靳文博，蔡玉強

(河北理工大學機械工程學院，河北唐山 063009)

0 引言

蒸汽壓縮蒸餾裝置是空間站進行廢水回收的關鍵設備，盡管美國2008年已經(jīng)在空間站采用了該項技術，但我國蒸汽壓縮蒸餾裝置的設計理論的研究仍處在起步階段。蒸發(fā)器是蒸汽壓縮蒸餾裝置實現(xiàn)尿液廢水蒸發(fā)的關鍵部件［1-2］，蒸發(fā)器的結構、運動參數(shù)的選擇直接決定著蒸汽壓縮蒸餾裝置的產(chǎn)水率等技術指標。

目前蒸發(fā)器的結構、運動參數(shù)等對蒸發(fā)器內溫度場的影響目前在我國尚未取得理論上的突破和實驗上的揭示。正因如此，為了弄清蒸發(fā)器的結構、運動參數(shù)、蒸發(fā)器加熱溫度等對蒸發(fā)器內溫度場的影響，本文采用FLUENT軟件，對蒸發(fā)器的溫度場進行了數(shù)值模擬。

蒸汽壓縮蒸餾裝置工作原理［3-4］如圖1所示:蒸發(fā)器與冷凝器有同一個金屬壁，蒸發(fā)器旋轉產(chǎn)生離心力迫使液膜緊貼在轉鼓內壁，以保證了有效的熱傳導，蒸發(fā)器內尿液的加熱熱源來自于冷凝器內的水蒸汽的冷凝潛熱，通過其共用的金屬壁來實現(xiàn)熱量從冷凝器到蒸發(fā)器的熱傳導。

圖1 蒸汽壓縮蒸餾裝置(蒸餾單元)

1 控制方程及湍流模型

1.1 控制方程

根據(jù)質量守恒定律:單位時間內流體微元體中質量的增加，等于同一時間間隔內流入該微元體的凈質量。質量守恒方程又稱連續(xù)性方其方程可由下式表示:

式中:

ρ—流體的密度;

t—時間;

ux—速度在x方向的分量;

uy—速度在y方向的分量;

ux—速度在z方向的分量。

若流體是不可壓縮流體，則密度ρ為常數(shù)，則式(1)可簡化為:

流經(jīng)控制體的流體應滿足動量守恒定律，即微元體中流體的動量隨時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種外力之和。對于不可壓縮流體，其動量守恒方程為:

式中:

Fx—微元體上的體積力在x坐標軸上的分量;

Fy—微元體上的體積力在y z坐標軸上的分量;

Fz—微元體上的體積力在z坐標軸上的分量。

含有熱交換的流動系統(tǒng)必須滿足能量守恒，依據(jù)能量守恒定律，微元體中能量增加率等于進入微元體的凈熱流通量機上質量力于表面力對微元體所做的功，能量守恒如下:

式中:

E—流體為微團的總能;

hj—組分j的焓;

keff—湍流熱傳導系數(shù);

Sh—包括化學反應熱及其他定義熱源項，針對本文為0。

1.2 湍流模型

湍流模型采用Realizablek－ε模型，該模型適合的流動類型比較廣泛，包括有旋均勻剪切流、自由流(射流和混合層)、腔道流動和邊界層流動［7］。Realizablek－ε模型的湍動能及其耗散率輸運方程為:

Gk—由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生;

Gb—由于浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生;

2 計算模型與方案

(1)蒸發(fā)器幾何模型:設計的蒸發(fā)器模型要達到的標準為:尿處理系統(tǒng)的產(chǎn)水率為18.1 kg/d，滿足3名乘員的使用。幾何模型經(jīng)簡化如圖2所示:模型為直徑為260 mm的柱體，的軸向長度為245 mm。

圖2 蒸發(fā)器幾何簡化模型

以為尿液為工作介質，尿液物理性質如表1所示。

表1 尿液的物性參數(shù)

(2)有限元模型:使用專業(yè)的CAE前處理軟件ICEMCFD，對蒸發(fā)器幾何模型建立三維六面體網(wǎng)格，六面網(wǎng)格的自適應能力對于精確求解有較大梯度的流場具有很實際的作用［5-6］建立的網(wǎng)格模型為0.005 mm*0.01 mm*0.05 mm，經(jīng)比較，小于此計算網(wǎng)格，結果幾乎不變，求出的解是收斂的、穩(wěn)定的，可以為為Fluent分析模擬提供高效可靠的分析模型。計算域部分的1/4網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 計算域1/4網(wǎng)格模型示意圖

(3)邊界條件:計算模型的以流量入口為邊界條件，進口流量為1.5 L/min;入口溫度恒定，初始溫度為35℃(即308 K);假設流體不可壓縮;固體表面處加以恒定的溫度，固體壁面為無滑移固體壁面;設備內的真空度為92.68 kPa，此時尿液的沸點約為即為43℃(即316 K)。

(4)算法及控制方程離散方案:采用離散的隱式方法;粘度模型選取Realizablek－ε模型，蒸發(fā)器內部的流動狀態(tài)為旋轉流動;壓速耦合方法采用的是SIMPLE算法;壓力離散方法采用PRESTO!格式;對動量方程采用二階迎風差分格式進行離散，收斂判據(jù)為各項參數(shù)的殘差小于10－3。

(5)計算方案:Fluent對旋轉蒸發(fā)器在低真空度條件下，假設不產(chǎn)生相變，改變旋轉速度與旋轉蒸發(fā)器壁加熱溫度兩個參數(shù)，觀察尿液在蒸發(fā)器里的分布，并且分析發(fā)器內平均溫度沿膜厚方向與軸向位置的分布，研究轉速與加熱溫度對蒸發(fā)器內部尿液溫度場的影響。根據(jù)文獻［4-6］選取的轉速分別為60 r/mim、140 r/mim、220 r/min、280 r/min;選取加載溫度分別為45℃、50℃、55℃、60℃。

3 結果分析

3.1 旋轉速度對液膜分布的影響

尿液在不同轉速下所形成的液相分布如圖4所示:旋轉蒸發(fā)器旋轉，使尿液形成具有一定厚度的液膜，液膜厚度隨著轉速的增加而減小?？梢钥闯?在旋轉速度為60 r/mim時，尿液在蒸發(fā)器中布還未形成液膜;在旋轉速度大于140 r/min，尿液在離心力的作用下，逐漸形成液膜，并且液膜厚度隨著轉速的增加而逐漸變薄，逐漸趨向均勻分布。

圖4 不同轉速下的液相圖

截取軸向截面對稱軸為研究對象，尿液在不同轉速下形成的液膜厚度如表2所示:可以看出旋轉速度在由60 r/mim到140 r/mim時，尿液形成的液膜厚度快速減小;在旋轉速度在140 r/mim以上時，液膜厚度減小的趨勢的比較緩慢。

表2 轉速與液膜厚度的關系

3.2 蒸發(fā)器加熱溫度及旋轉速度對膜厚方向溫度場分布的影響

在不同轉速、不同加熱溫度下，蒸發(fā)器內介質尿液液膜內平均溫度沿膜厚的分布如圖5所示。由圖可以看出:在膜厚方向上，尿液的平均溫度是隨著液膜膜厚度而減小的，溫度曲線基本上呈下降的趨勢，均是先急劇下降，然后趨于平緩。

圖5 蒸發(fā)器內平均溫度沿徑向位置的分布

在轉速不同的情況下，在受熱溫度小于50℃時，尿液的平均溫度穩(wěn)定后的差距較大;在受熱溫度大于50℃低時，旋轉速度對尿液平均溫度得變化影響不大;轉速相同，隨著受熱溫度的升高，尿液平均溫度急劇下降的曲線逐漸陡峭，這說明加熱溫度升高，會促進尿液產(chǎn)生相變，增加產(chǎn)水率;隨著轉速的增加尿液的有效受熱面積增加，促進尿液產(chǎn)生相變。

為了進一步討論，在截面垂直對稱軸上設液膜厚度為f，在液膜中那部分達到相變溫度的厚度為p。不同加熱溫度下，在尿液的受熱過程中，達到相變溫度液膜厚度與液膜厚度之比f/p(%)與旋轉速度變化的關系如圖6所示:隨著轉速的增加，達到相變溫度的那部分液膜厚度也增加;在受熱溫度受熱溫度較低時，達到相變溫度那部分液膜厚度的增加趨勢緩慢，可以看出在較低的受熱溫度下，轉速的增加對于尿液產(chǎn)生相變的影響較小;受熱溫度為50℃(即323 K)以上，隨著轉速的增加，達到相變溫度的那部分液膜厚度增加趨勢比較明顯，此時轉速的增加對尿液達到相變溫度產(chǎn)生較大的影響，會促進尿液溫度達到相變溫度。

圖6 不同溫度下f/p(%)與轉度的關系

3.3 蒸發(fā)器加熱溫度及旋轉速度對沿軸向溫度場分布

圖7 蒸發(fā)器內平均溫度沿軸向位置的分布

圖7給出了尿液受熱后，在不同轉速、不同加熱溫度下蒸發(fā)器內部液膜的平均溫度沿軸線位置的分布。由圖可以看出:在軸向位置上，尿液的平均溫度是沿軸向位置增加的，溫度分布曲線形狀基本一致。

在同一溫度而轉速不同的情況下，隨著轉速的增加，尿液未達到相變溫度時沿軸向流動的距離越短，即尿液受熱而達到相變溫度所流動的距離越短，未達到相變溫度的尿液體積分數(shù)減小，對于尿液的蒸發(fā)有促進作用。同樣在同一轉速不同溫度時，溫度越高，尿液受熱而達到相變溫度所流動的距離越短，未達到相變溫度的尿液體積分數(shù)減小。這表明加熱溫度升高，尿液沿軸向流動受熱加快;隨著轉速的尿液沿軸向流動受熱的的距離減小，促進尿液產(chǎn)生相變。

為了進一步討論，設模型軸向長度為a，那部分軸向上未達到相變溫度的長度為l。不同加熱溫度下，在尿液的受熱過程中，未達到相變溫度長度與軸向長度之比a/l(%)與旋轉速度變化的關系如圖8所示:未達到相變溫度區(qū)域的長度隨著轉速的增加而減小。在受熱溫度為受熱溫度較低時，相變溫度液膜厚度增加的趨勢緩慢，可以看出在較低的受熱溫度時，轉速的增加對于尿液達到相變溫度的影響較小;受熱溫度為50℃(即323 K)以上時，隨著轉速的上升，蒸發(fā)器壁的有效加熱面積增加，受熱效率提高，未達到相變溫度區(qū)域長度減小趨勢比較明顯，此時轉速的增加會促進尿液達到相變溫度。

圖8 不同溫度下a/l(%)與轉度的關系

4 結論

論文采用計算流體動力學(CFD)軟件Fluent，針對VCD蒸發(fā)器在低真空度條件下，分析計算了不同在旋轉速度，不同尿液受熱溫度時，蒸發(fā)器內尿液分布及溫度場分布。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn):轉速較低尿液在蒸發(fā)器中未形成液膜;加熱溫度在50℃以上，轉速增加后尿液在離心力的作用下，逐漸沿著蒸發(fā)器壁分散，形成的液膜隨著轉速的增加而變薄，尿液的有效受熱面積增加，促進尿液達到相變溫度。該結論對于蒸發(fā)器的設計具有指導意義。

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