陳達南，鄧立生，陳捷超，車哲述，周友

（1.中國科學(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)與工程廣東省實驗室（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，普遍存在于低溫儲存、制冷和低溫工程、輸電線路、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)定安全運行帶來隱患［3］。此外，水蒸汽凝結(jié)形成的露和霜會增加傳熱熱阻，降低換熱器的效率，從而浪費大量的能源［4］。近年來低溫天氣頻發(fā)，包括中國在內(nèi)的許多國家的基礎(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)霜成為了迫切的問題。

濕熱空氣冷凝是傳熱傳質(zhì)的過程，水蒸氣分壓力與液膜溫度對應(yīng)的飽和水蒸氣壓力之差就是凝結(jié)推動力［5］。

徐向華等人［6］通過建立凝結(jié)液膜厚度模型對載人航天器中空氣冷凝換熱器進行冷凝分析，獲得了膜狀凝結(jié)時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］對用于煙道氣熱回收的熱管中冷凝傳熱過程進行實驗研究，結(jié)果表明水蒸氣的冷凝液量和對流冷凝傳熱系數(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弱不同，換熱表面的改性可強化煙氣冷凝換熱。牛澤圣等［9］對采用拋光和鍍鉻兩種豎直圓管進行了冷凝換熱實驗研究，實驗發(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。

周夢等［10］采用Fluent軟件分別對空氣-水蒸氣混合氣體的冷凝換熱進行了數(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、壁面過冷度、換熱面高度和氣體壓力對含空氣蒸汽冷凝換熱的影響，主流流速和壁面過冷度分別為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，這對進一步認(rèn)識含空氣蒸汽冷凝現(xiàn)象有一定的指導(dǎo)意義。目前的研究中，對于膜狀冷凝、珠狀冷凝的形成原理研究較廣泛［12］，對于冷凝起始的臨界點的分析相對較少。本文通過分析固體壁面形狀、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)。

1 物理數(shù)學(xué)模型

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，為了簡化模型，僅計算x對稱軸上半空間。其中矩形濕空氣區(qū)域左進右出，長為50cm，寬為20cm。為了簡化分析作如下假定：（1）流動的流動為二維；（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滑移壁面；（5）粘性耗散產(chǎn)生的耗散熱忽略不計；（6）系統(tǒng)內(nèi)流體流動狀態(tài)為湍流流動，假定系統(tǒng)內(nèi)各處的流動均為完全湍流流動。

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算需遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、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［15］：

固體表面溫度用表達式為：

時長設(shè)定為20分鐘，圓管表面冷凝開始的時刻對應(yīng)的表面溫度為冷凝臨界點。雷諾平均方法可計算高雷諾數(shù)的復(fù)雜流動，但不能反映流場紊動的細節(jié)信息。本文研究對象為熱濕空氣吹掃固體表面的過程，不需要詳盡的流場細節(jié)，因而采用RANS計算方法［16］。

為了驗證網(wǎng)格的獨立性，選用圓管直徑為6 cm的模型，初始進口空氣的相對濕度為0.8，進口溫度為293.15 K，進口速度為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)格計算得到的冷凝情況非常接近，綜合考慮計算時間成本和精度，選擇網(wǎng)格數(shù)為13143進行后續(xù)模擬。

圖2 三種網(wǎng)格精細度時圓管表面的冷凝情況

2 結(jié)果與分析

2.1 不同直徑距圓管表面的冷凝情況

圖3為在空氣進口溫度為293.150 K、進口速度為1m/s和進口相對濕度為80%情況下，各圓管直徑距下通過探針圖。由圖可知，在圓管直徑分別為3cm、6cm和9cm時，冷凝時長分別為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均為293.075K，說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，在冷凝開始前、后1分鐘的溫度、相對濕度云圖及流線圖，圖中上下半部分別為溫度和濕度云圖。由圖可知，在冷凝前后流場內(nèi)的流線在圓形右半圓表面外形成兩個對稱的渦旋；越靠近圓管表面位置，溫度和相對濕度越低。在相同區(qū)域，冷凝前的溫度比冷凝后高，而冷凝前的相對濕度比冷凝后的低。

圖4 時間為5.620 min和5.820 min時圓管表面溫度、相對濕度云圖及流線圖

2.2 不同邊長正方形表面的冷凝判據(jù)

由圖5可知，進口溫度均為293.150K、進口速度均為1m/s和進口相對濕度為80%情況下，正方形邊長為3cm、6cm和9cm時冷凝時長分別為13.493min、13.483min和13.241min，結(jié)合式（2）可求出冷凝臨界點分別為293.078K、293.078K和293.075K。臨界點溫度基本相同，說明正方形邊長對冷凝臨界點的影響很小，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6cm時，在冷凝開始前、后1分鐘的溫度、相對濕度云圖及流線圖。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濕度越低，在相同區(qū)域，冷凝前的相對濕度比冷凝后的相對濕度低。

圖6 正方形表面冷凝云圖

2.3 進口相對濕度

對進口溫度為293.150K、進口速度為1m/s和直徑為6cm圓管進行冷凝分析。進口相對濕度分別為70%時圓管表面不出現(xiàn)冷凝。而在進口相對濕度分別為75%、80%、85%和90%時，它們圓管表面冷凝開始時間分別為9.120min、5.720min、3.920min和2.520min，冷凝結(jié)束時間分別為11.700 min、18.700min、16.520min和17.920min。結(jié)合式（2），可得表1所示的各進口空氣相對濕度冷凝臨界點。由表1可得知，進口相對濕度為75%、80%、85%和90%時它們冷凝臨界點分別為293.031K、293.075K、293.099K和293.117K，因為它們冷凝臨界點溫度差異較大，所以說明進口相對濕度對冷凝臨界點的影響較大。

表1 進口相對濕度對冷凝臨界點的影響

2.4 進口濕空氣溫度

對七組進口空氣溫度為進行冷凝分析，結(jié)果表明，進口溫度為288.150K、290.150K、291.150 K時圓管表面不出現(xiàn)冷凝。進口溫度為288.150 K時冷凝探針值為0；而290.150K時的冷凝探針出現(xiàn)一個值小于1的波峰，如圖7（a）。當(dāng)進口空氣溫度分別為292.150K和293.150K時，圓管表面冷凝時長分別為4.780min、13.180min，其中，進口空氣溫度為292.150K的冷凝探針曲線如圖7（b）所示；而當(dāng)進口空氣溫度大于298.150K時，圓管表面持續(xù)出現(xiàn)冷凝，探針直為1。

圖7 不同進口空氣溫度時圓管表面的冷凝情況

對于進口空氣溫度低于291.15K時或高于298.15K時圓柱表面不冷凝，因為冷凝臨界點不在固體表面溫度變化區(qū)間內(nèi)。綜上，進口空氣溫度是引起固體表面冷凝的主要因素之一。

3 結(jié)論

本文采用COMSOL軟件分析了固體表面濕空氣冷凝的臨界點，分析了固體表面的形狀尺寸、進口空氣相對濕度和溫度對固體表面冷凝情況的影響，得出結(jié)論如下：在進口溫度、相對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的正方形表面的冷凝臨界點相差很小，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穸群蜏囟仁怯绊懕砻胬淠闹饕?，空氣相對濕度越大冷凝臨界點越高，反之越低；進口溫度越大冷凝臨界點越高，反之越低。