熱濕空氣吹掃低溫固體表面冷凝判斷依據(jù)

陳達(dá)南，鄧立生，陳捷超，車(chē)哲述，周友

（1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州，510640；2.東莞理工學(xué)院，東莞，523808；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣州，511458; 4.北京低碳清潔能源研究院，北京，102211）

低溫高濕環(huán)境下固體表面出現(xiàn)冷凝和結(jié)霜現(xiàn)象很常見(jiàn)，普遍存在于低溫儲(chǔ)存、制冷和低溫工程、輸電線(xiàn)路、航空航天等領(lǐng)域［1-2］。金屬表面冷凝水和空氣的共同作用，容易出現(xiàn)腐蝕和滋生細(xì)菌和微生物，影響設(shè)備的使用壽命，給設(shè)備的穩(wěn)定安全運(yùn)行帶來(lái)隱患［3］。此外，水蒸汽凝結(jié)形成的露和霜會(huì)增加傳熱熱阻，降低換熱器的效率，從而浪費(fèi)大量的能源［4］。近年來(lái)低溫天氣頻發(fā)，包括中國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家的基礎(chǔ)設(shè)施遭受破壞，造成巨大損失。因此，如何有效地防止固體表面的冷凝和結(jié)霜成為了迫切的問(wèn)題。

濕熱空氣冷凝是傳熱傳質(zhì)的過(guò)程，水蒸氣分壓力與液膜溫度對(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣壓力之差就是凝結(jié)推動(dòng)力［5］。

徐向華等人［6］通過(guò)建立凝結(jié)液膜厚度模型對(duì)載人航天器中空氣冷凝換熱器進(jìn)行冷凝分析，獲得了膜狀凝結(jié)時(shí)液膜厚度和速度的分布，結(jié)果表明冷凝器存在最大去濕流量。

房正［7］對(duì)用于煙道氣熱回收的熱管中冷凝傳熱過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明水蒸氣的冷凝液量和對(duì)流冷凝傳熱系數(shù)隨水蒸氣體積分?jǐn)?shù)及加濕熱空氣的雷諾數(shù)的增加而增加,隨空氣入口溫度的增加而減小。朱峰等［8］在分析煙氣冷凝換熱器時(shí)采用了三種新型的防腐表面處理，結(jié)果表明，煙氣在不同防腐表面上冷凝換熱強(qiáng)弱不同，換熱表面的改性可強(qiáng)化煙氣冷凝換熱。牛澤圣等［9］對(duì)采用拋光和鍍鉻兩種豎直圓管進(jìn)行了冷凝換熱實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在純蒸汽工況下，兩種換熱管冷凝換熱系數(shù)均隨過(guò)冷度的增大而降低，拋光管的冷凝換熱系數(shù)隨壓力的增大而增大，鍍鉻管的冷凝換熱系數(shù)隨壓力的增大而減小。

周夢(mèng)等［10］采用Fluent軟件分別對(duì)空氣-水蒸氣混合氣體的冷凝換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，水蒸氣冷凝的相變模型采用Knudsen相變系數(shù)模型，結(jié)果表明，傳熱系數(shù)隨混合氣體中空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，隨混合氣體流速的增大而升高。邊浩志等［11］采用數(shù)值模擬的方法定量考察氣體流速、壁面過(guò)冷度、換熱面高度和氣體壓力對(duì)含空氣蒸汽冷凝換熱的影響，主流流速和壁面過(guò)冷度分別為0.1～3m/s和4 ℃～50 ℃，研究表明，在主流流速小于0.5m/s的自然對(duì)流主導(dǎo)區(qū)內(nèi)，冷凝換熱系數(shù)幾乎不受速度的影響。

上述的研究結(jié)果分析了冷凝傳熱性能與各影響因素之間的量化關(guān)系，這對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)含空氣蒸汽冷凝現(xiàn)象有一定的指導(dǎo)意義。目前的研究中，對(duì)于膜狀冷凝、珠狀冷凝的形成原理研究較廣泛［12］，對(duì)于冷凝起始的臨界點(diǎn)的分析相對(duì)較少。本文通過(guò)分析固體壁面形狀、空氣溫濕度、流速等因素，定量分析各因素改變是的冷凝臨界判據(jù)。

1 物理數(shù)學(xué)模型

濕空氣橫掠低溫圓管和正方形表面冷凝的物理模型如圖1所示，為了簡(jiǎn)化模型，僅計(jì)算x對(duì)稱(chēng)軸上半空間。其中矩形濕空氣區(qū)域左進(jìn)右出，長(zhǎng)為50cm，寬為20cm。為了簡(jiǎn)化分析作如下假定：（1）流動(dòng)的流動(dòng)為二維；（2）不考慮流體自身重力的影響；（3）流體不可壓縮的牛頓性流體；（4）邊界條件中上下邊界為無(wú)滑移壁面；（5）粘性耗散產(chǎn)生的耗散熱忽略不計(jì)；（6）系統(tǒng)內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)為湍流流動(dòng)，假定系統(tǒng)內(nèi)各處的流動(dòng)均為完全湍流流動(dòng)。

圖1 濕空氣橫掠低溫圓管(a)和正方形(b)表面物理模型

空氣-水蒸氣混合氣體與液體水的兩相流計(jì)算需遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律，而濕空氣和液態(tài)水的物性量是溫度的函數(shù)［13-14］，且速度分布與溫度分布相互耦合，模擬冷凝相變傳熱傳質(zhì)需添加冷凝質(zhì)量源項(xiàng)［15］：

固體表面溫度用表達(dá)式為：

時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為20分鐘，圓管表面冷凝開(kāi)始的時(shí)刻對(duì)應(yīng)的表面溫度為冷凝臨界點(diǎn)。雷諾平均方法可計(jì)算高雷諾數(shù)的復(fù)雜流動(dòng)，但不能反映流場(chǎng)紊動(dòng)的細(xì)節(jié)信息。本文研究對(duì)象為熱濕空氣吹掃固體表面的過(guò)程，不需要詳盡的流場(chǎng)細(xì)節(jié)，因而采用RANS計(jì)算方法［16］。

為了驗(yàn)證網(wǎng)格的獨(dú)立性，選用圓管直徑為6 cm的模型，初始進(jìn)口空氣的相對(duì)濕度為0.8，進(jìn)口溫度為293.15 K，進(jìn)口速度為1m/s。分別構(gòu)建網(wǎng)格數(shù)為8452、13143和25684的三種網(wǎng)格。圖2表明采用三種網(wǎng)格計(jì)算得到的冷凝情況非常接近，綜合考慮計(jì)算時(shí)間成本和精度，選擇網(wǎng)格數(shù)為13143進(jìn)行后續(xù)模擬。

圖2 三種網(wǎng)格精細(xì)度時(shí)圓管表面的冷凝情況

2 結(jié)果與分析

2.1 不同直徑距圓管表面的冷凝情況

圖3為在空氣進(jìn)口溫度為293.150 K、進(jìn)口速度為1m/s和進(jìn)口相對(duì)濕度為80%情況下，各圓管直徑距下通過(guò)探針圖。由圖可知，在圓管直徑分別為3cm、6cm和9cm時(shí)，冷凝時(shí)長(zhǎng)分別為12.935 min、12.980min和12.935min。結(jié)合式（2）可得，三種直徑圓管表面冷凝臨界點(diǎn)均為293.075K，說(shuō)明圓管直徑不是引起表面冷凝的主要因素。

圖3 圓管表面的冷凝情況

圖4為圓管直徑6cm時(shí)，在冷凝開(kāi)始前、后1分鐘的溫度、相對(duì)濕度云圖及流線(xiàn)圖，圖中上下半部分別為溫度和濕度云圖。由圖可知，在冷凝前后流場(chǎng)內(nèi)的流線(xiàn)在圓形右半圓表面外形成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的渦旋；越靠近圓管表面位置，溫度和相對(duì)濕度越低。在相同區(qū)域，冷凝前的溫度比冷凝后高，而冷凝前的相對(duì)濕度比冷凝后的低。

圖4 時(shí)間為5.620 min和5.820 min時(shí)圓管表面溫度、相對(duì)濕度云圖及流線(xiàn)圖

2.2 不同邊長(zhǎng)正方形表面的冷凝判據(jù)

由圖5可知，進(jìn)口溫度均為293.150K、進(jìn)口速度均為1m/s和進(jìn)口相對(duì)濕度為80%情況下，正方形邊長(zhǎng)為3cm、6cm和9cm時(shí)冷凝時(shí)長(zhǎng)分別為13.493min、13.483min和13.241min，結(jié)合式（2）可求出冷凝臨界點(diǎn)分別為293.078K、293.078K和293.075K。臨界點(diǎn)溫度基本相同，說(shuō)明正方形邊長(zhǎng)對(duì)冷凝臨界點(diǎn)的影響很小，不是引起正方形表面冷凝的主要因素。

圖5 正方形表面的冷凝情況

圖6為正方形邊長(zhǎng)6cm時(shí)，在冷凝開(kāi)始前、后1分鐘的溫度、相對(duì)濕度云圖及流線(xiàn)圖。由圖可知，在正方形右邊表面外形成堆成的大渦旋，且越靠近正方形表面位置的溫度越低，在相同區(qū)域，冷凝前的溫度比冷凝后高；而越靠近正方形表面位置的相對(duì)濕度越低，在相同區(qū)域，冷凝前的相對(duì)濕度比冷凝后的相對(duì)濕度低。

圖6 正方形表面冷凝云圖

2.3 進(jìn)口相對(duì)濕度

對(duì)進(jìn)口溫度為293.150K、進(jìn)口速度為1m/s和直徑為6cm圓管進(jìn)行冷凝分析。進(jìn)口相對(duì)濕度分別為70%時(shí)圓管表面不出現(xiàn)冷凝。而在進(jìn)口相對(duì)濕度分別為75%、80%、85%和90%時(shí)，它們圓管表面冷凝開(kāi)始時(shí)間分別為9.120min、5.720min、3.920min和2.520min，冷凝結(jié)束時(shí)間分別為11.700 min、18.700min、16.520min和17.920min。結(jié)合式（2），可得表1所示的各進(jìn)口空氣相對(duì)濕度冷凝臨界點(diǎn)。由表1可得知，進(jìn)口相對(duì)濕度為75%、80%、85%和90%時(shí)它們冷凝臨界點(diǎn)分別為293.031K、293.075K、293.099K和293.117K，因?yàn)樗鼈兝淠R界點(diǎn)溫度差異較大，所以說(shuō)明進(jìn)口相對(duì)濕度對(duì)冷凝臨界點(diǎn)的影響較大。

表1 進(jìn)口相對(duì)濕度對(duì)冷凝臨界點(diǎn)的影響

2.4 進(jìn)口濕空氣溫度

對(duì)七組進(jìn)口空氣溫度為進(jìn)行冷凝分析，結(jié)果表明，進(jìn)口溫度為288.150K、290.150K、291.150 K時(shí)圓管表面不出現(xiàn)冷凝。進(jìn)口溫度為288.150 K時(shí)冷凝探針值為0；而290.150K時(shí)的冷凝探針出現(xiàn)一個(gè)值小于1的波峰，如圖7（a）。當(dāng)進(jìn)口空氣溫度分別為292.150K和293.150K時(shí)，圓管表面冷凝時(shí)長(zhǎng)分別為4.780min、13.180min，其中，進(jìn)口空氣溫度為292.150K的冷凝探針曲線(xiàn)如圖7（b）所示；而當(dāng)進(jìn)口空氣溫度大于298.150K時(shí)，圓管表面持續(xù)出現(xiàn)冷凝，探針直為1。

圖7 不同進(jìn)口空氣溫度時(shí)圓管表面的冷凝情況

對(duì)于進(jìn)口空氣溫度低于291.15K時(shí)或高于298.15K時(shí)圓柱表面不冷凝，因?yàn)槔淠R界點(diǎn)不在固體表面溫度變化區(qū)間內(nèi)。綜上，進(jìn)口空氣溫度是引起固體表面冷凝的主要因素之一。

3 結(jié)論

本文采用COMSOL軟件分析了固體表面濕空氣冷凝的臨界點(diǎn)，分析了固體表面的形狀尺寸、進(jìn)口空氣相對(duì)濕度和溫度對(duì)固體表面冷凝情況的影響，得出結(jié)論如下：在進(jìn)口溫度、相對(duì)濕度和速度相同情況下，不同直徑距的圓管表面和不同邊長(zhǎng)的正方形表面的冷凝臨界點(diǎn)相差很小，固體表面的形狀尺寸不是影響表面冷凝的主要因素?？諝獾南鄬?duì)濕度和溫度是影響表面冷凝的主要元素，空氣相對(duì)濕度越大冷凝臨界點(diǎn)越高，反之越低；進(jìn)口溫度越大冷凝臨界點(diǎn)越高，反之越低。