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)。
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
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
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
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
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。
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。