板式换热器降膜蒸发传热过程的数值模拟研究-

1、分类号学号M201070761 学校代码10487 密级 硕士学位论文板式换热器降膜蒸发传热过程的数值模拟研究学位申请人:陈昊阳学科专业:热能工程指导教师:陈汉平教授王贤华博士答辩日期:2013年1月8日A Thesis Submitted in Partial of Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringNumerical Simulation Research on Falling Film Evaporation Heat Transfer Process in Evaporative

2、Plate Heat ExchangerCandidate: Haoyang CHENMajor: Thermal EngineeringSupervisor: Prof. Hanping CHENDr. Xianhua WANGHuazhong University of Science & TechnologyWuhan 430074, P.R.ChinaJanuary.10th, 2013独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已标明引用的内容外,本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做

3、出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密,在_年解密后适用本授权书。本论文属于不保密。(请在以上方框内打“”学位论文作者签名:指导教师签名:年月日年月华中科技大学硕士学位论文摘要板式蒸发换热器利用降膜蒸发原理强化传热,相比传统换

4、热器具有传热效率高、流通面积大、结构紧凑、占地面积小等优点,在石油、化工、能源等能耗、水耗较大的行业中有着广阔的应用前景。由于缺乏对其降膜蒸发换热机制的深入了解,目前工业上应用的板式蒸发换热器的性能还有很大的提升和优化空间。本文采用计算机数值模拟方法分别对平板降膜蒸发换热过程和波纹板降膜蒸发换热过程进行模拟,研究影响板式蒸发换热器换热性能的各项因素,为换热器的结构设计和优化运行提供指导,并设计板式蒸发换热器换热性能实验平台,为全面提升板式蒸发换热器的理论和技术水平奠定基础。板式蒸发换热器内部的降膜蒸发过程涉及气液两相流流动以及传热传质和表面张力等相间相互作用,因此对这一复杂物理过程进行模拟需要

5、深入了解相间相互作用机理。本文采用用户自定义程序和用户自定义标量对相间传热源项、传质源项和表面张力动量源项进行描述,结合流场其他控制方程,建立计算机数值模型,并与实验数据进行对比,验证了所建立的数值模型的可靠性。采用所建立的计算机数值模拟模型对不同工况下平板降膜蒸发换热过程进行数值模拟,研究不同工况对蒸发换热性能的影响,结果表明,对于板间距尺度为10mm 的板束:(1过高的进口水流量将会导致液膜厚度增加,影响蒸发换热性能,过低的流量则会导致壁面上出现干区;(2进口水温度的工作区间为280310K,过高的进口水温不利于液膜对壁面热量的吸收,过低的进口水温则会导致液膜蒸发效应的减弱;(3提高强制流

6、动空气的流速可以大幅提高蒸发换热性能,过高的风速会导致液膜脱离壁面。对不同工况下波纹板降膜蒸发换热过程进行数值模拟,结果表明:(1波纹板利用自身结构特性,有利于液膜在壁面上的分布,在波峰之间由于表面张力的作用液膜会明显减薄,波谷处液体湍动程度增加;(2波纹板壁面上温度呈周期性变化,波峰之间的温度分布明显降低,蒸发效应得到了增强;(3与平板降膜蒸发进行横向比较发现,华中科技大学硕士学位论文波纹板的换热性能平均可以提高1015%左右。关键词:蒸发式换热器多相流数值模拟降膜传热传质波纹板华中科技大学硕士学位论文ABSTRACTEvaporative plate heat exchanger make

7、s use of the falling film evaporation to enhance the heat transfer efficiency. Compared to traditional heat exchangers, It is more efficient, water-saving, energy-saving and smaller floor area. It has good development prospect in industries. Because of the lack of the in-depth researches on falling

8、film evaporation heat transfer mechanism, there are still lots of potential for the improvement.This topic adopts the computational numerical simulation method to simulate the heat transfer in falling film evaporation on smooth plate and the heat transfer in falling film evaporation on corrugated pl

9、ate to study the influences on heat transfer performance of various factors under different operating conditions. Ths task in the research aims at providing guidance on design of evaporative plate heat exchanger experimental platform, laying the foundations for further researches.The falling film ev

10、aporation heat transfer process in evaporative plate heat exchanger involves air-water multiphase flow and interactions between air and water like heat transfer, mass transfer and surface tension effect. The research selects the user-define functions to define the interactions between two phases, co

11、mbined with control equations to build the numerical simulation models. The comparison between experimental results validates the validity of the models so that it can be put into use for further researches.The results of numerical simulation experiments on falling film evaporation on smooth plate u

12、nder different operating conditions indicates that: 1 The inlet water flow operating condition is 0.150.20kg/s, the excessive inlet water flow will lead to water film thickness increase, thus the heat transfer efficiency decreases; 2 The inlet water temperature operating condition is 280310K. The co

13、nvection heat transfer between water film and the plate will decrease because of the excessive inlet water temperature; 3 The increase of inlet air speed can improve the heat transfer efficiency greatly.The results of numerical simulation experiments on falling film evaporation on华中科技大学硕士学位论文corruga

14、ted plate indicates that: 1 The falling film thickness will become thinner in trough of wave due to the surface tension effect caused by the geometric construction of corrugated plate; 2 The wall temperature on corrugated plate is periodically distributed. The wall temperature between wave crests is

15、 obviously lower; 3 Compared to the smooth plate, the heat transfer efficiency of corrugated plate is much higher.Key words: Evaporative heat exchanger Multiphase flow Numerical simulation Falling film Heat and mass transfer Corrugated plate华中科技大学硕士学位论文目录摘要. I ABSTRACT. III 1绪论1.1 研究背景 (11.2 蒸发换热器介绍

16、 (21.3 蒸发式换热器研究现状 (51.4 主要研究内容 (92降膜蒸发传热过程模型的建立2.1 前言 (112.2 降膜蒸发换热的物理模型 (112.3 数学模型 (142.4 本章小结 (183平板降膜蒸发数值模拟3.1前言 (193.2 几何建模与网格划分 (193.3 数学模型 (203.4模型可靠性验证 (253.5计算结果与分析 (26华中科技大学硕士学位论文3.6 本章小结 (364波纹板降膜蒸发数值模拟与实验设计4.1 前言 (374.2 波纹板物理模型建模 (374.3网格划分 (394.4 波纹板二维降膜蒸发数学模型 (404.5 波纹板降膜蒸发模拟结果分析 (464.

17、6 实验平台设计 (554.7 本章小结 (575结论和展望5.1 结论 (585.2 研究工作特色 (595.3 展望 (60致谢 (61参考文献 (62华中科技大学硕士学位论文1 绪论1.1 研究背景能源是人类社会进步与发展的基石。在过去的两百多年间,人类主要利用四种能源:石油、天然气、煤和电力。随着经济、社会、科学与技术的飞速发展,世界范围内的能源消耗速度也随之飞速增长,造成了能源的过度开采和短缺等问题。当今世界能源的消耗状况与特点如下:1由于经济发展和人口爆炸的影响,世界一次能源消耗不断增长;2发达国家的能源消耗增长率显著低于发展中国家,说明高新技术产业结构消耗更少的能源,产出更多;3

18、世界能源消费结构总体趋向于高品质,但是地区之间的差异依然巨大;4当今世界能源储备十分丰富,但依然不足以满足人类社会的高速发展1,2。按现今能源消耗速度进行估算,地球上储备的所有能源将在二百年内耗尽。中国政府面临与其他发展中国家类似的能源问题,如较低的能源利用效率、不平衡的能源分布和过度能源需求增长。寻求缓解世界能源问题的相应解决办法十分紧迫。开发新能源和发展高效节能技术是维系可持续发展的两大主要方法,如今节能减排的概念已经逐渐的在全世界范围内广泛普及。近年来各种类型的节能产品与技术得到了高速的发展和普及,如锅炉的废热回收技术、建筑节能技术及高效换热技术3。这类以节省能源、提高效率为目标开发的各

19、类技术提高了能源利用率,在节约能源的同时也大力发展了工业与经济,实现了可持续发展计划。与发达国家相比,中国的能源强度(单位国内生产总值能源使用量依然远远落后。与1990年相比,2004年每万元GDP所消耗的能源提高了45%,节省了约7亿吨煤4。这说明中国依然存在着巨大的节能潜力。提高能源利用率非常具有实际意义,主要有着以下两方面影响:1提高能源利用率以减慢能源消耗的速度;2十分有利于环保5。因此节能减排是中国政府的基本政策。节能减排已经成为人类社会生活中非常重要的组成部分。处理好人类、环境和能源之间的关系攸关人类发展前景。华中科技大学硕士学位论文换热器是工业生产中实现热量交换和传递过程的不可缺

20、少的设备,广泛应用于制冷、化工、石油、纺织、制药和能源等工业中。据统计,热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%30%6,因此发展高效节能的换热设备有着非常重要的意义。工业生产中应用最为广泛的换热设备主要有板式换热器和管壳式换热器,占据换热器市场份额的绝大部分。这两种换热器在工业上的应用时间长、技术积累深厚。但是都有着各自的局限性:通常板式换热器尺寸较小,对工况要求非常严格、制造成本高;管壳式换热器占地面积大、换热效率不高、水耗较大等。同时,随着世界范围内能源消耗增长过快、能源储备紧缺,具有更高性能并具备节水节能特性的设备成为工业上的主要发展趋势。因此,发展具备更高换热效率,同时能够节省能耗水耗

21、的换热设备十分必要。相比传统的换热设备,蒸发式换热器具有传热效率高、节约能源、节约水资源等优点,在当今世界提倡节能减排,有效利用资源的趋势下,蒸发式换热器在石油、化工、能源、制冷等能耗、水耗较大的行业中有着广阔的应用前景7,并已应用到工业的各个领域,具有良好的工作性能。1.2 蒸发换热器介绍液体在重力的作用下以薄液膜的形式沿壁面向下流动称为液体薄膜流动,也叫降膜流动。将降膜和流动空气相接触,会发生薄液膜和空气之间的热湿交换。如果液膜的尺寸充分小,那么液膜上的温度梯度将会有着非常明显的分布,在相同的操作工况下,相比传统换热器将大大提升换热能力8。降膜蒸发换热过程中气液两相流之间的传热传质效率非常

22、高;水流量较小,可被循环重复利用,消耗量也更小;气相与液相之间的接触面积大,传热传质能够在较短时间内充分发生。利用降膜蒸发时水的汽化潜热传递进行强化传热的换热设备被称为蒸发式换热器。华中科技大学硕士学位论文1.2.1 蒸发换热器运行原理 图1.1蒸发式换热器结构图9蒸发式换热器的结构示意图如图1.1所示,其由空气通道、冷却水循环通道和热流体通道组成:1热流体从热流体入口进入换热元件(管束或者板束的内通道,完成热交换过程之后由出口排出;2冷却水储存在水箱内部,由水泵泵入安装在换热元件上方的布水系统,布水系统将水均匀的布置在换热元件的表面,在换热元件的表面形成一层薄薄的液膜,液膜与掠过的空气发生热

23、湿交换,通过蒸发换热完成换热的强化作用,沿壁面流回安装在换热元件下方的水箱内;3空气从换热器下部的入口由安装在蒸发式换热器顶部的风扇引入,在换热管束或板面间强制流动,与液膜发生热湿交换,并将液膜蒸发的水蒸气和汽化潜热排出换热器外部10-14。1.2.2 板式蒸发换热器蒸发换热器主要按换热元件的不同分为管式蒸发换热器和板式蒸发换热器。这两种换热器的换热原理是一样的,都是利用液膜和强制流动空气之间的蒸发换热强化传热。管式蒸发换热器采用不同的管型(如椭圆管、波纹管、交变曲面异型管、滴型管等15,或改变管束的布置方式强化传热。板式蒸发换热器在管式蒸发换热器的基础上发展而来,板式换热元件相比管式换华中科

24、技大学硕士学位论文热元件布水面积更大,增大了液膜与空气之间的接触面积,因而使蒸发换热的效率更高。因其换热效率更高、易于安装和制造等特点,板式蒸发换热器是蒸发式换热器换热元件的主要发展趋势。 图1.2 波纹板降膜流动16板式换热器按换热板束几何类型的不同可分为平板式换热器和波纹板式换热器。在蒸发式换热器发展初期,由于制造工艺等原因,板式蒸发换热器通常采用平板板束作为换热元件。随着对板式蒸发换热器的研究的发展,越来越多的科研人员开始在垂直流道上设置有规律的凹槽,实验结果表明这些规律的波纹可以强化蒸发换热效应,提升蒸发式换热器的性能。1.2.3 蒸发换热器特点蒸发换热器在板式换热器和空冷式换热器的基

25、础上发展而来,与传统换热器相比较有如下特点:节约能源:首先,蒸发式换热器结合了传统板式换热器和空冷式换热器,减少了水泵的输入功率。其次,蒸发式换热器内的水温接近于湿球温度,相比传统换热器低很多17。节约水资源:传统换热器的冷却水温升大概在6到8左右,每千克水能带走25到34kJ的热量18。由于对水气化潜热的利用,在蒸发式换热器内部,每千克水能华中科技大学硕士学位论文带走2400kJ的热量19。因此,在实际运行过程中,蒸发式换热器所需要使用的水量约为传统换热器所使用水量的5%到15%20,21。易于安装和维护,运行成本低:运行过程中的传热传质两个过程发生在蒸发式换热器内一次完成,因此不需要安装冷

26、却塔。在设备的生产过程中也是一体化生产22。为设备在工程上制造、安装提供了许多便利,利于设备的普及。当设备需要维修的时候,也是按照整体换热元件进行更换,方便易行。由于蒸发式换热器对水资源的利用相比传统换热器更少,也就不会存在因为大量用水带来的各种问题,使运行成本降低。环保:由于该系统换热的介质为空气和水,大大的减少了污染物的排放和降低了对环境的冲击23。紧凑的结构和更小的占地面积:由于蒸发式换热器将换热过程与冷却过程结合在同一个设备里,空气和液膜之间的传热传质同时发生,在提高了换热性能的同时,也使相间换热过程和热量排出的过程的空间占用率更小。与传统的各型换热器相比,其占地面积约为传统换热器的3

27、0%到60%24。有利于节约厂房面积,降低工厂整体成本。1.3 蒸发式换热器研究现状早在19世纪末就已经有工程人员提出利用降膜蒸发原理进行换热器开发这一概念25,受限于缺乏相关的理论和实验研究,蒸发换热器在当时并没有被深入开发和普及。随着对蒸发换热器各类相关研究的不断积累,对蒸发换热器的开发在20世纪得到了一定的发展。对蒸发式换热器的研究主要集中在理论研究和实验研究两个方面。1.3.1 理论研究早期对蒸发换热器的研究主要集中在理论研究层面。Benjamin26在Nusselt的层流降膜理论基础上进一步考虑了界面波动的影响,开展了相关的理论研究,建立了液膜厚度的表达式和液膜的传热系数表达式。该项

28、研究为降膜蒸发理论奠定了一定的基础,对平板上降膜的流动状况有了初步的理论描述。Wayner27,28对壁面上降膜润湿及蒸发的两相流过程进行了数学理论研究,提出了液膜与空气界面内部的平均换热系数方程式,并认为该系数在界面上的分布是不断波动的,介于零到气液界面换热系数的值之间。该项工作不仅研究了壁面降膜的流动状华中科技大学硕士学位论文况,而且对传热传质过程进行了初步的研究,采用了平均换热系数描述该换热过程,提出了基本的总换热系数公式。Thome,Dupont和Jacobi29-32对小尺度通道内的蒸发换热建立了“三区域”流动换热理论,该理论给出了液膜、空气以及相界面之间的局部换热系数,并根据该理论

29、计算得出强周期性变化对换热系数的影响。他们的工作进一步对液膜和空气之间的传热传质进行了考虑,将研究深入到了三种区域内的换热过程,初步提出了一套理想化的换热系数公式。Murthy和Sarma33建立了垂直管内降膜蒸发的理论模型,假定湍流普朗特数等于1考虑了气液相界面间剪应力,及气液相之间的阻尼作用。他们的理论模型给出了传热分系数的显式形式表达式。他们的工作将重点放在了相间力的相互作用了,通过研究气液两相间相互作用力对气液两相流场的分布得出了传热系数,但是有一定的片面性。Baumann34对润湿薄膜的湍流流动和气液两相换热进行了研究,建立了耦合边界和界面条件的控制方程并进行了求解,给出了对薄膜湍流

30、流动的预测情况,考察了第二组分的变化情况对换热性能的影响,得出了气相温度每提高2则会导致界面换热性能下降10%35。该项工作的研究重点为液膜湍动对换热性能的影响,并对气相的体积分数的影响进行了考察,但是该项工作忽略了气相和液相间的相互作用,因此结果存在一定的误差。Parker和Treyball36以水平管蒸发冷却换热为研究对象,研究了湍流下降液膜传热性能,采用了适用于气液相之间存在剪切作用时的湍流普朗特数,得到传热膜系数的方程。Halasz37从热力学角度出发研究降膜蒸发换热过程,对降膜和空气之间的传热传质以及阻力进行分析,建立了一套蒸发换热器通用的宏观数学模型。该模型可以大致得出蒸发式换热器

31、的热力学参数,但是结果较为初步,无法详细预测气液两相传热传质过程。1.3.2 实验研究随着20世纪中后期工业制造、工程技术的不断进步,科研和工程人员也对蒸发华中科技大学硕士学位论文式换热器开展了实验工作。Blanco38建立了竖直光滑管内降膜蒸发的实验平台开展对蒸发式换热器的实验研究,提出控制热阻发生在气液交换界面,提高蒸发式换热器性能应该从此处着手。该项工作采用实验方法,为之后研究提升蒸发换热器性能指出了方向。Holm和Goplen39等人对润湿液膜的自由表面进行了实验研究,并指出液膜和气相之间的换热速率取决于自由表面所具有的能量,他们根据实验结果建立了传热传质效率的经验公式。该项工作从宏观

32、的能量方向对传热传质效率进行了考察。Coenwell40设计出一套能检测换热器内部压降和蒸发换热系数的实验装置,对小尺寸竖直管内的蒸发换热过程进行了研究,提出风压对蒸发换热的影响,并发现窄形椭圆管内会发生间歇干燥的现象,从而影响蒸发式换热器的平均换热系数。他的工作采用实验方法对气侧的影响进行了一定的研究。Yan与Li41,42建立了水平圆管(直径2mm的蒸发换热和压降的冷却换热平台,并根据所得实验数据详细分析了壁面热流和质量流量对换热性能的影响,他们所获得的实验数据对于设计具有更高性能的蒸发冷却装置和空调系统有一定的指导意义。Erens和Dreyer43,44采用实验方法验证了基于蒸发传热传质

33、的理论模型。结果说明假设刘易斯数不变时的数学模型可以应用于小尺寸换热单元,与大尺寸换热单元的误差则会比较大,因此该类型模型可以用于设计的初步阶段,对获得初步参数有着一定的意义。Yang45通过实验对比水平管上液膜蒸发换热和管内部热流体冷凝的换热系数,前者约为后者的50%,比认为整体换热系数的主要影响因素为降膜蒸发的状况。通过比对不同流体的实验结果,指出蒸发换热器会有一定的极限尺寸,换热器的性能受到风压的限制,且不冷凝气体对尺寸的影响非常大,为之后蒸发式换热器的研制提供了一定的基础。Kim46对蒸发式换热器的布水技术的应用进行了研究,将喷淋水系统的各项参数和相对应的换热系数制成图表,反映冷却水布

34、水和换热性能之间的分布关系,作为设计换热器喷淋水系统的参考。沈家龙47对直径为16mm的竖直铜管蒸发换热器进行了实验研究,分析了影响传华中科技大学硕士学位论文热传质的各项因素,根据实验数据得出实验关联式。该项工作得到的实验关联式为之后蒸发换热器的台架设计有一定的指导意义,但是并不具有通用性。朱冬生等人48进行蒸发换热器的性能强化实验,利用填料层强化蒸发式换热器的传热传质效应,结果显示填料层对吸收降膜内余热,降低循环水温度有着一定的影响,得出填料层对蒸发传热传质的强化效应约为20%30%。1.3.3 开展本课题的意义通过对前人的理论研究总结发现,对蒸发式换热器内部降膜蒸发换热过程的理论研究主要集

35、中在液膜流动状态和液膜流动的机理,对降膜侧传热系数进行理论求解。这些理论研究的建立条件过于单一和理想化,没有对影响降膜蒸发换热的因素进行全面综合的考虑,忽略了一些在实际过程中影响较大的因素,当需要对某个具体的工况进行研究的时候就显得力不从心。同时,受限于降膜蒸发换热流场的复杂程度,以上理论研究的结果都各有侧重,具有一定的片面性,只得出了流场分布上某一特定方面的结果,当需要得到更为全面的降膜蒸发换热过程的结果时,这些理论就无用武之地了。总之,理论研究为进一步开展对蒸发式换热器的研究打下了基础,而随着对蒸发换热器研究的不断深化,以及对实际应用中蒸发换热器性能提升的迫切需要。理论研究要应用到更为复杂

36、的实际工作中时,还有更多的工作要对理论研究进行检验、转化、复杂化以及深化。通过对前人的实验工作进行总结发现,传统实验手段一般在相似理论的基础上建立实验平台,对换热器内降膜蒸发传热过程进行研究。通过测量仪器获取实验数据,进而对实验结果进行处理,最后总结出描述换热器传热性能和各影响因素之间关系的经验公式,指导换热器的工程设计。实验方法在特定的工况和尺度下具有可靠性和准确性,然而随着蒸发式换热器的应用向多样化和复杂化的趋势发展,传统的实验手段已经难以满足蒸发式换热器研究和开发的需求。蒸发式换热器内的降膜蒸发传热过程非常复杂,实验的方法多局限于对出入口端压力、温度及速度的测量,通过回归分析得到蒸发式换

37、热器的传热规律49,但是实验结果难以反映蒸发式换热器内部流场和温度场等的分布,如果想要得到流场内部流动和温度的具体分布信息,则需要设置更多的仪器,不仅提高了实验成本,同时因为降华中科技大学硕士学位论文膜蒸发换热流场内横向的尺度很小,仪器对液膜等流体的干扰也较大,测量的精度和准确性也难以保证。目前,蒸发式换热器的设计一方面依靠理论研究推导出的各类传热系数表达式,但是由于理论研究无法综合全面的考虑影响流场的各类因素,根据单纯的传热系数表达式预测的结果和实际相差很大,不能很好的起到指导作用;另一方面蒸发换热器的设计也依据实验研究总结出的经验公式,这类经验公式在特定的尺寸和工况下具有较好的准确性,能够

38、起到一定的指导作用,但是由于蒸发换热器的应用工况复杂多变,这类经验公式和结果无法普遍应用到整个蒸发换热器的设计中去,具有很大的局限性。近年来,计算机硬件不断发展,运算能力不断提高,采用计算机实现解算流场内微分控制方程获得解析解成为可能,计算流体力学和计算传热学因此得到大幅发展。结合了计算机科学、流体力学和数值计算的科学叫做计算流体力学(CFD,计算流体力学和数值模拟逐渐成为一种非常有效的研究手段,广泛应用于科学研究中。采用计算机数值模拟对降膜蒸发换热进行研究,可以弥补理论研究的不足,对复杂的降膜蒸发换热流场进行模拟,能较为全面的考虑影响流场流动、换热的各方面因素。同时将理论研究成果应用到计算机

39、数值模拟中,起到了将理论研究进行深化的作用,可以对实验设计和工程应用进行指导;解决了实验研究的局限性,拓宽实验研究的操作范围,而且没有实验中存在的测量误差,并能得到整个降膜蒸发换热流场内的各项参数分布。对模拟结果进行分析,可得出更为全面的结论。因此本文的目的是开展对蒸发式换热器内部的降膜蒸发换热进行数值模拟,通过模拟结果分析影响蒸发换热性能的各项因素,并利用模拟的结果指导设计实验台架。1.4 主要研究内容本课题主要研究对象为对板式蒸发换热器内部的气液两相流流场。通过对气液两相流流场进行数值模拟,验证数值模型的可靠性,建立具有相当可靠性的数值模拟方法;对模拟数据进行分析,总结出各工况是如何影响传

40、热传质和流场分布的,给出板式蒸发换热器的操作区间;并依据模拟数据指导设计试验台架,为接下来的工作做准备。研究计划如图1.3。华中科技大学硕士学位论文 图1.3 研究计划第一章给出了蒸发式换热器的详细介绍,包括研发背景、研发现状和研究意义。第二章从工程应用中的蒸发换热器中建立物理模型,并在该物理模型的基础上详细分析蒸发式换热器内部的换热过程,并建立气液两相流的数学模型。为进一步研究多相流换热的CFD模拟打下基础。第三章采用VOF模型,并在其基础上用UDF代码对传热传质过程进行定义,在不同的工况下对气液两相流的流场进行了数值模拟,在验证了模型的可靠性的前提下改变各边界条件,对流场以及换热性能的影响

41、进行了分析。第四章在第三章的基础上继续深化模拟,在传热传质UDF的基础上加入了表面张力动量源项,考虑了液膜与壁面之间的相互作用,采用波纹板作为传热壁面,考察模型在各个工况下的换热状况,比较分析了波纹板与平板之间的换热性能。并设计了一套实验装置。第五章对本研究进行总结,提出下一步工作的展望。华中科技大学硕士学位论文2 降膜蒸发传热过程的数学物理建模2.1 前言利用计算机对一系列控制方程组进行求解获得解析解的过程称为数值模拟,数值模拟是建立在对物理问题进行正确分析和合理的数学模型基础之上的。没有合理完善的数学模型,数值模拟就无从谈起。本章根据板式蒸发换热器内实际的流动换热,分析其具体的传热过程和蒸

42、发过程,建立一套降膜蒸发换热过程的物理模型,并在物理模型的基础上建立定义流场内各项参数的数学控制方程:包括定义流动的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程等,定义两相分布的体积分数方程和定义两相间传热传质过程的边界方程。这些数学方程构成了定义流场内流动、传热、多相分布的数学模型,为之后进行降膜蒸发的数值模拟提供了理论指导,打下了基础。2.2 降膜蒸发换热的物理模型对蒸发式换热器内部流场进行分析,图2.1为蒸发式换热器内部流场示意图:热流体在板的内壁面通道里流动,外壁面上均匀覆盖着一层薄液膜,液膜沿外壁面向下流动,空气以一定的速度掠过液膜表面,与液膜发生蒸发换热。华中科技大学硕士学位论文 图2.

43、1 流场流动传热示意图对板式蒸发换热器内部的换热过程进行分析,共分为以下五个步骤:1热量从热流体传导至板壁的内表面,这一阶段称为热流体的冷却;2热量由内壁面导热至外壁面,这一阶段被称为壁面导热;3热量由外壁面通过对流换热传导至液膜,由于壁面上降膜湍动流场非常复杂,液膜内部的导热机制尚不明确;4热量通过液膜的蒸发,以汽化潜热的形式由液膜转移至空气中,还有一小部分热量通过液膜和空气之间的对流换热以显热的形式传导至空气中,这部分热量相比汽化潜热数量级非常小,可以忽略不计。由于液膜的蒸发不完全,余热由液膜携带流出板外;5热量被强制流动的空气带出蒸发换热器,热量的排出会促进液膜和空气之间的蒸发传热效应。

44、从分析可以看出,竖直板上的降膜在整个换热过程中起到了非常关键的作用:一方面液膜吸收了由热流体传导至壁面的大量热量,另一方面液膜通过蒸发转热传质,将大量的热量通过汽化潜热的形式传导至高速流动的空气中,起到了强化传热的作用。华中科技大学硕士学位论文 图2.2 气液界面边界蒸发示意图对液膜和空气界面处发生的蒸发现象进行分析,图2.2为液膜表面和空气之间蒸发的物理模型,由图可见在液膜和空气接触的表面有水分子脱离该表面进入空气,空气中也有水蒸气分子进入液膜表面。空气中的水蒸气分压为蒸发的主要驱动力,当空气为未饱和空气时,水分子不断由液膜进入空气,发生相变,吸收能量,将热量以汽化潜热的形式转移到空气中。本

45、小节对板式蒸发换热器内部的换热过程和液膜与空气之间的蒸发换热过程进行分析,基于以上分析,建立物理模型。蒸发式换热内部的流场为具有自由表面的气液两相流,气液之间的相互作用为相间的传热传质:垂直平板被一层温度保持为T L,in,流率保持为m L,in的薄液膜润湿。液膜暴露在同向强制流动的空气流中,空气流的速度保持为U G,温度保持为T G,空气中水蒸气的浓度为W v,液膜的厚度为L(x,液膜向空气中蒸发的水蒸气的蒸发通量为m v,i,汽化潜热为q e,i,显热为q s,i。本文主要研究对象为板外降膜流动以及降膜与空气间相互作用,不考虑板内热流体流动的状况和壁厚的影响,将热流体传导的热量简化为壁面上

46、恒定的热流量 q w。物理模型如图2.3所示。华中科技大学硕士学位论文 图2.3 物理建模2.3 数学模型液膜沿加热的板面向下流动,一部分液膜表层的水蒸发扩散至流动的空气中。热量由具有恒定热流量 q w的壁面传递给液膜,与此同时质量传递和热量传递同时发生在气液两相的界面上,将部分热量传递给空气。液膜和空气的流动状态是影响界面传热传质的主要因素。而气液界面剪切力和蒸发影响液膜的流动,蒸发的水蒸气组分、气液界面剪切力和气液界面的表面张力影响空气的流动。在该物理模型的基础上建立流场的控制方程组。2.3.1 流场控制方程由于模型中只考虑较低的流速,则动量方程中惯性项的值相比体积力项的值很小,可以被忽略

47、50。对于薄液膜来说,速度和温度的纵向梯度远远小于横向梯度。在这样的简化条件下,液膜的动量和能量方程可以由如下方程描述:X方向上的动量方程51:0=y (LðLðy+L g(2-1华中科技大学硕士学位论文能量方程52:L C PL u LðT Lðx =y(LðT Lðy(2-2利用边界层假设,以下方程用来描述气流的对流换热以及流动:连续性方程53:x (G u G+ððy(GG=0(2-3X方向上的动量方程54:G(u Gu Gx +Gu Gy=ððy(U Gu Gy+(Gg(2-4能量方程5

48、5,56:G C PG(u GT Gx +GT Gy=ððy(GT Gx+G D(C pvC paT GyW vy(2-5水蒸气的组分输运方程57:G(u GW vx +GW vy=ððy(G DW vy(2-6以上方程为流场的主要控制方程,定义了降膜蒸发气液两相流各相的流动状况,是计算流体力学中最基本的方程组。因为液膜蒸发,由液态水相变为水蒸气进入空气,因为空气被考虑为是氧气、氮气和水蒸气的混合物,因此需要在气侧添加水蒸气组分输运方程。2.3.2 体积分数方程图2.4为多相流种类的示意图,由图可以看出降膜流动属于气液两相流中的自由表面流:两相间的界面明

49、显,两相无不掺混。多相流的类型不一样,对其相分布的控制方程也不一样。对于本文所研究的自由表面流,采用VOF方法最为合适。华中科技大学硕士学位论文 图2.4 多相流种类58VOF方法又称体积分数法,通过计算第j相的体积分数的函数分布确定气液界面的位置。某个单元内j=0说明单元内不存在j相;j=1说明单元内充满了j相;若0<j<1,则说明该单元内有相间的界面,为混合相59-61。ðj+uj=0(2-7ðt该体积分数的控制方程将于流场流动的控制方程一起联立求解,可以获得降膜蒸发流场内部的两相分布。2.3.3 界面处传热传质方程由于气液两相之间存在着质量和热量的传递过程

50、,而且蒸发进入空气的水蒸气对空气的流动影响非常大,带走的汽化潜热对温度场的影响也非常明显,所以不能忽略。因此本小节将对由液相向气相转移的水蒸气质量m v,i(传质过程和因水蒸发带走的汽化潜热q e,i(传热过程的数学表达式进行推导,通过该表达式定义气液两相之间的传热传质,并总结出气液相界面处总的传热热流密度的表达式。华中科技大学硕士学位论文1假定气液界面为半渗透,即界面处y方向上空气的溶解度为0,则界面处水蒸气的横向速度v G.i为:v G.i=(D1W v,i (ðW vðyG,i(2-8式中,D为水蒸气在空气中的扩散系数,W v,i为空气中水蒸气的质量分数,ð

51、W vðy为水蒸气质量分数的梯度在y方向上的分量。假设气液界面为热力平衡状态,空气与水蒸气的混合物为理想气体,则空气中水蒸气的质量分数可以由下式计算62:W v,i=M v P v,iM a(PP v,i+M v P v,i(2-92根据界面处水蒸气的横向速度可以求得水蒸气的蒸发通量,亦即相间质量传递的大小:由2-9式得出蒸发过程中水蒸气的蒸发通量m v,i:m v,i=G,i v G.i=(G,i D1W v,i (ðW vðyG,i(2-103根据求得的水蒸气蒸发通量,可的水带走的汽化潜热大小。由2-11式得出蒸发过程中水带走的汽化潜热q e,i为:q e,i

52、=LG m v,i=(G,i D L,G1W v,i (ðW vðyG,i(2-11式中,P v,i为水蒸气在气液界面处的的饱和分压力。4根据2.2中建立的物理模型,气液相之间还存在通过气液相间的对流换热进行显热传递,显热传递q s,i的表达式根据对流换热理论为:q s,i=(GðT Gðy G,i(2-12式中,G为液膜和空气之间的对流换热系数,ðT Gðy为空气温度的梯度在y方向上的分量。5根据求得的汽化潜热和显热大小可得界面处总的传热热流密度q i为:q i=q s,i+q e,i=(GðT Gðy G,i(

53、G,i D L,G1W v,i(ðW vðyG,i.(2-13式2-13说明,在强制流动空气和液膜之间的能量交换主要由两个因素所决定:气华中科技大学硕士学位论文侧的界面处温度梯度影响显热传递,界面处的质量分数梯度主要影响潜热传递。在本课题的物理模型中,汽化潜热的大小远大于显热传递的大小,显热传递可以忽略不计。上述方程中,液膜与空气在界面处混合相的热力学参数为各组分体积分数的函数。根据单元中某相的体积分数,利用混合原理63可得出混合相的参数,如界面处混合相的密度为=LL+GG(2-14 此外,气液界面的波动和气流与滴状水之间的相互作用会对传热传质起到非常大的影响,尤其是当液膜

54、与气流之间的相对运动非常大的时候。但是这个过程更为复杂,所以并不在本课题的讨论之列。2.4 本章小结本章通过对蒸发换热器内部的工作过程进行适当的简化,分析其整体的换热过程、降膜蒸发流动过程和液膜与空气界面处的蒸发机制,建立物理模型,并在物理模型的基础上建立流场控制方程、相体积分数方程和界面控制方程,建立了定义整个流场内部流动状况和传热状况的数学模型。其中,求解多相流流场中相的体积分数分布时必须与非稳态的流动方程组联立,因此选取二维非稳态Navier-Stokes方程作为流场的控制方程。同时,通过界面控制方程描述了相间汽化潜热传递的大小和蒸发通量,解决了如何定义相间相互作用的问题。数值模拟是以这

55、些微分方程组为基础的,通过对控制方程组进行有限差分求解数值解,可以获得流场中各个参数的分布如温度场、速度场和压力场等。为了确保数值模拟的正确性,本章所做的工作为接下来建立计算机数值模拟模型打下了基础。华中科技大学硕士学位论文3 平板降膜蒸发数值模拟3.1前言通过将物理模型和数学模型转化为计算机建模,进行数值模拟,并将模拟结果和其他科研人员的实验结果进行比对,对该计算机建模的可靠性进行验证,如果计算机建模的数据偏差过大,则需要对计算机模型进行不断的调整,直到计算机模型的结果能和实验结果吻合较好。在计算机模型可靠性得到验证的前提下,才能采用该计算机模型对不同工况进行数值模拟,并对结果进行分析。本章

56、在上一章建立的数学和物理模型的基础上开展对平板降膜蒸发过程的数值模拟。在各类流场基本控制方程的基础上采用用户自定义函数对数学方程进行转化,定义相间传热传质过程,采取合适的网格划分方法和解算方法,建立了计算机模拟模型。在验证了计算机模拟模型可靠性的前提下,针对不同的工况进行数值模拟,并对所得的结果进行分析。3.2 几何建模与网格划分 图 3.1 几何建模华中科技大学硕士学位论文用于FLUENT模拟的几何模型如图3.1所示:标签A为水进口、标签B为空气进口;标签C为带有恒定热流的壁面、标签D为一绝热壁面;标签E为流畅出口,标签F为流场区域。 图3.2 网格模型网格划分如图3.2所示,建模的网格划分方法为:依据流场的几何结构采用uniform quad mesh method网格划分方法;出于对收敛速度和收敛稳定性之间的平衡性的考虑,网格单元大小设置为0.0001m。3.3 数学模型流场内的三个基本守恒控制方程为质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。如果流体流动为湍流,还需要加上湍动输运方程。在本课题研究的多相流传热传质中,由于空气被考虑为氮氧与水蒸气的混合物,所以整个系统内还需加上组分输运方程。3.3.1 控制方程组质量守恒控制方程:(+(u=0(3-1t华中科技大学硕士学位论文动量守恒控制方程:t(u+(u u=P+(u+