（制冷及低温工程专业论文）蒸发式冷凝器数值模拟与优化.pdf

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- - 2 5 0 m m 时 传热较优，压降适中。管截面长短半轴之比在0 5 5 - - 0 8 之间时换热效果较好。 方形喷嘴和传统的圆形喷嘴相比更加适用于蒸发式冷凝器的传热传质。 ( 4 )针对目前已有管型的缺点进行了新型管型的研制与开发，并在同等 工况下使用数值模拟手段和已有管型进行对比，数值模拟结果表明，异型扁管 具有极佳的传热性能适宜于蒸发式冷凝器这种特殊换热器的传热传质。 ( 5 )本文还通过多相流数值模拟进行了两相流时的数值模拟研究工作， 数值模拟结果表明d p m 模型适用于蒸发式冷凝器的研究工作，先进行了稳态状 况下空气场的数值模拟，使用全组分物种输运模型，考虑空气中水蒸气的存在 与影响，之后改变至非稳态模型，引入离散相，并进行各种参数设置如喷淋方 式，喷嘴参数，管束区边界条件等，最后进行各个时间段的迭代，观察0 s 、0 3 s 、 0 5 s 以及0 7 s 时流场的传热传质情况，最后进行单相以及两相充分传热传质之 后的流场对比分析，分析结果表明离散相的引入对于改善流场传热具有极好的 作用，这进一步证明了蒸发式冷凝器相对于普通传热方式所无法比拟的优点。 关键词：蒸发式冷凝器；传热传质；数值模拟 a b s t r a e t a b s t r a c t e n e r g ys a v i n ga n dl o wc a r b o nl i f ea r eb e g i n n i n gt ob et h ec o m m o ns e n s eo fa l l h u m a nb e i n g f o rt h eh e a te x c h a n g ee q u i p m e n tr e s e a r c hi n d u s t r y ，i m p r o v i n gt h eh e a t e x c h a n g ee f f i c i e n ta n do p t i m i z i n gt h ee q u i p m e n ts t r u c t u r eh a v ei m p o r t a n te f f e c t so n d e e p e n i n ge n e r g y - s a v i n ga n dr e d u c i n gu n n e c e s s a r ye n e r g yw a s t e n l ep a p e rm a i n l y r e s e a r c h e dt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rf r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t so f t h e o r ya n a l y s i s ， d e s i g nc a l c u l a t i o n , e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o na n d ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , t h e d i s s e r t a t i o ni sc o m p o s e do f5p a r t sw h i c ha r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) d e v e l o p e dt h ed e s i g nc a l c u l a t i o ns o f t w a r eo fe v a p o r a t i v ec o n d e n s e r ，n l er e s u l t sa r e 鹊f o l l o w s ，t h eb e s ti n l e tv e l o c i t yi sa b o u t3 m sw h e nt h eh e a t t r a n s f e ra r e ai sm o d e r a t ea n dh e a tt r a n s f e re f f e c ti sg o o d ( 2 ) p r o c e e d e dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs i n g l er o wp i p eu n d e rd r y c o n d i t i o n ，t h ec o m p a r i s o nr e s u l ts h o w e dt h a tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l tw a s i ng r e a ta g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t , t h i ss u g g e s t e dt h a tt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o ni ss u i t a b l et or e s e a r c ht h ee v a p o r a t i v ec o n d e n s e r , i ti sa l s ob e n e f i c i a lt o s a v ei n v e s t m e n t , i m p r o v ec a l c u l a t i o np r e c i s i o n ( 3 ) t op e r f o r mt h eo p t i m a ln u m e r i c a ld e s i g no ft w i s tt u b ee v a p o r a t i v e c o n d e n s e rf r o ms e v e r a lp a r t sl i k ei n l e ta i r 鲥l l s ，t u b er o w s ，t o r q u e ，s e c t i o n c h a n g ea n dn o z z l ek i n de t c t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h eb e s ti n l e ta i r g r i l li s b e t w e e n 一15 0 - 1 5 0 t h et o r q u ei sb e t w e e n2 0 0 - 2 5 0 m ma n dt h er a t i oo fs h o r ta n d l o n ga x i si sb e t w e e no 5 5 - 4 3 8 a n ds q u a r en o z z l ei sm o r es u i t a b l ef o r t h eh e a ta n d m a s st r a n s f e ra n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nn o z z l e s ( 4 ) b a s e do nt h ed i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n gt u b es h a p e ，d e s i g n e dan e wk i n d o ft u b es h a p ec a l l e ds p e c i a l s h a p e df l a tt u b e ，a n du n d e rs a m ec o n d i t i o nc o m p a r e d t h en e wt u b ew i t he x i s t i n gt u b ek i n d st h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h es p e c i a ls h a p e df l a tt u b ei ss u i t a b l ef o rt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e r o fe v a p o r a t i v ec o n d e n s e r ( 5 ) n l ep a p e ra l s op e r f o r m e d r e s e a r c hw o r ko fm u l t i p h a s en u m e r i c a l i t a b s t r a c t s i m u l a t i o n ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed p mm o d e li ss u i t a b l ef o rt h er e s e a r c h w o r ko fe v a p o r a t i v ec o n d e n s e r , f i r s tc o n d u c t e dt h es t a b l en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f s i n g l ep h a s e - a i rw i t ht h em o d e lo fm u l t i c o m p o n e n ts p e c i e st r a n s p o r tm o d e l ， c o n s i d e r i n gt h ee x i s t e n c eo fw a t e rv a p o r ，t h e nc h a n g e dt h es o l v e rt ou n s t a b l e m o d e l ，b r i n gt h ed p m ，s e tp a r a m e t e r sl i k es p r a ys y s t e m ，n o z z l es i z e ，b o u n d a r y c o n d i t i o n si nt h et u b eb a n kz o n e 。a tl a s tp e r f o r mi t e r a t i o n su n d e rd i f f e r e n tt i m e s e g m e n t ，o b s e r v e dt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rc o n d i t i o na td i f f e r e n tt i m el i k e0 s 、 0 3 s 、o 5 sa n d0 7 s ，a tl a s tc o m p a r e dt h ef l o wf i e l du n d e rs i n g l ea n dm u l t ip h a s e ， t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n t r o d u c i n go fd p mh a sg o o di n f l u e n c eo ni m p r o v i n g t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e r , t h i sp r o v e dt h a tt h ee v a p o r a t i v ec o n d e n s e rh a s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ec o m p a r e d 、i mc o m m o nh e a tt r a n s f e rm e t h o d s k e yw o r d s ：e v a p o r a t i v ec o n d e n s e r ；h e a ta n d m a s st r a n s f e r ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i i i 目录 目录 1 绪论1 1 1 研究的目的和意义1 1 2 选题的背景1 1 3 文献综述3 1 3 1国外研究进展3 1 3 2国内研究进展5 1 4 问题的提出与研究的设想6 1 5 论文主要研究工作内容及章节安排8 2 蒸发式冷凝器传热传质分析1 0 2 1 引言1 0 2 2 蒸发式冷凝器传热传质过程分析1 0 2 2 1 空气参数的变化1 1 2 2 2 管外空气与水接触流动分析1 1 2 2 3 降膜流动过程因素分析1 2 2 3 蒸发式冷凝器设计计算1 3 2 3 1 传热方程式汇总1 3 2 3 2 空气进、出口状态湿度以及焓值计算1 4 2 3 4 传热面积和压降计算1 5 2 4 设计软件开发1 6 2 4 1 程序编制流程和组织架构1 6 2 4 2 主要设计步骤1 7 2 4 3 软件界面1 8 2 4 4 工程案例1 8 2 4 5 变输入值汇总与分析1 9 i v 目录 2 5 本章小结2 0 3 单排蒸发式冷凝器管束数值模拟与分析2 2 3 1 引言2 2 3 2 数学模型2 2 3 2 1 几何模型2 2 3 2 2 边界条件2 3 3 2 3 网格划分与求解器设置2 3 3 2 4 换热性能评价方法2 4 3 3 数值模拟与分析2 4 3 4 本章小结2 8 4 蒸发式冷凝器扭曲管管束流场数值模拟2 9 4 1 引言2 9 4 2 数学模型2 9 4 2 1 几何模型创建2 9 4 2 2 边界条件3 0 4 2 3 网格生成以及求解设置3 0 4 2 4 换热性能评价方法3 1 4 3 数值模拟与分析3 1 4 3 1 变扭距模拟与优化分析3 1 4 3 2 变y c 值模拟与优化分析3 3 4 3 3 排列方式优化与分析3 5 4 3 4 倾角变化优化与分析3 7 4 3 5 喷嘴优化分析3 8 4 4 本章小结4 0 5 异型扁管设计与数值模拟4 1 5 1 引言4 l v 目录 5 2 异型扁管设计4 1 5 3 数学模型4 2 5 3 1 几何模型+ 4 2 5 3 2 边界条件。4 2 5 3 3网格生成以及求解设置4 3 5 4 数值模拟与分析4 3 5 4 1 数值模拟后处理4 3 5 4 2 数值模拟结果分析4 5 5 5 本章小结4 6 6 多相流模拟研究4 7 6 1 引言4 7 6 2 数学模型4 7 6 2 1 模型控制方程的建立4 7 6 2 2 传热和传质的计算4 8 6 2 3 离散相和连续相之间的耦合4 8 6 2 4 初始条件与边界条件4 9 6 2 5 多相流模型计算步骤：5 0 6 3 数值模拟后处理与分析5 2 6 3 1 单相流动分析5 2 6 3 2d p m 两相流动分析5 3 6 3 3 误差分析5 8 6 4 本章小结5 8 7 结论与展望6 0 7 1 结论6 0 7 2 展望6 1 参考文献6 3 v i 目录 附录6 7 个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果7 3 致谢7 4 v i l 符号 主要符号表 n o m e n c l a t u r e 爿。 a ，b c d 气嘈 c ： c p d 。 d d 。a o 见 e f o t i i e r e g ， k h ： 3 t k 屯，r 恕 k m o k o m o a m 。 聊口0 朋j m ， m 。o 符号表 水滴表面积 扭曲管截面长。短轴长度 曳力系数 平均摩擦系数 水蒸气的当量定压比热 比热 水滴直径 空气的含湿量 管内径和管外径 蒸汽扩散系数 与表面粗糙度有关的常数e = 9 8 相间作用力 f 方向上的外部体积力 湍动能产生项 空气的进、出口焓值 湿空气在管外部的平均焓值 水蒸气当量显热焓值 组分l 的扩散流量 湍动能：k a r m a n 常数 有效热传导系数 传质系数 湿空气的导热系数 从管内工质到水膜的换热系数 从管内工质到空气的换热系数 水滴质量 控制体内水滴质量变化 跟踪水滴初始质量流率 第1 种组分的质量分数 控制体内水滴平均质量 水滴初始质量 v i i i 曲删h hh h h h嗍h h h h嘲嘲一h嘲嘲 符号 p 尸i p r 口l q r e r e d 月 蜀 ， s l ，s 2 瓯 s s c s p 。 s s h 昂 f t a d b “ u 扰f 1 ， 岛。r 矿 蟛 w y + 希腊字母 gr e e ki e t t e r s a f a ， a ， a w a 连续相的普朗特数 【】 静压 p a 空气的普朗特数 一】 管内热流密度 矽m 2 】 空气的雷诺数 - 】 以水滴直径为定性尺寸来定义的相对雷诺数 一 气体常数 【，k 】 第1 种组分的生成速率 - 】 管壁内，外污垢热阻 【m 2 k 形】 管束的横向间距 m m 水滴蒸发从离散相加入连续相的质量 k g 扭曲管扭矩 m m ( 传质) 斯密特数 【- 】 由于空气和水滴相互作用而附加的源项 - 3 通用因变量的源项 - 】 辐射换热 一】 控制体内水滴的温度变化 k 时间步长 - 】 空气的干球温度 k 】 流体的时均速度 m s 】 无量纲参数表示速度 - 】 壁面摩擦速度 m s 】 空气速度 m s 】 水滴速度 m s 】 速度矢量 m s 管束最小截面空气速度 【m s 稳定流动中流体微元体在坐标方向上的速度分量 无量纲参数表示距离 刁 空气流过管束的换热系数 管内制冷剂的换热系数 当量换热系数 水膜流动换热系数 水膜温度相关系数 水膜与空气的接触系数 i x w ( m 2 w ( m 2 w ( m 2 w ( m 2 一 一 k ) k ) k ) k ) 符号 应力张量 壁面切应力 空气粘度 有效粘性系数 空气的运动粘度 局部阻力系数 ，方向上的重力体积力 湿空气的密度 水滴密度 第1 种组分的交换系数 输运系数 广义变量( 如速度、质量百分比、 扩散相，其中l 为广义扩散系数 到壁面的距离 空气的导热系数 x 一 一 k g m s 一 k g m - s 一 _ k g m 3 堙脚3 一 卜 焓等) - _ m w 沏k ) e y da h钆p儿u考陷p以o l妒皤妙一 1 绪论 1 绪论 1 1研究的目的和意义 工业制冷系统广泛地应用在食品处理、冷藏、工业生产以及各种各样建筑 和生产场合。在蒸汽压缩式制冷系统中蒸发器、冷凝器、节流阀和压缩机共同 组成了制冷系统的四大部件。两换热器的作用是将制冷剂相变释放的热量与换 热器装置夕l - o n , u 流体如水、空气等介质通过能量交换的方式进行能量的传递，能 效的好坏会直接带来制冷设备运转经济性以及可靠性的变化。目前世界范围内 能源短缺，能源利用率较低，高效、节能的换热器装置的研制开发是必然的发 展趋势【l 】。蒸发式冷凝器以其独特的换热形式、较高的换热效率、节能节水等 优点目前受到换热设备研究人员的广泛关注，因此，对此设备的科学研究可推 进我国换热设备节能技术行业节能减排工作的细化与深入。 本文的研究目的在于对蒸发式冷凝器装置进行整体优化，从理论分析，参 数化运算，数值模拟等角度对蒸发式冷凝器进行研究分析，整体上对换热设备 结构进行优化，提高装置的换热效率。 1 2 选题的背景 节能减排，低碳生活已经成为全人类的共识，节省能源，保护环境刻不容 缓。对于换热设备研究行业来说，减少设备的能耗，提高换热效率对于深化节 能减排，减少不必要的能源的消耗等都具有深远的意义。 冷凝器按照冷却方式可分为空冷式冷凝器( 空气冷却) 、水冷式冷凝器和 蒸发式冷凝器和淋激式冷凝器( 归为一类) 三大类【2 1 。另外，按照制冷设备的 结构部件，冷凝器还可以分成套管式冷凝器、板式冷凝器、板管式冷凝器等。 图卜1 给出了蒸发式冷凝器的设备的结构示意图，图1 2 为蒸发式冷凝器的实 物的外形图。 1 绪论 图i - i 蒸发式冷凝器结构示意图 f i g 1 - l c o n s t r u c t i o no f e v a p o r a t i v ec o n d e n s e r 图卜2 蒸发式冷凝器实物图 f i g 1 - 2e q u i p m e n to fe v a p o r a t i v ec o n d e n s e r 如图卜1 所示，蒸发式冷凝器由换热盘管管束、布水系统和风机构成。箱体 下部两侧为格栅，空气经由风机作用由格栅两侧进入，在箱体中由下向上流动， 布水系统的喷淋水从箱体的顶端经由喷嘴由上向下落下，空气一水在盘管区域进 行换热，制冷剂在盘管内释放热量，经过管壁以及水膜向空气传递，空气通过 吸热( 水蒸气的蒸发) 进而实现潜热换热【3 】。 蒸发式冷凝器主要有如下的优点【3 】： 1 ) 省水。蒸发式冷凝器由于依靠水蒸发释放的潜热来换热，因此和单相的 水相比换热的系数大大提高，相对来说对于相同的热量蒸发冷更加的省水。 2 1 绪论 2 ) 省电。其中主要的耗功部分为风机，这和强制的风冷以及水冷式的换热 器相同，但由于其特殊的热量释放的形式，相同的热量情况下空冷和水冷需要 消耗更多的功，因此，蒸发冷比其他的换热器要省电。 3 ) 装置紧凑。蒸发式冷凝器主要的换热部分为中部的换热盘管，设备一体 化，省去了普通冷凝器的设备线路长，耗材多面积大等缺点。同时在生产企业 中，蒸发式冷凝器设备为了保持清洁，通风等条件要求通常安装在企业的厂房 顶端的位置，省去了占地的需要。 蒸发式冷凝器以其节能节水的优点受到目前换热设备研究人员的广泛关 注，通过结构优化以提高其换热效率对于节能减排具有非常重要的示范意义。 本课题是河南省重大公益性科研计划项目( 0 8 11 0 0 9 1 0 1 0 0 ) “合成氨生产节能降 耗共性关键技术研究及示范”的一部分。该课题还是与某蒸发式冷凝器企业进 行产学研合作的项目之一。 1 3 文献综述 1 3 1 国外研究进展 国外对蒸发式冷凝器的研究开始比较早。对于管型的研究方面，对于干工 况下的管型的测试和研究工作方面得出结论较多的是o t a 等人( 1 9 8 3 ) ，文献中 实验测试了单根椭圆管( 轴率- - 2 ) 的热力性能( r e 在5 0 0 0 到9 0 0 0 0 之间) 。他 ( 1 9 8 4 ) 还测试了轴率为3 ( r e 从8 0 0 0 到7 9 0 0 0 变化) 的椭圆管并指出测试结 果表明此类椭圆管比根据h i l p e r t ( 1 9 3 3 ) 年提出的管型经验关联式得出的圆 管的结果要高，同时将测试的结果与之前轴率为2 的结果进行对比表明轴率越 大，换热越好。a l aa l ih a s a n 【4 1 ( 2 0 0 5 ) 实验研究了蒸发式冷却换热器的光管、翅 片管( 圆管) 的热力性能，指出了翅片对换热的强化效果以及由此带来的管束 流场压降的增加。并实验测试分析了蒸发式冷却器在干工况( 无喷淋水) 下改 变椭圆管的长短轴比值对流场热力性能产生的影响。 传热关联式的研究方面，m i z u s h i n a t 副( 1 9 6 7 ) 假设箱体内的喷淋水温为定值， 测试了不同管径的蒸发冷却器来测定试验的传热传质的关联式。p e t e r s o n l 6 】等 ( 1 9 8 8 ) 指出传热传质系数决定光管的性能并开展了现场的测试，对比预测和 实测的结果显示热负荷的预测值比实测值偏低3 0 并分析了差距产生的原因。 1 绪论 f u j i t a 和t s u t s u i ( 1 9 9 5 ) 指出在实验条件下多排管束降膜流动时处于层流( r e 较小) 时n u 随着r p 的增大而减小，但当流速进一步增大到一定程度时，n u 随 着r p 的增大而增大。a r m b r u s t e r 和m i t r o v i c ( 1 9 9 5 ) 指出换热系数随空气流速 的增加而增大，在蒸汽分压小的情况下更加明显，当空气的相对湿度较大时影 响水平会降低。y a hw m ( 1 9 9 8 ) 指出从气液界面向空气流的热传递主要由和液膜 蒸发相关的潜热传递决定。另外，他指出高的进1 2 1 液体温度，低的液体流动速 率或者高的气体流动速度都会使系统液膜冷却效果更好。 数学模型的研究方面，z a l e w s k i 和g r y g l a s z e w s k i t 7 】( 19 9 7 ) 给出了蒸发式流体 冷却器传热传质方程的数学模型。提出对传质系数进行修正以进口空气湿球温 度的函数的形式来改进蒸发式冷却器计算结果与试验数据的匹配。j a n g 和w a n g i s ( 2 0 0 1 ) 计算得出了闭式冷却塔换热的数学模型并进行了试验测试( 6 0 c 进口 水温) 。根据已发表文献上所得出的关联式计算了传热传质系数。计算结果显示 气- 水逆流传热系数和气水顺流相比要高。模型预测的结果数据预测与试验数据 相差2 0 2 5 。p a s c a ls t a b a t ，d o m i n i q u em a r c h i 0 1 9 ( 2 0 0 4 ) 计算并简化了蒸发冷 却塔数学模型。经过简化后模型只需引入空气侧和水侧传热系数即可评价各种 变参数情况下如变湿球温度或变空气流速时泵功、风机和水的耗费量。p a i s a m n a p h o n i l 州( 2 0 0 5 ) 建立了基于热质守恒的冷却塔数学模型( 7 - 作介质为水) ，并通 过迭代求解来预测冷却塔的传热特性的优劣。最后对比测试数据和预测结果表 明两者相近，模型较好地反映了测试结果。 降膜流动的研究分析方面，c h y u 和b e r g l e s 1 1 】( 1 9 8 7 ) 指出临近的上下排 的管束降膜流动时传热系数随位置的不同而不同，流动也因此分为自由流动， 冲击流动，热发展流动以及完全发展的流动，传热系数随着流动的发展由上至 下逐渐地降低。r i b a t s k i 和j a c o b i l l 2 】( 2 0 0 5 ) 对水平管降膜蒸发理论进行了文献总 结并指出设备降膜换热的热力性能受到管束上冷却流体的深切影响并主要表现 在液膜厚度，流动稳定性，管束紧凑程度，管径大小以及制冷剂热流密度大小 等方面。 对于管束积垢的形成与分析方面，b i l a la 1 1 3 1 等( 2 0 0 6 ) 使用管壁内外积垢 的蒸发式冷凝器数学模型来研究垢层对蒸发式换热器热力性能的影响。他指出 随时间的增加蒸发式冷凝器热力学性能明显降低。 火用分析方面，r e nc h e n g q i n a 1 4 1 等( 2 0 0 2 ) 评价了蒸发冷却过程，分析了湿 4 1 绪论 空气的火用并将其分解为三种形式。b i l a la q u r e s h i 和s y e dm z u b a i r ”1 ( 2 0 0 7 ) 运 用了热力学两大定律分析了蒸发式换热器，分析结果表明对于不同的输入变量， 效率几乎总在单调递增或者单调递减。并发现进口湿球温度的增加一定会带来 换热器第二定律效率的增加。同时分析指出b e j a n 对第二定律效率的定义在计算 性能方面并不局限。此外，死态的相对变化并不会对系统的总体效率带来较为 严重的影响。 控制技术研究发展方面，a b b a s s i 和l b a h a r 1 6 1 ( 2 0 0 5 ) 采用人工神经网络 ( a n n ) 来研究控制蒸发式冷凝器热容的可行性，并计算得出了稳态与非稳态下能 量模型，测试结果较为成功。h m e t i ne r t u n c a 和m u r a th o s o z b r 7 】( 2 0 0 8 ) 设计 了实验台并通过测试( 使用训练的实验数据) 给出了蒸发式冷凝器的a n n 和 a n f i s 模型。 1 3 2国内研究进展 国内在1 9 8 8 年左右开始研究蒸发式冷凝器技术。设计计算方面刘焕成【l 砌 等( 1 9 8 9 ) 采用蒸发式冷凝器箱体管外循环水的水膜温度平均值修正算术平均 焓差，简化了计算公式。蒋常建等【l 川( 1 9 9 7 ) 给出了用于计算以及校核的蒸发冷 却器的计算方法。刘洪胜等【2 0 】( 2 0 0 3 ) 给出了小型的中央空调机组蒸发式冷凝 器( 氟利昂类) 的设计方法。 换热器节能性能对比与技术推广方面李志明等【2 l 】( 2 0 0 3 ) 对几种常见冷凝 方式进行了细致的能效对比并指出蒸发式冷凝器具有出众的节能作用。王少为 等人【捌( 2 0 0 3 ) 通过试验测试分析了蒸发式换热器热质交换的多种影响因素，确 定了蒸发式换热器的最佳应用范围。王会串【2 3 】( 2 0 0 3 ) 给出了蒸发式冷凝冷却 技术在合成氨等化工生产中的应用。包卫【2 4 】( 2 0 0 4 ) 分析了蒸发式冷凝器在火 电厂的冷却系统中应用的可行性。周景锋等【2 5 2 6 】( 2 0 0 5 ) 研究并总结了蒸发冷凝 技术在液体除湿和海水淡化方面的各种应用。李丹冲【2 7 】( 2 0 0 5 ) 从蒸发式冷凝 器的选配流程、防控水垢、运行管理等方面介绍了蒸发式冷凝器在大型工业系 统中的应用。张建一等【2 8 】( 2 0 0 7 ) 测试分析比较了蒸发式冷凝器、水冷式冷凝 器，风冷式冷凝器的耗电量，耗水量表明蒸发式冷凝器的节水能力可观。并指 出其主耗功动力部分为风机。 数学模型研究方面唐伟杰，张旭【2 9 】( 2 0 0 5 ) 推导了蒸发式冷凝器传递过程的 微分方程组，得出了冷凝盘管外水温和空气焓值沿蒸发式冷凝器箱体高度方向分 1 绪论 布的解析表达式。王铁军【3 0 】( 2 0 0 6 ) 引入了管束区带有翅片的蒸发式冷凝器，并 分块研究了其传热传质的方向，计算得到了其数学模型。 试验测试方面朱冬生等【3 i 】( 2 0 0 7 ) 指出蒸发式冷凝器箱体内部管束区传热 主要受循环喷淋水密度的影响。计算得出了水膜传热系数计算关联式并通过比 对分析表明和文献已有关联式结果相近。李元希等【3 2 1 ( 2 0 0 9 ) 试验测试研究了板 式蒸发式冷凝器并分析了冷凝温度、压力、压缩机功耗等随入口空气湿球温度 的变化。 污垢的形成与抑制方面催勋章等【3 3 】( 2 0 0 5 ) 对蒸发式冷凝器箱体内盘管垢 层进行分析并建立了循环喷淋除垢工艺体系。 数值模拟方面，蒋翔等【3 4 】( 2 0 0 7 ) 对蒸发式冷凝器的常用管型圆管、椭圆 管、扭曲管和弹型管管束流场进行了数值模拟，模拟分析所得出的结论与测试的 结果相近，整体表明弹形管管束流场的综合传热性能更加高。吴治将等【3 5 】( 2 0 0 8 ) 给出了板式蒸发式冷凝器的数学模型并开展数值模拟，分析了不同变量参数的 变化如板身形式、循环水大小给降膜流动的形态带来的变化，结果表明，对于 板式蒸发式冷凝器，空气水并流流动比错流和逆流更有利于液体薄膜强化传热 传质的特性。同王铁军研究的对象相同，朱宏达等【3 6 】( 2 0 0 8 ) 进一步给出了翅 片式蒸发式冷凝器的数学模型，并通过软件c f x 进行干工况的( 无水) 模拟，分析 表明翅片的引入可增强蒸发式冷凝器的流场传热。 1 4 问题的提出与研究的设想 从上节文献综述中可以看出，目前国内外对蒸发式冷凝器的研究已经从实 验研究，实验关联式推出，数学模型的建立向数值模拟、降膜理论深化、液滴 蒸发、火用分析、液滴冲击、模糊控制等方向多元化发展。 目前，国内对蒸发式冷凝器的研究以工程应用经验推广以及传热模型改进 居多，对其基础理论以及总体设备结构优化所做研究较少，国内企业大多以工 程经验为主，不注重装置参数的匹配与优化，对喷淋量、配风量等单纯以满足 热负荷为目的，背离了节能换热的初衷，对装置节能有非常不利的影响。 国外对蒸发冷的技术已经较为成熟，生产的厂家较多【3 】。我国生产蒸发冷的 厂家也有很多如重庆蜀东、洛阳隆华等。但除了在价格上面稍有优势之外其余 都有很大的差距。蒸发式冷凝器传热传质原理以及结构特点决定在基础理论、 6 1 绪论 数学模型和生产应用中仍存在一些问题，需要研究人员进行进一步的探索以寻求 更好的解决问题的途径p j 。 理论研究上，因为蒸发式换热设备传热传质过程非常复杂，国际上的研究 人员都是基于多种的假设的基础之上给出理论，因此给出能够完整地体现换热 过程的理论模型是关键。 水量和风量的配合问题。水膜的形态的好坏对于装置的换热具有极大的影 响。水量太大会对换热增加热阻，不利于制冷剂的热量及时迅速向外传递，同 时水膜薄水量小就会造成水膜不能合理有效的分布，在没有水的区域形成干点， 换热的情况恶化，如果出现在箱体上部的管束区域由于制冷剂蒸汽处于过热的 状态，水分中的杂质会严重地腐蚀管壁，造成传热进一步恶化，对蒸发式冷凝 器的寿命以及换热的效率有极不好的影响。解决以上问题的方法主要有以下几 种，一种是增大风量，强化空气水膜的交界面扰动，这种方法虽然能够增进热 量的交换却加大了动力设备的消耗，对总体的节能有不利的影响，另一种方法 是改进管型。风机占耗功的很大的一部分，风机的耗功主要受到换热管束区域 管型的影响，同时，合理的管型设计能够使得气一水全面接触，防止因管型不当 产生的干斑等问题。因此，管型的设计开发对系统的节能具有重要的作用。较 好的管型可使得管壁更加利于水膜的形成和气水之间传热传质，降低空气流动 阻力，减小风机耗功。第三种方法是在蒸发冷的箱体外侧顶部加装翅片式空冷 部分，使得蒸汽在未进入管体时就已从过热转为液态冷凝状态，这种做法抑制 了管柬上部区域传热的恶化，同时使得制冷剂实现了一定的过冷，对延长装置 寿命等有较好的影响，但是对总体换热的增进作用不大。另外通过对管型表面 添加涂层进行化学性质改良，提高管面亲水性也是目前一些厂家采用的方法。 华南理工大学朱冬生研究小组研究了能够使得水膜分布均匀的涂层，但是涂层 的加入虽然能够使得水膜分布均匀同时造成热阻的增大，对传热的总体增大效 果不利。同时经过研究发现，喷嘴的形式对喷淋效果以及空气水分接触换热也 有一定影响，喷嘴宜采用均匀喷出水膜，减小液滴四溅的特殊形式的喷嘴，如 平板溅水盘等p j 。 另外，污垢的形成对蒸发式冷凝器的有效，稳定换热也具有一定的影响。 同时，通过上节文献综述还可以看出，对于数值模拟方面管式蒸发式冷凝 器来说，对于其开展的数值模拟多集中在干工况( 无水) 下开展，对于实际一 7 1 绪论 般运行情况气水对流传热传质的数值模拟开展在已有文献中尚少著述。 基于上述多出现的问题，本文主要通过以下途径进行解决。 l 参阅国内外多篇文献，总结蒸发式冷凝器设计计算过程，并编制软件进 行参数化研究，找出设备运行的最佳参数如配风量，配水量等。 2 以国内普遍研究手段干工况为基础，在已发表文献试验基础上，对其进 行数值模拟，验证数值模拟手段的准确性与合理性，并为以后各章研究打下基 础。并总结换热区管束管型的变化规律。 3 对设备进行整体优化，包括目前的研究热点扭曲管蒸发式冷凝器的管型 参数系统变化如截面比值，扭矩等对换热的影响，研究设备箱体格栅倾角变化 对流场的影响，以及喷嘴形式，排列方式等。 4 通过掌握管型变化规律，设计新型管型，并通过数值模拟手段与目前已 有管型进行对比，验证其优越性能。 5 基于多相流研究，采用离散相模型，研究流场变化，对目前蒸发式冷凝 器一般运行方式气水交错流动传热传质进行分析。 1 5 论文主要研究工作内容及章节安排 本文以河南省重大公益性科技攻关项目为依托，以化工与能源学院节能学 科平台为背景，利用先进的数值模拟计算工作站为手段，同时把握国内外目前 研究的水平和高度，从理论研究，参数化运算，数值模拟，设备结构优化与技 术创新等方面着手，对蒸发式冷凝器进行研究，以达到提高装置换热效率，优 化设备结构，节电节水的