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        水平管外重力降膜吸收過程傳熱特性數(shù)值模擬

        2018-12-11 08:47:18王天
        建筑熱能通風(fēng)空調(diào) 2018年10期
        關(guān)鍵詞:降膜液膜管壁

        王天

        太原學(xué)院市政與環(huán)境工程系

        0 引言

        吸收器、蒸發(fā)器、發(fā)生器、冷凝器、節(jié)流裝置是溴化鋰吸收式制冷機(jī)組中的主要組成部分[1]。多數(shù)吸收器中采用的吸收模式是水平管外重力降膜吸收,以噴淋管束式為主[2]。吸收器的傳熱傳質(zhì)性能與整個制冷系統(tǒng)的COP緊密相關(guān)。故對吸收器中水平管外LiBr溶液降膜吸收過程進(jìn)行研究很有必要。

        各國學(xué)者通過數(shù)值模擬對重力作用下的降膜吸收進(jìn)行了大量的研究。Sutalo等[3]對非牛頓流體沿著傾斜板降膜流動進(jìn)行了CFD數(shù)值分析,并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。呂多[4]總結(jié)了橢圓水平管外的重力降膜流動中膜厚、流速等分布規(guī)律及不同管型參數(shù)對流動特性的影響。于意奇等[5-6]對重力作用下的降膜行為進(jìn)行二維和三維數(shù)值模擬,分析了當(dāng)Re不同時的膜厚、液膜流速等。此外,他們對大平板的降膜流動傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。Yoshida等[7]在Moran等[8]的實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值三維模擬,得到了重力降膜流動中液膜表面的波形態(tài)及液膜厚度概率密度分布。

        本文對吸收器中LiBr溶液重力作用下水平管外降膜吸收過程進(jìn)行了二維數(shù)值模擬,探究了不同條件下液膜厚度,溫度場及換熱量的變化規(guī)律。

        1 建立模型

        圖1為LiBr溶液水平管外重力降膜吸收過程的模型。水平管上方設(shè)置有布液管,LiBr濃溶液從布液管中噴淋到水平管上,在重力加速度的作用下垂直向下形成降膜流動,在水平管外壁上形成一層液膜。與此同時,從蒸發(fā)器進(jìn)入吸收器的制冷劑水蒸氣被LiBr濃溶液吸收,吸收過程所釋放的潛熱被水平管內(nèi)流動的冷卻水帶走,這樣可以使LiBr溶液持續(xù)不斷的吸收水蒸氣。吸收水蒸氣后濃度減小的LiBr溶液在重力作用下聚集在管底,當(dāng)溶液液滴所受重力與其表面張力失去平衡時,液滴便會從上一根水平管管底落到下一根水平管管頂上。

        圖1 LiBr溶液水平管外降膜吸收過程模型

        2 數(shù)值模擬方法

        Fluent軟件是一個功能強(qiáng)大的CFD分析軟件,它不僅自身包含多種模型,用戶還可以根據(jù)需要自定義函數(shù)以實(shí)現(xiàn)設(shè)置材料屬性及邊界條件等功能[9],故本文采用Fluent軟件對LiBr溶液水平管外重力降膜吸收過程進(jìn)行模擬并對其液膜厚度、溫度場等進(jìn)行分析。統(tǒng)一取水平管管徑為10 mm。由于LiBr溶液的Re較小,可以認(rèn)為是層流狀態(tài),因此選擇Laminar作為粘性模型。該降膜吸收過程涉及到水蒸氣和LiBr溶液,是多相流模型。選擇VOF模型進(jìn)行數(shù)值模擬。邊界條件的設(shè)置如圖2所示。

        圖2 邊界條件的設(shè)置

        3 模擬結(jié)果及分析

        3.1 液膜厚度分布

        采用Fluent軟件中的VOF模型對LiBr溶液水平管外重力降膜吸收過程進(jìn)行數(shù)值模擬。圖3為不同噴淋密度下即布液管中的濃溶液流速不同時,LiBr溶液水平管外重力降膜吸收過程體積分布圖。

        圖3 不同噴淋密度下LiBr溶液水平管外重力降膜體積分布圖

        由圖3可知,當(dāng)水平管上方的布液管噴淋密度逐漸減小時,水平管外LiBr溶液的液膜厚度是逐漸變薄的。噴淋密度越小,溶液在水平管底部越晚脫離管壁。如圖中所示,當(dāng)布液管溶液流速為0.3 m/s時,第一根水平管(取上方的水平管為第一根水平管,下方的水平管為第二根水平管)外的液膜大約在周向角為160°左右處脫離管壁。當(dāng)布液管溶液流速為0.15 m/s時,液膜大約在周向角為175°左右處脫離管壁。當(dāng)布液管流速為0.08 m/s和0.06 m/s時,液膜沒有在管底脫離管壁。此外,從圖中還可以看出,當(dāng)布液管流速為0.06 m/s,第二根水平管外的液膜并沒有完全包覆管壁,出現(xiàn)了“干斑”,這種情況在吸收器里面是應(yīng)該避免的,因?yàn)闆]有被LiBr溶液液膜包裹的地方無法良好的進(jìn)行傳熱傳質(zhì),會影響整個吸收器傳熱傳質(zhì)性能乃至整個吸收式制冷機(jī)組的制冷性能系數(shù)。故在實(shí)際中應(yīng)控制LiBr溶液的噴淋密度,防止噴淋密度過小引起管壁出現(xiàn)干斑,影響傳熱及傳質(zhì)效率。

        采用Fluent后處理軟件CFD-Post對圖3中第一根水平管外的液膜厚度進(jìn)行提取,繪制圖4。圖4為不同噴淋密度下LiBr溶液液膜厚度隨周向角變化的分布圖。

        圖4 不同噴淋密度下LiBr溶液液膜厚度分布圖

        由圖4可知,當(dāng)水平管上方的布液管噴淋密度減小時,液膜厚度的變化范圍減小,即液膜厚度的最大值與最小值的差值減小,且周向角相同的地方液膜厚度減小。同一噴淋密度下,水平管管頂和管底的液膜厚度大于中間區(qū)域的液膜厚度。即周向角從0°變到180°時,液膜先變薄再變厚,最薄的區(qū)域出現(xiàn)在75°到105°之間。由于管底和管頂?shù)囊耗ぽ^厚,故熱阻也較大,傳熱傳質(zhì)主要集中于中間區(qū)域。圖中當(dāng)布液管流速為0.3 m/s時,液膜在周向角為165°時已脫離管壁,故無法提取該處膜厚。

        3.2 溫度分布

        圖5為噴淋密度不同時第一根水平管管壁附近的溫度分布圖。同樣采用Fluent后處理軟件CFD-Post對圖5的溫度場進(jìn)行溫度提取后繪制圖6。圖6是當(dāng)周向角為90°時,不同噴淋密度下管壁附近溫度隨距管壁距離的變化規(guī)律。

        圖5 不同噴淋密度下水平管管壁附近溫度分布圖

        圖6 不同噴淋密度下溫度隨距管壁距離變化分布圖(θ=90°)

        由圖6可知,對于溫度場中的固定一點(diǎn),當(dāng)噴淋密度逐漸增大時,該點(diǎn)的溫度逐漸升高,這說明隨著噴淋密度的增大,換熱效果逐漸減弱。故在保證液膜能夠完全覆蓋管壁的情況下,噴淋密度越小,液膜越薄,熱阻越小,越有利用傳熱。當(dāng)噴淋密度不變時,溫度場中距離管壁越遠(yuǎn)的點(diǎn),溫度越低。

        3.3 換熱量

        圖7為當(dāng)布液管流速分別為0.06 m/s、0.08 m/s、0.15 m/s、0.3 m/s時水平管的換熱量。當(dāng)布液管流速為0.06 m/s時,換熱量最小。是因?yàn)榇藭r噴淋密度太小,液膜不能完全包覆管壁,會出現(xiàn)“干斑”,影響傳熱。如圖5(d)中,第二根管出現(xiàn)了干斑,故此時換熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他流速時的換熱量。流速為0.08 m/s時,換熱量最大,因?yàn)榇藭r液膜可以完全包覆管壁且液膜厚度很小,故熱阻很小有利于傳熱。當(dāng)流速大于0.08 m/s時,隨著噴淋密度增加,液膜越來越厚,且液膜在管底過早脫離管壁,換熱量越來越小,與前文結(jié)論相吻合。

        圖7 不同噴淋密度下?lián)Q熱量變化規(guī)律

        4 結(jié)論

        1)保持管徑不變,隨著布液管噴淋密度的減小,液膜厚度是逐漸減小的。若噴淋密度不變,液膜先變薄再變厚,最薄的區(qū)域出現(xiàn)在75°到105°之間。

        2)實(shí)際工程中應(yīng)保證液膜能夠完全覆蓋管壁,故噴淋密度的選擇應(yīng)合理。若噴淋密度過小,液膜不能包覆管壁,管壁周圍會出現(xiàn)“干斑”,減少換熱量。若噴淋密度過大,液膜變厚,熱阻變大,也會減少換熱量。

        3)本文換熱管管徑為10 mm,換熱效果最好的布液管流速出現(xiàn)在0.06 m/s到0.08 m/s之間。

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