ρ為密度；T為溫度；Cp為定壓比熱容；k為傳熱系數(shù)；E為流體微團(tuán)的總能；h為焓；Sh為包括了化學(xué)反應(yīng)熱及其他用戶定義的體積熱源項(xiàng)。

2.2 湍流模型

對(duì)于殼管式蒸發(fā)器，因湍流對(duì)流動(dòng)和傳熱有影響，故湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)的k～ε湍流模型，而湍流的動(dòng)能方程k與擴(kuò)散方程ε表示為［8］：

式中：Gk為由平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能；Gb為由浮升力引起的湍流動(dòng)能；YM為過(guò)渡擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)動(dòng)能；Sk、Sε為用戶自定義項(xiàng)；C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù)；σk、σε為k方程和ε方程的普朗特?cái)?shù)；ui-湍流黏度，ui=ρCμk2/ε。

2.3 設(shè)置邊界條件

冷海水進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)，入口邊界設(shè)置為流體速度，出口邊界設(shè)置為壓力。其中冷海水流入蒸發(fā)器流速為1.2 m/ s，U型管壁面的平均溫度為150℃。把冷海水和U型管的交界面選定為流熱耦合壁面條件，蒸發(fā)器的殼體邊界條件設(shè)置為絕熱且無(wú)滑移。

3 模擬結(jié)果

1）殼管式海水蒸發(fā)器內(nèi)部殼程流體在X、Y、Z方向上的速度矢量圖如圖4所示。由圖4可以看出，蒸發(fā)器進(jìn)口速度增大，之后隨著海水與管束接觸，殼體四周海水溫度逐漸增高流速變大，海水從底端到出口處流速逐漸增大。

圖4 殼程流體速度矢量圖

圖5 殼管式蒸發(fā)器溫度分布云圖

2）殼管式海水蒸發(fā)器在X、Y、Z方向上溫度分布圖如圖5所示。由圖5可以看出，海水在蒸發(fā)器中的溫度變化情況。海水溫度在殼體的四周溫度較低，隨著海水與高溫管壁接觸海水溫度逐漸增高，在中心截面處溫度達(dá)到最大。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)柴油機(jī)廢熱海水淡化循環(huán)系統(tǒng)蒸發(fā)器的數(shù)值模擬，得到了殼管式海水蒸發(fā)器內(nèi)部流體流動(dòng)的速度矢量圖以及溫度分布圖，分析模擬的結(jié)果符合設(shè)計(jì)的基本要求，為中小型漁船海水淡化裝置蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

［1］ 汪杰明，薛野，劉婷，等.一種利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管尾氣余熱進(jìn)行海水淡化方法：中國(guó)，CN200610019183［P］.2007-07-25.

［2］ 許攀，朱從容.基于太陽(yáng)能與尾氣廢熱利用的漁船用海水淡化裝置設(shè)計(jì)［J］.漁業(yè)現(xiàn)代化，2013，40（6）：63-67.

［3］ 朱從容，許攀.太陽(yáng)能與廢熱結(jié)合的漁船用海水淡化裝置：中國(guó)，201320393338.9［P］.2013-12-11.

［4］ 靳文博，蔡玉強(qiáng).蒸汽壓縮蒸餾裝置蒸發(fā)器溫度場(chǎng)FLUENT數(shù)值模擬［J］.河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35（1）：31-37.

［5］ 汪波，茅靳豐，耿世彬，等.國(guó)內(nèi)換熱器的研究現(xiàn)狀與展望［J］.制冷與空調(diào)，2010，24（5）：61-65.

［6］ Wang C C，Jang J Y，Lai C C，et al.Effect of circuit arrangement on the performance of air-cooled condensers［J］.International Journal of Refrigeration，1999，24：272-282.

［7］ 朱紅鈞，林元華，謝龍漢，等.FLUENT12流體分析及工程仿真［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011：6-18.

［8］ 周碧，朱從容.柴油機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)冷卻器的數(shù)值模擬［J］.機(jī)械工程師，2011（12）：62-63.

（編輯啟 迪）

Numerical Simulation of Water Desalination Device Evaporator Based on Diesel Engine Waste Heat

XU Pan， ZHU Congrong
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316022，China）

In order to efficiently harness the use of small and medium-sized fishing vessel diesel engine waste heat,a desalination device is designed.The device can meet the daily drinking water of the crew to improve the living quality of the crew.FLUENT software is used for numerical simulation of evaporator in seawater desalination.The simulation results can help heat circulation evaporator design to provide the scientific basis.

diesel engines waste heat；seawater desalination device；evaporator；numerical simulation

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0083－02

許攀（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代漁船與捕撈裝備；朱從容（1969—），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闈O業(yè)機(jī)械裝備自動(dòng)化、超精密加工技術(shù)與裝備等。

2014-02-25

浙江省科技廳資助項(xiàng)目（2010C33053）