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      豎管降膜結構變量對液膜流動特性的影響

      發布時間:2019年10月16日 點擊數:1354

      降膜蒸發冷凝器是一種高效的蒸發換熱設備,具有溫差推動力小、工作壽命長、結構緊湊及壓降小等優點,被廣泛應用于石油、化工和海水淡化等領域。按液體分布壁面的形式,降膜蒸發冷凝器主要分為板式、豎直管式及水平管降膜蒸發器等。近年來,隨著能源的短缺和環境的惡化,豎管降膜蒸發器因其換熱效率高、占地面積小備受人們的關注。

      針對氣-液界面上復雜的相互作用導致的液膜無規則變形、波動等復雜運動現象,國外學者對降膜蒸發過程中波的特性進行了大量研究。Sekine與Kumada等[1]通過實驗采用容積法測量了液膜的波形和速度特性。Mudawar 等[2]通過實驗評估大波在降膜液膜質量和動量傳遞中的作用,結果表明在降膜的薄膜層中,大部分流量通過大波傳輸。Kil 等[3]使用積分方法分析了在垂直圓管上具有波浪的降膜波長,研究顯示波的特性與參數有關。Miraya[4]最初提出用數值模擬的方法研究傾斜板上降液膜交界處波的流動和傳熱特性,提出孤立波由大振幅滾波和小振幅毛細波組成。Shmerler等[5]通過實驗研究了自由下落湍流液膜的顯式加熱,給出了平均全展開傳熱系數與雷諾數和普朗特數的關系。國內學者就降膜管型做了大量的研究,朱曉靜、陳自剛等[6,7]對水平圓管的瞬態降膜過程與影響降膜的變量進行了數值模擬和試驗驗證。趙志祥、譚起濱、羅林聰和張猛等[8,9,10,11,12]對異型管進行降膜分析,指出異型管降膜在降膜分布和傳熱傳質效率上存在很大優勢。劉升等[13]模擬了較高流速下強迫豎直圓管的降膜,分析了液膜前段的托舉現象。

      實際的氣-液兩相逆流傳熱傳質過程中的液膜形態變化、速度變化、溫度變化和流場中的壓力分布相當復雜,前人對降膜冷卻的研究主要集中在橫管實驗研究和模擬上。文中采用FLUENT軟件對豎管降膜的結構變量進行數值模擬,為豎直管式降膜蒸發冷凝器結構和性能的優化提供理論支持。

      1 豎管降膜建模

      1.1 計算模型

      以錐形液體分布器做液膜分布器,模擬不同液膜分布器結構參數對降膜膜厚、速度與對流換熱強度的影響。豎管降膜結構見圖1。以圖1中錐形分布器下部豎直圓管為計算模型,圓管直徑45 mm。計算模型作如下假設,①圓管壁厚對兩相傳熱、傳質影響很小,故忽略壁厚。②圓管為軸對稱圖形。

      降膜蒸發冷凝器工作時,錐形分布器的插件與圓管形成一定的環形縫隙,降膜冷卻液從間隙處流過覆蓋在圓管壁面上, 使得液膜均勻分布。 錐形分布器中心為空的圓柱體,也是空氣的出口。錐形分布器下端為凹型,可防止液體在下端集聚。

      圖1 豎管降膜結構

      圖1 豎管降膜結構   下載原圖

      1.2 網格模型

      圖1所示的豎管降膜結構為旋轉軸對稱圖形,建立二維平面模型并采用四邊形網格對其進行劃分,所得模型網格劃分圖見圖2。

      圖2 豎管降膜結構二維模型網格劃分

      圖2 豎管降膜結構二維模型網格劃分   下載原圖

      為清晰捕捉氣-液與液-固交界面的流動,對管壁附近作加密處理,比較了不同網格數下的液膜厚度值,見圖3。

      圖3 不同網格數下液膜膜厚值

      圖3 不同網格數下液膜膜厚值   下載原圖

      經網格無關性驗證,網格數為54 649、103 681和192 743時的液膜厚度值相差不大,綜合考慮模擬的精度和計算機的運行速度,最終采用網格數103 681進行模擬計算。

      1.3 數學模型

      連續性方程(質量守恒):

      ρt+(ρV)=0 (1)

      動量守恒方程:

      t(ρv)+(ρvυ)=-p+μ(v+vΤ)+ρg+F(2)

      能量守恒方程:

      t(ρE)+[v(ρE+p)]=(keffΤ)+Sh (3)

      對于大流量、小縫隙的環流降膜,采用湍流計算更貼合實際情況,本模擬中根據流質的湍動特性采用RNG k-ε模型。

      湍動能k方程:

      t(ρk)+xi(ρkui)=xj(αkμeffεxj)+Gk+Gb-ρε-YΜ+Sk(4)

      擴散ε方程:

      t(ρε)+xi(ρεui)=xj[(μ+μtσε)εxj]+C1ε(Gk+C3εGb)-C2ερε2k+Sε(5)

      式(1)~(5)中,ρ為流體密度,kg/m3;V為流體體積,m3;p為壓力,Pa;μ為動力黏度,μeff為有效黏度,kg/(m·s);g為重力加速度,m/s2;F為體積力源項,kg/(m2·s2);v為流體速度沿重力方向的速度分量,u為垂直重力方向的速度分量,m/s;E為能量,J;T為溫度,K;keff為有效熱傳導系數;μt為時間t下的流體黏性系數;Sh為流體源項;k為紊流脈動動能;Gk為由層流速度梯度而產生的湍流動能;Gb為由浮力產生的湍流動能;ε為紊流脈動動能的耗散率,%;YM為可壓縮湍流中過渡擴散產生的波動;Sk與Sε為用戶自定義參量,C1ε、C2ε和C3ε為常量,αk與σε為k方程與ε方程的湍流普朗特數。

      1.4 邊界條件

      液相入口為速度入口,氣相入口為壓力入口,液相和氣相出口均設為壓力出口,參考壓力均為大氣壓。液體與壁面的接觸角設為0°,液相入口的體積分數為1,管內充滿空氣。氣相與液相的進口溫度均設置為300 K,壁面作為交換熱源的源頭,溫度設置為350 K。圓管中心軸線作為對稱邊界條件。

      1.5 數值計算方法

      多相流模型選用數值模擬方法中應用較為廣泛的VOF算法。定義空氣為主相,冷卻水為第二相。湍流模型選用RNG模型,采用有限體積法(FVM)控制方程的離散,壓力-速度耦合算法適用于非穩態計算的PISO算法,壓力離散方式選用Presto算法,動量方程與氣-液面追蹤方法均選用精確度很高的二階離散格式。降膜流動的流體物性參數見表1。

      表1 降膜流動流體物性參數 導出到EXCEL


      介質
      ρ/(kg·m-3) 比定壓熱容/
      (J·kg-1·K-1)
      導熱系數/
      (W·m-1·K-1)
      μ/(kg·m-1·s-1) 表面張力/
      (N·m-1)

      冷卻水
      998.200 4 182 0.600 0 1.003×10-3 0.072

      空氣
      1.293 1 456 0.025 3 1×10-4

      2 結果因素對豎管管內液膜影響分析

      2.1 布膜器環縫隙寬度

      在豎管內冷凝水與管壁的蒸發冷凝換熱過程中,布膜縫隙處的寬度對液膜膜態、膜厚分布及傳熱和傳質效果的影響不明朗。以文獻[14]中的降膜寬度為依據,采用控制變量法,保持其它變量不變,以不同的環縫隙寬度(液體分布器下端與管壁的距離)W為模擬研究變量。噴淋量為0.74 kg/(m·s),環縫隙寬度W為1.2 mm、1.5 mm、2.0 mm時,豎管管壁降膜的液膜膜厚δ與x方向分速度vx沿管長L的分布情況分別見圖4和圖5。

      圖4 噴淋量為0.74 kg/(m·s)而環縫隙寬度不同條件下液膜膜厚δ與管長關系

      圖4 噴淋量為0.74 kg/(m·s)而環縫隙寬度不同條件下液膜膜厚δ與管長關系   下載原圖

      圖4中δ曲線的波峰對應圖5中vx曲線的波谷,波谷對應著波峰。圖4中δ曲線的波峰越高,圖5中相應的vx越小。圖4中上段液膜平穩,附著良好,下段為不規則的液膜凸起,凸起由孤立波、小張力波和層流底層組成[15]。由此也印證了文獻[16]中的膜厚分布并非簡單的簡諧振動的結論。隨著環縫隙寬度的增大,液膜在重力、表面張力和黏附力的作用下,膜態分布先穩定后趨于波動,基層膜厚逐漸減薄,液膜凸起增高。圖5c中vx在W=2.0 mm時出現方向向左的最大值,是因為降膜量增加,加速度增大,阻力也隨之增大。

      圖5 噴淋量為0.74 kg/(m·s)而環縫隙寬度不同條件下vx與管長關系

      圖5 噴淋量為0.74 kg/(m·s)而環縫隙寬度不同條件下vx與管長關系   下載原圖

      數值模擬得到的努塞爾數Nu與環縫隙寬度關系曲線見圖6。從圖6可知努塞爾數隨環縫隙寬度的增大而增加,液膜對壁面的換熱能力加強。

      圖6 Nu與環縫隙寬度關系曲線

      圖6 Nu與環縫隙寬度關系曲線   下載原圖

      降膜寬度的增加,液膜凸起個數即回流區個數增加,加之基層膜厚的減薄是液膜對流換熱強化的主要原因。但對流換熱強度在寬度W=1.5 mm相比W=1.2 mm時增加了4.3%,在寬度W=2.0 mm比W=1.5 mm時增加4.8%,可見增大降膜寬度一定程度上可增大液膜的冷卻能力,但效果不明顯。

      2.2 空氣入口寬度

      逆向流動的空氣作用是把液膜表面熱對流傳遞得到的熱量與蒸發的水蒸氣分子帶走,從而起到冷卻作用。文中模擬了在噴淋量為0.74 kg/(m·s)和環縫隙寬度為1.2 mm時不同空氣進口寬度B下的液膜分布情況,見圖7。

      圖7 不同空氣進口寬度下液膜降膜膜態分布

      圖7 不同空氣進口寬度下液膜降膜膜態分布   下載原圖

      圖7表明,隨著B的增大,液膜波動程度整體逐漸增大,液膜凸起增高,凸起的形態逐漸呈現出不規則性,出現液滴飛濺的現象。B=6 mm時液膜的形態為低振幅對稱波,B為12 mm與18 mm時液膜形態轉化為高振幅側向波,這與文獻[17]中實驗研究的膜形態結構相一致。

      從圖7a~圖7c和圖4c中可看到,隨著B的增加,整體上的液膜波動程度或范圍逐漸增大。原因是B增大,空氣通量增加,蒸汽壓差逐漸增大, 液膜蒸發加快,下段管壁的液膜持液量減少,再加之空氣阻力的增大,使得液膜波動增大并向上端移動。在B≥12 mm時,基層膜厚出現最小值,但無干斑,說明液膜的附著性良好。

      數值模擬得到努塞爾數Nu與空氣進口寬度關系曲線見圖8。

      圖8 Nu與空氣進口寬度B關系曲線

      圖8 Nu與空氣進口寬度B關系曲線   下載原圖

      從圖8可知,液膜與壁面的對流傳熱強度隨空氣進口寬度的增大而增大,空氣進口寬度增大,即空氣通量增大,蒸發的水汽所攜帶的熱量能很快被帶走,液膜的表面更新速率加快,尤其在降膜的下端,有較薄的基層液膜、大的波動和波動范圍,且波動凸起中存在著回流區,故而管壁對液膜的傳熱熱阻較小,傳熱得到加強。B=18 mm時的Nu比無空氣通過時的Nu增加14.8%。

      2.3 管長

      管長對液膜的均勻性分布起著至關重要的作用,模擬在環縫隙寬度W=1.2 mm和空氣進口寬度B=18 mm條件下液膜厚度δ與液膜在x方向分速度vx沿管長的分布,分別見圖9和圖10。

      圖9 W=1.2 mm、B=18 mm而管長不同條件下δ與管長關系圖

      圖9 W=1.2 mm、B=18 mm而管長不同條件下δ與管長關系圖   下載原圖

      圖10 W=1.2 mm、B=18 mm而管長不同條件下vx與管長關系

      圖10 W=1.2 mm、B=18 mm而管長不同條件下vx與管長關系   下載原圖

      由圖9和圖10可知,L=0.3 m時液膜的潤濕性良好,δmin=0.47 mm;0.4 m≤L≤0.6 m時液膜的分布情況基本一致,均是在L=0.3 m后出現大的波動。由膜厚的波動范圍分別為0.18~2.6 mm、0.19~2.8 mm和0.10~5.1 mm可知,這種波動程度隨著管長逐漸增大。在L=0.7 m時,液膜凸起的駝峰狀波最高、最多,波動程度最劇烈,基層液膜厚度最薄,在降膜距離的L=0.52 m、0.6 m、0.64 m和0.69 m處,此時的vx達到最大值,δ幾乎為0,管壁形成干斑,無法完整地潤濕壁面,壁面干燒嚴重,設備的使用壽命降低。

      分析其原因為,①管長增加,液膜的覆蓋面積增大,冷卻液在慣性力的作用下難以在大面積的管壁上附著。②流體在管壁下端的流動阻力逐漸加大,并產生較小的vx值,使得液膜的局部堆積嚴重,液膜不能及時輸送,液膜出現斷裂。③降膜過程中隨著蒸發不斷進行,管長越長,管壁下端的持液量越少。④液膜流動的距離越長,溫度就越高,液膜的毛細吸附能力減弱[15],液膜極易脫離壁面。故而降膜管越長,液膜的穩定性越差。由此可知在L≤0.6 m時,液膜的附著性是良好的。

      數值模擬得到的Nu隨管長的變化關系曲線見圖11。

      從圖11可知, Nu隨著降膜管長的增加而增大,即對流換熱強度在逐漸增大,一方面管長越長接觸越充分,液膜吸熱越多,換熱越充分。另一方面降膜下段波動程度逐漸增大,液膜更新速率加快,從而液膜對管壁的吸熱增強。L=0.7 m時的換熱強度比L=0.3 m時增長了1.72倍,相比降膜寬度與空氣進口寬度,管長因素在降膜換熱中起著更重要的影響作用。

      圖11 Nu與管長關系曲線

      圖11 Nu與管長關系曲線   下載原圖

      3 結語

      通過數值模擬的控制變量法對降膜寬度、空氣進口寬度和管長進行了管壁上液膜的膜態分布和傳熱特性研究。數值模擬研究得出的結果表明,在一定的噴淋量下,環縫隙寬度越大,液膜的波動程度先穩定后波動,Nu逐漸增大。在環縫隙寬度W=1.2 mm條件下,隨著空氣入口寬度的增大,液膜的波動性增大,B=18 mm時液膜的傳熱特性最好。在環縫隙寬度W=1.2 mm、空氣進口寬度(模擬區域)B=18 mm時,隨著管長的增大,液膜的穩定性逐漸降低,但液膜對管壁的對流換熱強度逐漸增大。從Nu可知,在設計降膜蒸發冷凝器時,應優先考慮管長,空氣進口寬度次之,降膜寬度最后,管長能夠使管壁對液膜的傳熱傳質機理充分實現,實現冷卻效率的最大化。

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