研究论文-空调用金属填料表面传热传质过程的数值分析.pdf

书书书 第 卷 第 期 化 工 学 报 年 月 檭檭檭檭檭 檭檭 檭檭檭檭檭 檭檭 殐 殐 殐 殐 研究论文 空调用金属填料表面传热传质过程的数值分析 孙贺江 由世俊 张 欢 涂光备 天津大学环境科学与工程学院 天津 摘要 建立了填料塔的二维传热传质模型 考虑了因水蒸发或凝结而引起的水的质量变化和空气的质量变化 利用实验数据回归得到的传热系数和传质系数 用差分法求得了更接近实际的数值解 实验研究证明使用这个 改进的方法 使得模型的数值解与实验结果吻合得较好 数值分析结果描述了金属填料内部空气的湿球温度场 和填料表面水膜的温度场 有助于研究金属填料表面传热传质性能 为金属填料用于空调机组中的设计提供了 计算方法 可以给出满足工程精度要求的设计依据 关键词 金属填料 传热 传质 空调 中图分类号 文献标识码 文章编号 犖 狌 犿 犲 狉 犻 犮 犪 犾 犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊狅 犳犺 犲 犪 狋 犪 狀 犱犿 犪 狊 狊 狋 狉 犪 狀 狊 犳 犲 狉狆 狉 狅 犮 犲 狊 狊 狅 狀犿 犲 狋 犪 犾 犳 犻 犾 犾 狊 狌 狉 犳 犪 犮 犲 犳 狅 狉犪 犻 狉犮 狅 狀 犱 犻 狋 犻 狅 狀 犻 狀 犵 犛 犝 犖犎 犲 犼 犻 犪 狀 犵 犢 犗 犝犛 犺 犻 犼 狌 狀 犣 犎 犃 犖 犌犎 狌 犪 狀 犜 犝犌 狌 犪 狀 犵 犫 犲 犻 犛 犮 犺 狅 狅 犾 狅 犳犈 狀 狏 犻 狉 狅 狀 犿 犲 狀 狋犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲犪 狀 犱犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔 犜 犻 犪 狀 犼 犻 狀犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔 犜 犻 犪 狀 犼 犻 狀 犆 犺 犻 狀 犪 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 犲 狋 犮 犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊 收到初稿 收到修改稿 联系人 由世俊 第一作者 孙贺江 男 博士研 究生 引 言 由于世界能源危机和 污染造成的 温室 效应 人们开始关注节能技术 使人们看到了蒸 发冷却技术出色的节能特点 利用填料实现蒸发 冷却在空气处理和空调制冷设备预冷却中的应用研 究得到了人们的重视 从热力学的角度看 在 填料表面进行的传热传质过程是流动 传热 传质 同时发生 并相互耦合 交叉影响的复杂的不可逆 犚 犲 犮 犲 犻 狏 犲 犱犱 犪 狋 犲 犆 狅 狉 狉 犲 狊 狆 狅 狀 犱 犻 狀 犵犪 狌 狋 犺 狅 狉 犈 犿 犪 犻 犾 热力过程 填料表面上的传热传质性能的研究方法 一直以来是许多学者关注的问题 在研究传热传质 过程中 数是传热 传质并存时的流体物性 准则 在空气 水系统的传热传质中 它使得分 析问题得到简化 但会带来一定的偏差 在研究中曾试图假定某个 数进行计 算 以改善计算的准确程度 由于在空气处理中传 质量对空气状态影响较大 为了在今后的设计中提 供必要的参考 本文建立模型时考虑了因水蒸发或 凝结而引起的水的质量变化和空气的质量变化 对 计算方法进行了改进 利用实验数据回归得到的传 热系数和传质系数代替给定 数代入建立的数 学模型 并进行了求解 实验方法 装有金属波纹填料的空气处理系统如图 所 示 水淋洒在填料表面 在填料表面形成双层布 膜 水与空气直接接触 通过热质传递实现对空气 的除 湿 冷 却 绝 热 蒸 发 冷 却 和 加 热 加 湿 等 处 理 过程 对比表面积 两种 类型的 块金属填料试件的夏季冷却除湿工况进行 了测试 实验中 可控制变量有空气质量流速 入 口空气温度 淋水质量流速 入口水温 个变量 对于每一块填料 改变其中一个进口参数的值 保 持其他参数不变进行实验 可得到反映各个变量之 间关系的大量实验数据 用多元逐步回归计算子程 序 对实验所得的数据进行了回归 得到了关于传 质系数 传热系数 和空气阻力 狆的经验 公式 本文对表 中给出的 块填料的实验结果进行 了热平衡校核 误差大于 的数据被舍去 在整 理分析实验数据的基础上 对金属孔板波纹填料的 传热传质进行了分析和探讨 并将实验结果回归 得到一系列的回归公式 为实际应用提供了方便 检验回归结果是否显著 用回归方程的复相关系数 犚来衡量 犚的绝对值越接近于 说明回归方程 的效果越好 犜 犪 犫 犾 犲 犛 犻 狕 犲狅 犳 狋 犲 狊 狋犿 犲 狋 犪 犾 犳 犻 犾 犾 对于冷却除湿过程 通过数据处理得到传质系 数 和传热系数 的关系式 传质系数 犃 犌 犃 犔犃 狋 犃 犾 狋 犃 狋 犃 传热系数 犅 犌 犅 犔犅 狋 犅 犾 狋 犅 狋 犅 当金属填料的规格型号 几何尺寸和材料一定 时 空气侧阻力 狆主要取决于空气和水的质量 流速 空气侧阻力 狆 犆 犌 犆 犔犆 数值模型 如图 建立坐标系 空气流动的方向平行于狓 轴 水流动的方向平行于狔轴 沿填料宽度的方 向为狕轴 在填料中的真实传热传质过程 是在三 维空间上 以对流为主 伴有其他的传热形式 同 时发生对流传质 分子扩散传质的复杂过程 在对 稳定流动问题的分析时 可以认为空气和水的参数 沿狕轴方向没有变化 这就将所研究的问题简化成 一个二维问题 由于填料不规则的通道对液膜的扰动性很强 空气和水在金属填料表面上流动状态是紊流状态 空气流动的主流方向呈不规则变化 流体质点随主 流紊乱波动 建模时希望数学模型越接近真实物理 过程越好 然而它的精确数学描述是困难的 其数 第 期 孙贺江等 空调用金属填料表面传热传质过程的数值分析 学模型求解也难于实现 所以只能根据所需要的精 度和可实现性建立模型 为简化问题 做以下假设 空气和水是理想 的交叉流 且流动稳定 填料表面被充分润湿 传热传质界面相同 传热传质阻力主要取决于气 相 液相阻力可以忽略 传热传质仅在 狓 狔 平面 上发生 忽略在狕方向的传热传质 整个传热传 质过程 给定填料的传质系数 传热系数取决于两 流体的质量流速及其进口状态 传热传质过程仅 发生在填料层中 与外界无传热传质 在这些假设 条件下 可以建立一个可计算的 可控制的模型 由以上假设 沿填料宽度方向 狕 无传热传 质 也即传热传质仅在 狓 狔 平面内进行 图 表示 了填料的传热传质过程和有关的边界条件 以一个 微元犪 犫 犮 犱作为控制体进行分析 该微元面积为 狓 狔 对于冷却除湿过程 进出控制体的参数如 图 所示 流进 流出控制体的干空气质量流速不 变 且流进 流出的流体的动能和位能差及控制体 中流体的动能和位能的变化可忽略不计 根据质量 守恒 能量守恒和传热传质方程式 并利用以上假 设条件 就可推导出填料传热传质计算的微分方 程组 狓 狔 对于节点犽所处的微元 该点的横坐标和纵坐 标分别为狓 狔 根据质量守恒定律 空气含湿量 的增量等于水量的变化 犌 犠 狓 狔 犔 狔狓 根据能量守恒定律 空气侧热量的改变量等于 水侧热量的改变量 犌 犺 狓 狔 犔 犺犾 犔 犔 狔 狓 犺犾 犺犾 狔 狓 略去式 中的高阶无穷小项得 犌 犺 狓 狔 犔 犺犾 狔狓 犺犾 犔 狔 狓 式 和式 即为控制体中的控制方程 依照习惯 取 时 水的焓和干空气的焓均 为 水的焓又可表达为 犺犾 犮 狆 犾 狋犾 在填料中 水的温度变化一般在 以内 水的比热容犮 狆 犾 在这种情况下变化不大 可以近似 看作常数 把式 代入式 考虑到传热传 质过程中的凝结或蒸发使水的质量流速沿狔方向 不断变化 可得 犌 犺 狓 狔 犔 犮 狆 犾 狋犾 狔狓 犮 狆 犾 狋犾 犔 狔狓 沿填料宽度 狕 方向取单位长度 狕 以 点犽为中心 取微小控制体 其长度和高度分别为 狓和 狔 图 中犪 犫 犮 犱所示 则微小控制体的体 积为 狏 狓 狔 狕 填料比表面积为犃 水均匀地 在填料表面两侧布膜 故空气与水的传热传质接触 面积为 犉 犃 狏 水蒸气的质量传递又可表达为 犌 狔 犠 狓 狔 狓 犠 犠 犉 空气与水的显热交换量为 犌 狔 犮 狆 狋 狓 狔 狓 狋犾 狋 犉 将 犉的表达式代入式 和式 并化 简为 犌 犠 狓 狔 犃 犠 犠 犌 犮狆 狋 狓狔 犃 狋犾 狋 空气与水的全热交换量为 犌 犺 狓 狔 犌 犮 狆 狋 狓 狔 狉 犌 犠 狓 狔 狋犾 狋 狉 犠 犠 犃 化 工 学 报 第 卷 湿空气的焓可写成 犺 犮狆 狋 狉 犠 饱和空气的焓可写成 犺 犮狆 狋犾 狉 犠 将式 和式 代入式 得 犌 犺 狓 狔 犃 犺犾 犺 犮狆 犮狆 狋犾 狋 以往许多空气 水系统的传热传质研究中 多 采用 关联式来简化计算 为了减少因假设空 气 水系统的传热传质满足 数而带来的计算 偏差 本研究对计算方法进行了改进 采用从实验 数据中直接回归出传质系数和传热系数的关系式 与控制方程联立求解 本文中建立的理论模型对应的方程组为 个描 述空气和水传热传质的基本方程式 即式 式 式 式 加上两个实验回归得出的 方程式 和方程式 其初始条件 狓 时 狋 狋 犺 犺 狔 时 狋 犾 狋犾 犔 犔 即可构成一个方程组 在分析填料的传热传质性能时 干空气的质量 流速 空气与水的进口参数作为初始条件是已知 的 而传热传质过程中水的质量流速 水温 空气 的焓 干球温度 湿球温度及含湿量 传质系数 传热系数在填料内部的变化均为未知 在这些未知 量中 空气的焓 干球温度 湿球温度 含湿量互 不独立 在一定的大气压力下 已知其中任意两 个参数 通过调用空气物性子程序便可确定其他参 数 因此 个方程中有 个未知量 水的质量流 速 水温 空气的焓 干球温度 传质系数和传热 系数 方程组得以封闭 离散方程组的建立 这是一个有工程实际意义的流动与传热传质问 题 然而 解析解的求解是十分困难的 随着计算 机的发展 数值计算方法越来越广泛地得到应用 因此 本课题研究中 采用差分方法建立离散方程 组并求解 根据上 述 计 算 方 法 采 用 语 言 编写了求金 属 填 料 表 面 传热传质问题数值解 的 计算机程 序 有 关 的 空 气 和水的 物 性 方 程 采 用 给 出的 关 系 式 并 编 写 了 相 应 的 空 气 物 性 子 程序 金属填料表面传热传质性能分析 以结 构 尺 寸 为 比表面积为 填料为例 任意选择了实验中的一个除湿冷却 工况 比较实测数值和程序计算出的数值 从图 可以看出 出口空气的焓偏差在 范围 内 说明数学模型与实际情况吻合较好 模型建立 合理 金属填料表面传热传质问题是一个空气 水系 统的对流传热传质问题 由于在填料型热湿交换器 中 流体处于紊流状态 流体质点沿主流运动方向 的周围做紊乱的不规则脉动 且填料交错的波纹形 状和表面的冲孔 都有利于破坏边界层 增强填料 中流体的剧烈扰动 减少传热传质的阻力 提高传 热传质性能 但是 它却给准确的数学描述和求解 带来了很大困难 为了了解填料内部的热力学参数 以便改进其性能 或者根据需要而计算填料的几何 尺寸 本文的数值分析针对所研究的金属填料给出 了其内部的温度场 填料表面水温和空气温度的分布 对于冷却除湿过程 图 给出了当淋水温度为 进口空气干球温度 湿球温度分别为 空气质量流速为 淋水质量流速为 沿气流方向 长度为 和 时 填料表面上水温分 布情况 在沿气流方向狕的垂直面上 在进口段 当狕 时 冷水自上而下与空气进行热量和质量 交换 水温升高 空气温度下降 湿度增加 而到 了出口段 狕 时 空气已与水进行了很充分 的热量和质量交换 空气已接近饱和 显热和潜热 第 期 孙贺江等 空调用金属填料表面传热传质过程的数值分析 交换的量已经很小 水温变化较小 当进口空气干球温度为 不同的相对湿 度时 高 度 为 沿气流方 向 长 度 为 时 填料表面的湿球温度分布情况如图 所 示 进口空气越湿 相对湿度高 为达到冷却除 湿目的则要求水温越低 而较干燥的空气达到同样 目的则相对容易 有利于制冷机在较高的效率下 运行 数值计算结果的应用 数值解尽管受到假设条件的影响 求解的精 度有时不够高 甚至有时不收敛 然而其结果反 映了研究对象内部各个过程变化的规律 从而 可以找出满足工程实际需求的各项参数及其结构 尺寸 在金属填料型空调机组中 要考虑到冷水机组 提供的冷水温度一般为 供水 回水 温差 为 从前面的分析可知 当填料的空气质量流 速和淋水质量流速一定 且传递热量一定时 填料 淋水的进出口温差与填料的高度有很大影响 这就 要求填料的高度必须与冷水机组的工作温差相匹 配 填料淋水进口断面水温相等 而出口断面水温 沿气流方向是不相等的 如图 所示 因此出口水 温应按平均温度计算 数值分析结果提供了金属填 料设计选择的计算方法 可以根据给定的流经填料 的空气质量流速和淋水质量流速及冷水的供回水温 差 计算出所需填料的高度 结 论 本文建立的模型考虑到填料在横向的传热 传质很少 将填料中的传热传质简化成了二维问 题 使用该模型 避免了复杂的三维计算 这个模 型对本研究是适用的 所得到的数值解能够满足工 程上的精度要求 本文建立模型时考虑了因水蒸发或凝结而 引起的水的质量变化和空气的质量变化 利用实验 数据回归得到的传热系数和传质系数代入建立的数 学模型 实验研究证明使用这个改进的方法 使得 模型的数值解与实验结果吻合得较好 数值分析结果描述了金属填料内部空气的 湿球温度场和填料表面水膜的温度场 对于研究金 属填料表面传热传质性能是十分重要的 为金属填 料用于空调机组中的设计提供了计算方法 可以根 据给定的流经填料的空气质量流速 淋水质量流 速 空气进口状态及冷水的供回水温差 计算出所 需填料的高度 为满足工程精度要求的设计提供 依据 符 号 说 明 犃 比表面积 犃 犃 犃 犃 犃 犃 分别为由实验数据回归的