噴淋方向?qū)娏苁覂?nèi)氣-水熱質(zhì)交換的影響研究

鮑玲玲，陳 冬，劉 偉

(1.河北工程大學(xué) 城建學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省科學(xué)院能源研究所，河北 石家莊 050081)

?

噴淋方向?qū)娏苁覂?nèi)氣-水熱質(zhì)交換的影響研究

鮑玲玲1，陳 冬1，劉 偉2

(1.河北工程大學(xué) 城建學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省科學(xué)院能源研究所，河北 石家莊 050081)

為提高噴淋室的傳熱傳質(zhì)效率，采用數(shù)值模擬方法，開(kāi)展上噴式、下噴式兩種立式噴淋室內(nèi)水滴運(yùn)動(dòng)規(guī)律，及氣-水熱濕傳遞效果的對(duì)比研究。研究發(fā)現(xiàn)：在初參數(shù)完全相同的情況下，上噴式噴淋室中水滴的停留時(shí)間比下噴式多停留4.7 s，上噴式噴淋室中水滴從溫排風(fēng)中吸收的熱量較下噴式高3 K,說(shuō)明向上噴淋比向下噴淋的傳熱傳質(zhì)效率更高。

噴淋室；噴淋方向；傳熱傳質(zhì)；氣-水熱質(zhì)；模擬；FLUENT

溫排風(fēng)中含有大量的余熱資源，對(duì)其進(jìn)行回收與利用，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排[1-2]。目前溫排風(fēng)的熱回收裝置有間壁式氣-水換熱器和直接接觸式(混合式)換熱器兩種型式，后者避免了傳熱間壁及其兩側(cè)的污垢熱阻，只要流體間的接觸良好，就有較大的傳熱效率。因此，通常允許流體相互混合的場(chǎng)合，都可以采用混合式熱交換器[3]。噴淋室內(nèi)氣-水之間的總熱交換是由濕空氣和水溫下飽和濕空氣之間的焓差推動(dòng)進(jìn)行的。該總熱交換量又包括顯熱量和潛熱量?jī)刹糠?，分別是由氣-水之間的溫差和水蒸氣分壓力差引起的[4]。噴淋室內(nèi)氣-水熱濕交換效果受氣、水初參數(shù)，噴淋室的高度和結(jié)構(gòu)等多種因素的影響[5-6]。為進(jìn)一步研究噴淋方向?qū)?水熱濕交換效果的影響，本文以立式噴淋室內(nèi)氣-水熱濕傳遞過(guò)程為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬方法，對(duì)比研究了噴淋方向?qū)娏芩趪娏苁覂?nèi)停留時(shí)間和熱濕交換效果。

1 模型建立

利用FLUENT軟件對(duì)向上噴淋和向下噴淋進(jìn)行模擬研究。

1.1 模型選擇[7]

噴淋水的模擬研究采用的是離散相(Discrete Phase Model)模型，該模型采用的是歐拉-拉格朗日方法，即將氣流視為連續(xù)相，將水滴軌跡視為分散在連續(xù)相中的離散相。先用歐拉法求解連續(xù)相流場(chǎng)，再用拉格朗日法求解離散相。由于不能忽略離散相的水滴對(duì)連續(xù)相的濕空氣場(chǎng)的影響，故選用離散相與連續(xù)相的耦合(Two-Way Coupling)，通過(guò)耦合可以計(jì)算出水滴在其運(yùn)行軌跡中失去或得到的熱量、質(zhì)量、動(dòng)量，及其對(duì)連續(xù)相相應(yīng)方程的計(jì)算結(jié)果造成的影響[8]。

1.2 邊界條件設(shè)置

假定濕空氣為不可壓縮氣體，流場(chǎng)為穩(wěn)定流動(dòng)，熱濕交換單元壁面為絕熱。無(wú)滑移壁面邊界類(lèi)型，濕空氣采用速度進(jìn)口邊界，出口邊界條件為Outflow出口。對(duì)于離散相的水滴，當(dāng)其碰到熱濕交換單元壁面時(shí)主要有三種情況:水滴與壁面發(fā)生彈性或者非彈性碰撞而反射；水滴碰到壁面時(shí)發(fā)生逃逸，被稱(chēng)為由邊界逃逸；水滴被壁面捕獲，此時(shí)水滴將在此邊界處完全蒸發(fā)。本文采用水滴由邊界逃逸模型，即認(rèn)為當(dāng)水滴遇到熱濕交換單元壁面時(shí)將附著在壁面而“逃逸”，其運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算將被終止[7]。

1.3 初始條件設(shè)定

通常水滴噴射初速度大于氣流速度。氣流初速度v0=5 m/s，氣流初始溫度t0=305 K,相對(duì)濕度φ=90%,水滴直徑D=1.5 mm，水滴初始溫度T0=290 K,水滴以初速度u0=8 m/s垂直向下。

2 物理模型

立式噴淋室的物理模型見(jiàn)圖1所示，噴淋室內(nèi)氣流自下而上流動(dòng)，在噴淋室內(nèi)與噴淋水進(jìn)行熱濕交換，最后經(jīng)過(guò)頂部設(shè)置的擋水板排入大氣。噴淋水有兩種噴淋方式，其中圖1(a)為上噴式模型，即噴淋水自下以一定的初速度向上噴出，在上述條件下減速至零，然后再以初速度為零向下運(yùn)動(dòng)到噴淋室底部；圖1(c)為下噴式模型，根據(jù)前期上噴式的模擬結(jié)果設(shè)定下噴式噴淋高度為4 m，即噴淋水自上向下噴出，最后落入噴淋室底部。圖1(b)所示為噴淋室斷面2 m×2 m。

3 結(jié)果分析

在上述模型基礎(chǔ)上，以噴淋水為研究對(duì)象，模擬了噴淋室內(nèi)不同噴淋方向?qū)λ嗡俣茸兓?、停留時(shí)間及溫度變化的影響。

3.1 水滴速度變化

水滴受重力、浮力和氣流阻力的綜合作用，加速度的大小和方向取決于合力的大小和方向，與水滴直徑、空氣和水的相對(duì)速度等參數(shù)相關(guān)。下噴式主要存在三種情況:(1)若初始情況水滴受到合力的方向向下，則水滴加速向下運(yùn)動(dòng)，水滴與空氣的相對(duì)速度增大，氣流阻力增大，水滴受到向下的合力逐漸減小，當(dāng)合力為零時(shí)，水滴加速度為零，水滴向下做勻速運(yùn)動(dòng)，直到水滴到達(dá)噴淋室底部。(2)若初始情況水滴受到合力為零，則水滴勻速向下運(yùn)動(dòng)，直到噴淋室底部。(3)若初始情況水滴受到合力的方向向上，則水滴向下做減速運(yùn)動(dòng)，隨著水滴速度的減小，氣流阻力逐漸減小，水滴所受合力逐漸減??；若合力為零時(shí)，水滴速度仍然向下，則水滴繼續(xù)向下做勻速運(yùn)動(dòng)，直到塔底；若速度減小到零時(shí)，合力仍然向上，則水滴將會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，則有可能形成漂水損失；若速度和合力同時(shí)為零時(shí)，則水滴處于懸浮狀態(tài)。上噴式噴淋室內(nèi)水滴的受力分析與下噴式類(lèi)似。上噴式水滴在垂直方向的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，通常情況水滴要經(jīng)歷向上和向下兩個(gè)運(yùn)動(dòng)階段，其中向上運(yùn)動(dòng)階段的受力分析如圖1(a)所示，而向下運(yùn)動(dòng)階段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可參考上節(jié)對(duì)下噴式水滴運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析。

圖2(a)為下噴式噴淋室中水滴速度分布云圖。其中，左欄顏色代表速度的大小，底部顏色代表水滴的初速度。從圖中可以看出，水滴初速度為8 m/s。該噴淋室為下噴式，水滴由上向下運(yùn)動(dòng)。水滴在向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要受重力、浮力、氣流阻力作用。噴淋室內(nèi)由上到下水滴顏色不斷變化，頂部顏色代表向下運(yùn)動(dòng)的速度為0.5 m/s。說(shuō)明水滴至上而下做減速運(yùn)動(dòng)，水滴由初速度為8 m/s減速至終速度為0.5 m/s。

圖2(b)為上噴式噴淋室中水滴速度分布云圖。其中，頂部顏色代表水滴的初速度(遮擋)，從圖中可以看出，水滴初速度為8 m/s，該噴淋室為上噴式，水滴噴出后先向上運(yùn)動(dòng)減速為零后再向下運(yùn)動(dòng)。噴淋室內(nèi)由下到上再到下水滴顏色發(fā)生變化，底部顏色代表向下運(yùn)動(dòng)的速度為1.26 m/s。說(shuō)明水滴先向上由初速度為8 m/s減速至終速度為0 m/s。再向下運(yùn)動(dòng)，由靜止加速速至終速度為1.26 m/s。

3.2 水滴停留時(shí)間

圖3(a)為下噴式噴淋室中水滴停留時(shí)間云圖。其中，左欄顏色代表水滴停留時(shí)間的大小，底部顏色代表水滴剛進(jìn)入噴淋室。從圖中可以看出，剛進(jìn)入噴淋室停留時(shí)間為零。該噴淋室為下噴式，水滴向下運(yùn)動(dòng)，最終落到底部。越往下，水滴在噴淋室內(nèi)停留時(shí)間越長(zhǎng)，則底部水滴停留時(shí)間最長(zhǎng)。噴淋室內(nèi)由上到下顏色由深變淺，淺色代表停留的時(shí)間最長(zhǎng)為3.8 s。由此得水滴在噴淋室內(nèi)的停留時(shí)間為3.8 s。

圖3(b)為上噴式噴淋室中水滴停留時(shí)間云圖。其中，底部顏色(遮擋)代表水滴剛進(jìn)入噴淋室。從圖中可以看出，剛進(jìn)入噴淋室停留時(shí)間為零。該噴淋室為上噴式，水滴噴出后先向上運(yùn)動(dòng)減速為零后再向下運(yùn)動(dòng)，最終落到底部，則底部水滴停留時(shí)間最長(zhǎng)。噴淋室內(nèi)由開(kāi)始的深色最終變?yōu)闇\色，淺色代表停留的時(shí)間最長(zhǎng)為8.5 s。由此得水滴在噴淋室內(nèi)的停留時(shí)間為8.5 s。

由圖3可得，水滴在上噴式淋室內(nèi)的停留時(shí)間比在下噴式噴淋室內(nèi)多4.7 s。

3.3 水滴溫度變化

圖4(a)為下噴式噴淋室中水滴溫度分布云圖。其中，左欄顏色代表水滴溫度的高低，底部顏色代表水滴剛進(jìn)入噴淋室。從圖中可以看出，剛進(jìn)入噴淋室溫度為水滴的初溫290 K。該噴淋室為下噴式，水滴向下運(yùn)動(dòng),最終落到底部，越往下水滴在噴淋室內(nèi)停留時(shí)間越長(zhǎng)，熱濕交換時(shí)間越長(zhǎng)，隨之水滴的溫度越高。則底部水滴溫度最高，頂部顏色代表最高溫度為301 K，得水滴在落到噴淋室底部的最終溫度為301 K。

圖4(b)為上噴式噴淋室中水滴溫度分布云圖。其中，底部顏色代表水滴剛進(jìn)入噴淋室。從圖中可以看出，剛進(jìn)入噴淋室溫度為水滴的初溫290 K。該噴淋室為上噴式，水滴噴出后先向上運(yùn)動(dòng)減速為零后再向下運(yùn)動(dòng)，最終落到底部。水滴在噴淋室內(nèi)停留時(shí)間越長(zhǎng)，熱濕交換時(shí)間越長(zhǎng)，隨之水滴的溫度越高。則底部水滴的溫度最高，頂部顏色代表最高溫度為304 K，得水滴在落到噴淋室底部的最終溫度304 K。

由圖4可得，水滴在上噴式噴淋室內(nèi)的最終溫度比在下噴式噴淋室內(nèi)的最終溫度高3 K。

4 水滴在噴淋室內(nèi)停留時(shí)間的驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證上述FLUENT模擬結(jié)果的正確性，本節(jié)運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)水滴運(yùn)動(dòng)規(guī)律模型進(jìn)行計(jì)算，分析兩種噴射方向?qū)λ瓮Ａ魰r(shí)間的影響，從而對(duì)本文水滴運(yùn)動(dòng)規(guī)律模型進(jìn)行驗(yàn)證分析。

4.1 下噴式水滴停留時(shí)間對(duì)比驗(yàn)證

圖5為下噴式水滴速度隨時(shí)間變化圖。從圖中可以看出，水滴在前1.5 s內(nèi)做減速運(yùn)動(dòng)，后做勻速運(yùn)動(dòng)，勻速運(yùn)動(dòng)速度為0.5 m/s。由圖2(a)中可得，下噴式噴淋室中水滴向下運(yùn)動(dòng)最終速度為0.5 m/s，兩者計(jì)算的最終速度大小相吻合。下噴式噴淋室中水滴向下運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為3.5 s。由圖3(a)中可得，下噴式噴淋室中水滴在噴淋室內(nèi)的停留時(shí)間為3.8 s。得兩種方法計(jì)算的停留時(shí)間相差0.3 s，近乎一致。

4.2 上噴式水滴停留時(shí)間對(duì)比驗(yàn)證

圖6(a)為上噴式水滴向上由初速度8 m/s減到5 m/s的速度隨時(shí)間變化圖。從圖中可以看出，水滴在向下運(yùn)動(dòng)需經(jīng)歷0.3 s。圖6(b)為上噴式水滴向上由5 m/s減到0 m/s的速度隨時(shí)間變化圖。從圖中可以看出，需經(jīng)歷0.5 s。圖6(c)為上噴式水滴由靜止向下的速度隨時(shí)間變化圖。從圖中可以看出水滴在前1.5 s內(nèi)做加速運(yùn)動(dòng)，后幾乎做勻速運(yùn)動(dòng)，勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間約為5 s?？偟倪\(yùn)動(dòng)時(shí)間為7.3 s。由圖3(b)中可得，上噴式噴淋室中水滴在噴淋室內(nèi)的停留時(shí)間8.5 s。得兩種方法計(jì)算的停留時(shí)間相差相差1.2 s，近乎一致。

用MATLAB軟件計(jì)算的水滴在上噴式淋室內(nèi)的停留時(shí)間比在下噴式噴淋室內(nèi)多3.8 s，而用FLUENT軟件計(jì)算前者比后者多4.7 s，兩種方法得到的水結(jié)果近乎一致。由此可得，本文用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果合理可行。

5 結(jié)論

在初參數(shù)完全相同的情況下，上噴式噴淋室中水滴的停留時(shí)間比下噴式多停留4.7 s，由于在上噴式噴淋室中水滴停留的時(shí)間更長(zhǎng)一些，在上噴式噴淋室中水滴從溫排風(fēng)中吸收的熱量多一些，水滴最終溫度相對(duì)較高為304 K，較下噴式高3 K,說(shuō)明向上噴淋比向下噴淋的傳熱傳質(zhì)效率更高。

[1]段澤敏，馬素霞，郭千中.礦井余熱資源利用技術(shù)[J].煤礦安全，2014(9)：68-71.

[2]苗世昌.除塵器區(qū)低溫省煤器煙道數(shù)值模擬[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,32(2):65-68.

[3]連之偉.熱質(zhì)交換原理與設(shè)備[M].3版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[4]強(qiáng)天偉，沈恒根.直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)工作原理及不循環(huán)水噴淋填料分析[J].制冷與空調(diào)，2005(2)：62-65.

[5]周華慧.礦井回風(fēng)余熱回收換熱裝置的換熱性能研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2012.

[6]鮑玲玲.礦井回風(fēng)熱能回收熱濕傳遞研究[D].天津：天津大學(xué)，2013.

[7]佘 軍.礦井回風(fēng)換熱器數(shù)值模擬與優(yōu)化[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2013.

[8]王景剛，佘 軍，王建學(xué)，等.礦井回風(fēng)換熱器數(shù)值模擬[J].制冷與空調(diào)，2013(3):37-40.

(責(zé)任編輯王利君)

Research of spray direction’s influence on the heat and mass transfer in spray chamber

BAO Lingling1, CHEN Dong1, LIU Wei2

(1.College of Urban Construction, Hebei University of Engineering, Hebei Handan 056038,China;2. Hebei Provincial Institute of Energy Resources, Hebei Academy of Sciences, Hebei Shijiazhuang 050081,China)

In order to improve the effect of heat and mass transfer, studying the influence laws of heat and mass transfer effect of various factors is of great significance to improve the efficiency of heat and mass transfer of spray chamber. This paper adopted the numerical simulation method, and carried out the contrast research of the water-drop law of motion and effect of air-water heat moisture transmission in vertical spray chamber which have two kinds including the upward-spray type and the downward-spray type. The result shows that not only the water residence time, but also the heat transfer effect the upward-spray type is superior to the downward-spray type.

spray chamber; spray direction; heat and mass transfer; simulation

2016-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408182)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2015402139)；河北省教育廳科學(xué)技術(shù)處資助項(xiàng)目(QN2014064)特約專(zhuān)稿

鮑玲玲(1982-)，女，河北邯鄲人，博士，副教授，從事熱質(zhì)傳遞方面的研究。

1673-9469(2016)02-0073-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.02.016

TK124

A