龔 毅 劉 旭 楊雅濃 吳學(xué)紅 趙 敏
(鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院 鄭州 450002)
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內(nèi)翅板蒸發(fā)式冷凝器降膜流動與傳熱特性
龔 毅劉 旭楊雅濃吳學(xué)紅趙 敏
(鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院鄭州450002)
為了增強蒸發(fā)式冷凝器板外氣液兩相流動與傳熱,基于數(shù)值模擬方法對比分析了幾種新型的板片結(jié)構(gòu),研究了板片構(gòu)型、噴淋水噴淋密度、空氣入口速度等因素對氣液兩相流流體流動及傳熱性能的影響。結(jié)果表明:半圓波紋板有較長的水膜穩(wěn)定時間和較大的換熱面積,換熱性能較好;不同板片結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)式冷凝器具有不同的最佳噴淋水噴淋密度,最佳噴淋密度區(qū)間范圍為0.48 ~0.93 kg/(m·s);空氣入口速度一定時,半圓波紋板的壁面溫度隨噴淋密度增大而增大,氣液界面溫度隨噴淋密度增大而減??;當空氣入口速度小于2.5 m/s時,空氣入口速度的適當增大能夠有效減薄半圓波紋板板外水膜厚度,強化換熱。
蒸發(fā)式冷凝器;半圓波紋板;噴淋密度;強化換熱
蒸發(fā)式冷凝器是采用降膜蒸發(fā)技術(shù)冷凝內(nèi)部制冷劑的換熱器,其換熱性能取決于氣液兩相流流動特性。因此,研究蒸發(fā)式冷凝器內(nèi)部氣液兩相流的流動特性和影響換熱性能的主要因素,對于工程應(yīng)用具有重大意義。
國內(nèi)外的研究主要集中于操作條件的改變和主要影響因素對蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的影響。Bolotin S等[1]和Wang T等[2]分析了影響蒸發(fā)式冷凝器冷卻性能的因素,確定了空調(diào)系統(tǒng)中蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用工況和操作條件。Kabova Y等[3]采用數(shù)值方法研究了微通道內(nèi)的液膜蒸發(fā),分析了氣流速度對蒸氣濃度和氣-液界面的影響。Li Y等[4]研究了波紋板式蒸發(fā)式冷凝器板外氣液兩相流在順風、逆風時的傳熱傳質(zhì)情況,模擬并測試了液膜厚度隨流量變化情況。Kharangate C R等[5]研究了垂直圓管中水膜的受熱蒸發(fā),計算得到了渦流擴散系數(shù)、沿著蒸發(fā)方向的傳熱系數(shù)、流速以及液膜溫度。Monnier H等[6]、Mascarenhas N等[7]分別研究了液膜的特性對水膜蒸發(fā)時的動量、熱量和質(zhì)量傳遞的影響,并分析了氣-液界面的波動狀況。Gao G等[8]和Haroun Y等[9]分別模擬了不同規(guī)整填料和雷諾數(shù)下的兩相流動過程,并觀察了液相流動形態(tài)。Ho C-D等[10]模擬計算了降膜反應(yīng)器中的兩相流動,分析了液膜的流體力學(xué)特征(包括液膜厚度、速度分布、剪切力和壓降等)以及壓力、表面張力、液體黏度和氣體流量等對液體流量的影響。Albert C等[11]采用 VOF 方法對氣-液界面?zhèn)髻|(zhì)進行模擬,分析了液膜參數(shù)(液膜厚度、液膜速度等)對傳質(zhì)的影響和傳質(zhì)強化的機制。張建一等[12]分析比較了蒸發(fā)式與水冷式冷凝器的循環(huán)水量和能耗。王志遠等[13]搭建了蒸發(fā)式冷凝器傳熱性能測試實驗臺,研究了蒸發(fā)式冷凝器管外水膜的傳熱性能,分析了冷卻水量和風量對管外水膜傳熱系數(shù)的影響。簡棄非等[14-15]和石仲璟等[16]分別搭建了噴淋蒸發(fā)板式冷凝器的傳熱性能的實驗平臺,研究了空氣濕度、板片間距、噴水量和風量等對蒸發(fā)式冷凝器板外水和空氣側(cè)的傳熱性能的影響。許松林等[17]應(yīng)用VOF方法模擬了氣液兩相并流垂直液膜流動,研究了氣液相雷諾數(shù)和壁面剪切力對液膜流動的影響,分析比較了不同截面液膜的厚度隨時間的變化情況。朱冬生等[18]模擬和實驗研究了在板式蒸發(fā)式冷凝器氣液兩相的逆流、并流兩種流動形式下噴淋水流量、風速及風向?qū)λち鲃拥挠绊?。董俐言等[19]建立了熱質(zhì)交換過程的二維數(shù)學(xué)模型,分析了板式蒸發(fā)式冷凝器中噴淋水溫度、空氣溫度和空氣含濕量等參數(shù)的分布規(guī)律,研究了空氣流速、干濕球溫度、噴淋密度和冷凝溫度對板式蒸發(fā)式冷凝器熱流密度的影響?,F(xiàn)階段關(guān)于板片結(jié)構(gòu)的研究多集中在降膜式蒸發(fā)器等化工設(shè)備上,而在蒸發(fā)式冷凝器的研究中有關(guān)板片結(jié)構(gòu)的研究并不多,且多為單一板型結(jié)構(gòu)研究。
本文以課題組開發(fā)的國家專利內(nèi)翅板換熱器(CN103913080A)為基礎(chǔ),研究氣液兩相流動特性以及空氣入口速度對換熱性能的影響,開發(fā)新型的板片結(jié)構(gòu),并獲得不同的板片結(jié)構(gòu)的最佳噴淋密度。圖1所示為內(nèi)翅板換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。
1制冷劑入口 2制冷劑出口 3水槽 4換熱板片圖1 內(nèi)翅板換熱器示意圖Fig.1 Diagram of the internal fin-plate heat exchanger
1.1 物理模型
本文建立了5種板片結(jié)構(gòu)物理模型,分別為平板(模型一)、45°鋸齒板(模型二)、60°鋸齒板(模型三)、梯形板(模型四)和半圓波紋板(模型五)。這5種模擬尺寸均為605 mm×420 mm,如圖2所示。
圖2 五種板片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of five kinds of plate patterns
1.2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件
依據(jù)物理模型,以半圓波紋板為例,建立了二維物理計算模型,如圖3所示,噴淋水入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口,出口為自由流動出口,空氣入口為速度入口,出口為自由流動出口。
圖3 計算模型和邊界條件Fig.3 The computational model and boundary conditions
1.3 控制方程
模擬采用VOF算法,其相應(yīng)的控制方程如下:
1)質(zhì)量守恒方程
(1)
Sm為離散相到連續(xù)相的質(zhì)量源項
2)動量方程
(2)
式中:p為靜壓;gi為i方向上的重力體積力;Fi為動量源項;τij為應(yīng)力源項。
3)能量方程
(3)
式中:cp為比熱容;T為溫度;λ為導(dǎo)熱系數(shù)。
4)體積分率連續(xù)性方程
(4)
其中,
5)物性關(guān)系
ρ=αiρi+(1-αi)ρi
(5)
μ=αiμi+(1-αi)μi
(6)
1.4 計算方法
根據(jù)氣液兩相逆流液膜流動不穩(wěn)定的特點,計算采用了VOF模型、能量方程、可實現(xiàn)k-ε湍流模型;近壁面處采用增強壁面處理方法;壓力-速度耦合項采用PISO算法;壓力項為Body Force Weighted算法;界面追蹤方法采用幾何重構(gòu)技術(shù)監(jiān)測氣-液界面位置。各亞松弛因子皆設(shè)為0.2,時間步長選取0.000 1 s,考慮重力影響。
計算分2步進行:第一步,設(shè)置流場區(qū)域為空氣,設(shè)定噴淋水入口質(zhì)量流量和較低的空氣速度;第二步,待水膜流動穩(wěn)定后,改變空氣速度并設(shè)定壁面熱流密度,計算空氣速度和壁面熱流密度對水膜的成型和傳熱性能的影響。
由于水膜流動的不穩(wěn)定性,水膜出口質(zhì)量流量不可能為恒定不變,會隨著水膜流動進行上下波動。水膜流動是否達到穩(wěn)定的判定依據(jù)為:液相出口質(zhì)量流量在單位時間內(nèi)平均值恒定不變,即可認為達到穩(wěn)定狀態(tài)。
2.1 板片結(jié)構(gòu)對水膜流動的影響
初始條件噴淋密度為0.95 kg/(m·s),空氣入口為0.1 m/s時,對上述5種模型進行模擬分析。圖4所示為噴淋水以相同噴淋密度沿不同板片結(jié)構(gòu)流動時的水膜流動云圖。表1所示為不同板片結(jié)構(gòu)的換熱面積和水膜穩(wěn)定時間。
圖4 水膜流動云圖Fig.4 The nephogram of water film flow
模型換熱面積/m2水膜穩(wěn)定時間/s穩(wěn)定時平均水膜厚度/mm平板0.2540.80.6645°鋸齒板0.359無法形成連續(xù)水膜無法形成連續(xù)水膜69°鋸齒板0.2932.31.2梯形板0.2841.91.05半圓波紋板0.3992.361.15
由圖4和表1可以發(fā)現(xiàn),雖然噴淋水入口質(zhì)量流量相同,但由于板片結(jié)構(gòu)不同,水膜在板片上的實際流動行程也不同,這就造成了水膜流動穩(wěn)定時間的不同。水膜流動穩(wěn)定時間越長,氣液兩相接觸時間越長,使得傳熱傳質(zhì)能夠更好地進行。在上述5種板片結(jié)構(gòu)中,45°鋸齒板水膜流動在0.8 s時有向中心偏移趨勢,且水膜流動與板壁處存在空隙,這會嚴重影響水膜與板內(nèi)制冷劑之間的換熱。而其余4種模型均能夠完全潤濕壁面,水膜穩(wěn)定時間依次為0.8 s,1.9 s,2.3 s和2.36 s。綜合分析換熱面積、水膜穩(wěn)定時間和水膜平均厚度這幾個因素,半圓波紋板為5種模型中最優(yōu)板片結(jié)構(gòu)。
2.2 不同板片結(jié)構(gòu)下的最佳噴淋密度
噴淋密度決定水膜流動形態(tài)和水膜厚度,進而影響蒸發(fā)式冷凝器的換熱性能。換熱板片結(jié)構(gòu)相同時,噴淋密度越大,水膜穩(wěn)定時間越短,但會造成水膜厚度增加,相應(yīng)的水膜熱阻變大,降低換熱性能。一般來說,換熱板片結(jié)構(gòu)相同時,水膜厚度越薄,熱阻越小,換熱性能越好。
表2為不同板片水膜穩(wěn)定時的最佳噴淋密度。圖5所示為在不同噴淋密度下的水膜在不同結(jié)構(gòu)板片上的流動云圖。由圖5可以看出,雖然板片結(jié)構(gòu)相同,但由于噴淋密度不相同,水膜流動情況也不相同。以半圓波紋板為例,噴淋密度范圍為0.83~0.91 kg/(m·s)時,水膜會在不同時刻向中心偏移或斷裂,形成干斑區(qū)域。這是因為,噴淋密度較小時,水膜流動較慢,當空氣阻力大于水膜重力時,噴淋水在下落過程中堆積,且易受板片結(jié)構(gòu)的影響,向中心偏移或斷裂,且隨時間推移,堆積液滴會阻塞空氣通道。噴淋密度越小,發(fā)生偏移越早。當噴淋密度為0.93 kg/(m·s)時,水膜完全覆蓋換熱板片的時間為2.38 s。
表2 不同板片水膜穩(wěn)定時的最佳噴淋密度
圖5 在不同噴淋密度(kg/(m·s))下,水膜沿不同結(jié)構(gòu)板片上的流動云圖Fig.5 The nephogram of water film flow along different plates at different spray density (kg/(m·s))
以半圓波紋板為例,分析噴淋密度對換熱性能的影響,圖6和圖7所示為噴淋密度分別為0.93 kg/(m·s)和0.95 kg/(m·s)時對壁面溫度和氣-液界面溫度的影響。由圖6可以看出,噴淋密度為0.93 kg/(m·s)時的壁面平均溫度相比于0.95 kg/(m·s)較低,這意味著在相同熱流密度下,噴淋密度為0.93 kg/(m·s)時的板片熱量傳遞更多,換熱性能更好。由圖7可以看出,噴淋密度越大,氣-液界面平均溫度越低。這是因為在熱流密度一定、空氣入口速度較小時,空氣對水膜的剪切力作用較小,對水膜的削薄程度也較小,此時水膜厚度隨噴淋密度增大而增大,使得水膜熱阻增大,水膜吸收壁面?zhèn)鬟f熱量大于氣液界面吸熱量,導(dǎo)致氣液界面處平均溫度降低。
圖6 噴淋密度對壁面溫度的影響Fig.6 The influence of spray density on wall′s temperature
圖7 噴淋密度對界面溫度的影響Fig.7 The influence of spray density on interface′s temperature
因此,綜合不同噴淋密度下水膜流動情況及對壁面溫度、氣-液界面溫度的影響,采用較低的噴淋水質(zhì)量流量可以有效強化換熱性能。從4種板型水膜流動云圖及以上分析,在滿足噴淋水完全潤濕壁面的情況下,最小的噴淋水質(zhì)量流量對應(yīng)的噴淋密度即為所要確定的最佳噴淋密度。
2.3 空氣入口速度對氣液兩相流流動的影響
本文以下將研究與分析空氣入口速度對氣液兩相流動的影響。以半圓波紋板為例,在噴淋密度為0.93 kg/(m·s),水膜流動穩(wěn)定之后,改變空氣速度,分析不同空氣入口速度下的氣液兩相流流動特性。
圖8和圖9所示為不同空氣進口速度對壁面溫度和氣-液界面溫度的影響。圖10所示為空氣入口速度為2.5 m/s時在3.16 s時刻截取的部分水膜流動云圖。由圖8可以看出,壁面平均溫度隨空氣入口速度增大呈現(xiàn)先減小后增大趨勢。由圖9可以看出,氣-液界面平均溫度隨空氣入口速度增大而增大。由圖10可以看出,空氣入口速度為2.5 s時,水膜在3.16 s時部分區(qū)域出現(xiàn)“干斑”現(xiàn)象。這是因為當空氣速度不小于2.5 m/s時,部分區(qū)域水膜斷裂,形成“干斑”,使換熱板壁直接暴露在空氣中,造成“干斑”區(qū)域溫度過大,壁面溫度相應(yīng)增大,且由于水膜無法完整形成,界面溫度并無意義,“干斑”區(qū)域冷凝形式由蒸發(fā)冷變?yōu)榭绽?,降低了換熱性能。當空氣入口速度小于2.5 m/s時,在氣液剪切力的作用下,水膜厚度隨空氣入口速度增大而減小,使水膜熱阻減小,強化傳熱性能。
圖8 空氣入口速度對壁面溫度的影響Fig.8 The influence of air inlet velocity on wall′s temperature
圖9 空氣入口速度對界面溫度的影響Fig.9 The influence of air inlet velocity on interface′s temperature
圖10 空氣入口速度為2.5 m/s時3.16 s時刻的水膜流動云圖Fig.10 The nephogram of water film flow of 3.16 s at 2.5 m/s
對于半圓波紋板,當空氣入口速度小于2.5 m/s時,空氣入口速度的適當增大可以增加水膜波動程度和加快水膜更新速度,帶走水蒸氣和熱量,有效強化蒸發(fā)式冷凝器的換熱性能。
本文模擬分析了內(nèi)翅板蒸發(fā)式冷凝器5種板片結(jié)構(gòu)模型的水膜流動情況,研究了噴淋密度和空氣入口速度對壁面溫度及氣-液界面溫度的影響,得出了以下結(jié)論:
1)通過對比分析平板、45°鋸齒板、60°鋸齒板、梯形板、半圓波紋板的水膜流動情況和換熱面積,得出半圓波紋板為最佳的板片結(jié)構(gòu);
2)通過研究4種板型的噴淋密度對氣液兩相流流動特性的影響,分析了噴淋密度對水膜流動、壁面溫度和氣液界面溫度的影響,得到了不同板型存在不同的最佳噴淋密度,且平板、60°鋸齒板、梯形板、半圓波紋板的最佳噴淋密度依次為0.71 kg/(m·s),0.48 kg/(m·s),0.55 kg/(m·s)和0.93 kg/(m·s);
3)通過以半圓波紋板為例研究了空氣入口速度對氣液兩相流流動特性的影響,分析了壁面溫度和氣-液界面溫度的變化情況,當空氣入口速度小于2.5 m/s時,空氣入口速度的適當增大可以增加水膜波動程度,帶走水蒸氣和熱量,有效強化蒸發(fā)式冷凝器的換熱性能。
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About the corresponding author
Wu Xuehong,male, doctor, associate professor, School of Energy and Power Engineering,Zhengzhou University of Light Industry, +86 371-63624373,E-mail:wuxh1212@163.com. Research fields: energy saving technology of refrigeration and cryogenic device,Energy utilization and environmental controls, et al.
Characteristics of Falling Film Flow and Heat Transfer in Internal Fin-plate Evaporative Condenser
Gong YiLiu XuYang YanongWu XuehongZhao Min
(School of Energy and Power Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou, 450002,China)
In order to improve the heat transfer and fluid flow performance of external gas-liquid two phase flow of plate in the evaporative condenser, the new surfaces of plate are comparatively analyzed. The effect of the different kinds of surface structure,spray density of water and air inlet velocity on the characteristics of gas-liquid two-phase flow and the performance of heat transfer are investigated. The results show that: the semicircle wavy plate has longer time of water film forming and larger heat transfer area and better performance of heat transfer; different plate structures of the evaporative condenser have different optimal spray density of spray water, and the optimal spray density are from 0.48 kg/m·s to 0.93 kg/(m·s); when the air inlet velocity is constant, the wall temperature of semi-circle wavy plate is increased and the temperature of gas-liquid interface is decreased with the increasing of spray density; when the air inlet velocity is less than 2.5 m/s, the increasing air inlet velocity can effectively reduce thickness of water film of external semicircle wavy plate and enhances heat transfer.
evaporative condenser; semicircle wavy plate; spray density; enhanced heat transfer
0253- 4339(2016) 04- 0020- 07
10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.020
國家自然科學(xué)基金(51476148)資助項目。 (The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51476148).)
2015年10月21日
TK172; TK124
A
簡介
吳學(xué)紅,男,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院,(0371)63634373,E-mail:wuxh1212@163.com。研究方向:制冷與低溫設(shè)備節(jié)能技術(shù)、能源利用與環(huán)境控制等方面的研究。