高濕氣流冷卻冷凝過程數(shù)值模擬

高濕氣流冷卻冷凝過程數(shù)值模擬

高濕度氣流凝霧機理高濕度氣體沉淀的傳統(tǒng)屬于含不冷氣的蒸汽凝膠研究范疇。隨著產(chǎn)品質(zhì)量的發(fā)展，工業(yè)廢水的處理和化工過程變得越來越重要。例如，含硫氣廢水處理（wsa）的硫酸鈉（wsa）、磷酸鈉的氣候?qū)W和硝基化的化學(xué)處理。第一種方法是避免收集沉淀，防止硫酸和酸沉淀。第二種方法是創(chuàng)建條件，將化學(xué)品和載能物質(zhì)從廢水中分離出來，并根據(jù)不同的力學(xué)因素來避免沉淀。從學(xué)術(shù)意義上講，在非平衡力學(xué)因素的推動下，凝沉淀現(xiàn)象經(jīng)歷了從單相流到多相流的生成和發(fā)展過程。多尺度復(fù)雜系統(tǒng)的非平衡性力學(xué)過程也很典型。高濕度氣流凝霧現(xiàn)象的理論研究可以歸納為膜狀冷凝和霧狀冷凝兩種基本假說,前者集中于壁面上的冷卻冷凝相變研究,后者集中于氣相過飽和度研究.但實際上兩者是互為因果的強相關(guān)過程.迄今尚無理論模型來表達強冷卻壁面影響下,高濕度氣流從過熱狀態(tài)經(jīng)歷冷卻、霧狀和膜狀冷凝發(fā)展為非平衡多相流的全過程.從高濕度工業(yè)廢氣資源化利用的實際出發(fā),在以冷卻表面為邊界的流動與傳熱傳質(zhì)過程中,氣相溫度和水蒸氣濃度呈明顯的非均勻分布.冷壁面附近出現(xiàn)蒸汽過飽和,膜狀冷凝依附冷壁面發(fā)生;氣相主體局部出現(xiàn)蒸汽過飽和,霧狀冷凝即依附于微粒(如粉塵)產(chǎn)生.本課題前期研究采用分配系數(shù)表征膜狀冷凝和霧狀冷凝對過程的控制,但分配系數(shù)的確定需要通過實驗數(shù)據(jù)回歸.本文提出高濕氣流膜狀冷凝與霧狀冷凝并存的機理模型和局部過飽和蒸汽冷凝氣液兩相流模型,并以此為基礎(chǔ)進行過程模擬.1u3000數(shù)l的基本方程文獻關(guān)于膜狀冷凝和霧狀冷凝模型的根本區(qū)別在于:膜狀冷凝假設(shè)冷凝潛熱全部在液膜表面釋放并通過液膜傳遞至冷壁面;霧狀冷凝則假設(shè)冷凝在氣相空間發(fā)生,與傳熱表面不直接相關(guān),且氣相焓值不隨冷凝發(fā)生而減少,而是以對流傳熱方式傳遞給冷壁面.基于高濕度工業(yè)廢氣膜狀冷凝與霧狀冷凝并存的機理,本文提出局部過飽和蒸汽冷凝模型.如圖1所示,以氣相局部濕度H與飽和濕度Hs之差(H-Hs)表征局部冷凝推動力,則過程冷凝相變條件和新相產(chǎn)生速率可表示為Η≤Ηs?˙mcond=0?Η>Ηs?˙mcond=˙mair(Η-Ηs)(1)H≤Hs?m˙cond=0?H>Hs?m˙cond=m˙air(H?Hs)(1)本模型假設(shè)凝霧產(chǎn)生的液相繼承原來蒸汽相所具有的動量并跟隨氣相運動.氣相視為擬均相,凝霧量即為與液相的傳質(zhì)量.凝霧的發(fā)生由局部過飽和狀態(tài)惟一控制.在單相流過飽和冷凝模型的基礎(chǔ)上,本文采用氣液兩相流混合模型,引入液相體積分數(shù)αl實現(xiàn)氣液兩相的耦合與傳遞的定量表征.忽略體系中氣液相的滑移,即→ul=→ug=→umu?l=u?g=u?m,則描述該混合物體系的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程可表示為??(ρm→um)=0(2)??(ρmu?m)=0(2)??(ρm→um→um)=-?p+??[μm(?→um+?→uΤm)]+ρm→g(3)??(ρmu?mu?m)=??p+??[μm(?u?m+?u?Tm)]+ρmg?(3)??(αl→ulρlcplΤ+αg→ugρgcpgΤ)=??(km?Τ)+Stem(4)??(αlu?lρlcplT+αgu?gρgcpgT)=??(km?T)+Stem(4)霧相連續(xù)性方程、氣相蒸汽組分傳質(zhì)方程分別表示為??(αlρl→um)=Sl(5)??(αlρlu?m)=Sl(5)??(ρg→ugf)=??[(Dg+Dt)?f]+Sf(6)??(ρgu?gf)=??[(Dg+Dt)?f]+Sf(6)采用k-ε兩方程模型描述體系的湍流狀態(tài)??(ρmk→u)=??[(μ+μtσk)?k]+Gk-ρε(7)??(ρmku?)=??[(μ+μtσk)?k]+Gk?ρε(7)??(ρmε→um)=??[(μ+μtσε)?ε]+εk(C1εGk-C2ερmε)(8)??(ρmεu?m)=??[(μ+μtσε)?ε]+εk(C1εGk?C2ερmε)(8)其中αl+αg=1,ρm=αlρl+αgρgμm=αlμl+αgμg+μt,km=αlkl+αgkg+kt(9)Sl=Sf=˙mcond?Stem=˙mcondrv(10)引入量綱1變量r*=(r-ri)/rh?x*=x/L?→v*=ρin→vrh/μin?p*=p/[μ2in/(ρinrh)]?k*=k/[μin/(ρinrh)]2?ε*=ε/[μ3in/(ρ3inr4h)]?Τ*=(Τ-Τw)/(Τin-Τw)?ρ*=ρ/ρin?μ*=μ/μin?γ=rh/ri=κ-1?κ=ro/ri?A=L/rh(11)其中,特征值rh=ro-ri;ρin、μin、fin為混合氣進口處的參數(shù)值.與文獻相似,量綱1的輸運方程可表示為A??x*(ρ*u*x?)+A21γr*+1??r*[ρ*(γr*+1)u*r?]=??x*(Γ*????x*)+A21γr*+1??r*[(γr*+1)Γ*????r*]+S*?(12)式中?為通用輸運量,分別代表1、u*x、u*r、T*、αl、f、k*、ε*.其中Γ*αl=0,各方程的源項可表示為˙mair=ρgux(1-f)/Δx(13)S*l=S*f=˙mairL2/(ρinμin)(14)S*tem=StemL2/[μin(Τin-Τw)]=S*lrvcp(Τin-Τw)(15)令β=cp(Τin-Τw)rv,代入式(15),有S*tem=1βS*l(16)式中量綱1數(shù)β反映對流傳熱推動力的大小.2風(fēng)場模擬對比考慮到工業(yè)上最為普遍的冷凝設(shè)備大多以傳熱管為核心元件,由對稱性可將問題簡化為二維.如圖1所示,本文構(gòu)建恒壁溫冷凝管外雙組分(空氣與水蒸氣)混合氣體在環(huán)形空間二維穩(wěn)態(tài)流動條件下的湍流相變流場,對該流場的溫度分布、濕度分布、傳質(zhì)推動力分布與凝霧分布等進行數(shù)值模擬.2.1出口壓值入口采用均一速度、溫度,水蒸氣質(zhì)量分數(shù)fin根據(jù)工程實際作為初值設(shè)定;出口壓力為大氣壓條件,其他變量的出口值由模擬結(jié)果惟一確定;外壁面采用絕熱壁面條件;內(nèi)壁面溫度保持恒定;近邊界面的處理,采用壁面函數(shù)方法對u、k、ε的壁面邊界值進行模擬計算.流體物性參數(shù)采用與文獻相同的設(shè)置.2.2基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布,1.網(wǎng)格節(jié)點采用120×600(徑向×軸向),徑向網(wǎng)格非均勻劃分,在靠近邊界處采用密集網(wǎng)格分布;軸向網(wǎng)格劃分采用均勻布點.輸運方程的離散方法采用QUICK方案,壓力-速度耦合采用SIMPLEC方案.迭代精度取各輸運標量計算殘差達到10-5.3結(jié)果與討論采用與文獻相同的實驗裝置作為模擬對象.由實驗裝置的幾何參數(shù),模型的形狀參數(shù)A、γ、κ分別為375、1、2.3.1不同截面的中氣運動特性入口蒸汽為不飽和態(tài),傳統(tǒng)的設(shè)計計算中,通常認為過熱蒸汽將首先在換熱器的前端放出顯熱而達到飽和,其后發(fā)生相變并釋放冷凝潛熱.而非平衡冷凝過程并非如此.圖2和圖3分別為uin*=7860,βin=0.024,fin=0.2278條件下,冷凝管前端(x*=0～0.08)流體溫度和氣相中蒸汽組分的質(zhì)量分數(shù)分布.如圖2所示,流體在進入換熱管后,沿徑向在冷壁面附近溫度梯度顯著,顯示在此位置形成了一層阻礙熱量傳遞的熱阻.圖3顯示,與溫度分布一致,徑向上靠近冷壁面附近,氣相中的蒸汽質(zhì)量分數(shù)急劇下降,導(dǎo)致不凝性空氣在此聚集,形成阻礙蒸汽向冷壁面?zhèn)鬟f的氣膜.圖4為冷凝推動力分布,H-Hs>0代表水蒸氣過飽和,將發(fā)生冷凝;H-Hs<0則水蒸氣不飽和,不發(fā)生冷凝.圖4表明,進入換熱管的過熱蒸汽,在氣相主體雖維持熱力學(xué)不飽和狀態(tài),但在靠近冷壁面附近存在蒸汽過飽和區(qū).綜合圖2～圖4,可知,氣相主體的蒸汽濃度高但同時溫度高對應(yīng)的飽和濕含量也高,因此處于不飽和態(tài),冷凝速率為零;而氣膜內(nèi)雖然蒸汽濃度較低但溫度低、飽和濃度也低,因此處于過飽和狀態(tài)而發(fā)生冷凝.可見該過程的特征為整體不飽和,局部過飽和.霧狀冷凝中,凝霧若在冷凝空間彌散,將不利于冷凝熱向傳熱壁面的傳遞.TopsФe的WSA制酸工藝中,酸霧冷凝器的主要技術(shù)特征即在于成品酸的收集和減少尾氣中的酸霧含量,所以酸霧分布的控制是關(guān)鍵.圖5給出了進口段凝霧相的分布.如圖所示,雖然蒸汽以不飽和態(tài)進入,但在冷壁面附近因溫度分布的影響蒸汽呈局部過飽和態(tài),導(dǎo)致此處凝霧已經(jīng)形成.沿軸向,凝霧的體積分數(shù)不斷增大,顯示了凝霧的增長.而凝霧在徑向上亦不斷拓寬,但其分布仍集中于冷壁面附近,并與溫度梯度、氣相濕分梯度和冷凝推動力的分布相對應(yīng).在冷凝管的后半段,隨著凝霧的不斷生成,冷壁面附近的凝霧相體積分數(shù)不斷增加,最終達到αl=1.表明凝霧液滴積聚形成穩(wěn)定的液膜.液膜以外仍維持氣-霧混合相狀態(tài).此時,該體系的冷凝特性亦由霧狀冷凝轉(zhuǎn)變?yōu)殪F狀-膜狀冷凝共存狀態(tài).3.2影響因素和凝霧分布在非平衡冷凝條件下,凝霧將依附于傳熱壁面生成,其分布受傳質(zhì)、傳熱推動力等因素控制.(1)不同軸向抗霧能力的液膜及凝霧性能圖6、圖7分別為凝霧相體積分數(shù)αl和過飽和度(Η-Ηs)/Ηs沿徑向的分布.如圖6所示,在u*in=7860、βin=0.024、fin=0.2278條件下,凝霧分布最寬達到流通截面約50%的范圍.圖7中過飽和度數(shù)值等于-1處代表不同軸向位置的液膜層.隨著冷凝的進行,沿軸向蒸汽的過飽和度逐漸降低,而凝霧量則逐漸增大,且其生成的范圍沿徑向擴展.結(jié)合圖5可知,在x*=0.7附近,冷壁面附近的凝霧相體積分數(shù)αl=1,凝霧相在此處形成液膜,液膜的厚度最大達到r*=0.0015.因此冷表面作用下的高濕氣流凝霧體系,并非是單純的霧狀冷凝或者膜狀冷凝.冷凝器前端,在氣相高過飽和度的作用下,體系發(fā)生霧狀冷凝;而在后端,由于凝霧積聚成膜,而液膜以外的氣相空間仍維持較高的過飽和度,因而體系中霧狀冷凝和膜狀冷凝共存.(2)凝霧機理分析圖8為不同傳熱推動力βin條件下蒸汽過飽和度的分布.冷凝套管的內(nèi)管通過強制對流的方式維持換熱壁面溫度為328.15、323.15、318.15、313.15和308.15K,分別對應(yīng)傳熱推動力βin為0.013、0.016、0.019、0.021和0.024.如圖所示,凝霧區(qū)的范圍隨傳熱推動力的增大而增大.當βin從0.013增大至0.024時,在冷凝管出口即x*=1處,凝霧區(qū)由r*=0.2增大為0.5.繼續(xù)增大βin至0.029,即將冷壁面溫度降低至常溫(Tw=298.15K),凝霧區(qū)在冷凝管出口處將達到r*=0.6.可以預(yù)計存在一個極限βin,使得凝霧區(qū)的分布充滿整個流通截面.以上模擬結(jié)果表明,通過優(yōu)化過程傳熱推動力βin,可將凝霧區(qū)控制在冷壁面附近以便于成膜,有效降低氣相中的凝霧濃度.按一組典型的現(xiàn)場實驗條件進行的數(shù)值模擬及其與實驗結(jié)果的對照列于表1.實驗裝置詳述見文獻,實驗條件為常壓,高濕氣流進口質(zhì)量流量0.02524kg·s-1,溫度Tin=353.15K,蒸汽質(zhì)量分數(shù)fin=0.2278,露點溫度344.15K,冷壁面溫度Tw=308.15～328.15K.如表1所示,模擬數(shù)據(jù)表明,當壁溫從328.15K降至308.15K時,冷凝管單位體積的平均冷凝量由0.148kg·m-3·s-1增大到0.286kg·m-3·s-1.應(yīng)用本模型得到的容積平均蒸汽冷凝率w模擬數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果的相對誤差低于±9%,表現(xiàn)出較好的一致性,驗證了凝霧機理和模擬結(jié)果的合理性.4聚成膜流場模擬結(jié)果分析了冷表面作用下高濕度氣流凝霧及成膜過程的機理,建立了局部過飽和蒸汽冷凝氣霧兩相流模型.依據(jù)本模型對高濕氣流冷凝過程的模擬結(jié)果表明:(1)流場中溫度、氣相濕分呈不均勻分布,蒸汽僅在冷壁面附近達到局部過飽和,決定了該冷凝過程的非平衡性;(2)在本研究體系,凝霧依附于冷表面生成.凝霧發(fā)生受蒸汽過飽和度控制,其在徑向的分布范圍隨傳熱推動力的增大而增大,實際工業(yè)過程中可以通過傳熱推動力βin的優(yōu)化,控制冷凝空間的凝霧分布;(3)凝霧相在冷壁面附近積聚成膜,流場模擬結(jié)果得到了高濕度氣流由入口經(jīng)歷過飽和凝霧、霧相積聚、成膜最后達到霧狀-膜狀冷凝并存過程的定量表征;(4)模擬得到的冷凝速率與實驗數(shù)據(jù)的相對誤差低于±9%,驗證了本模型和模擬結(jié)果的合理性.符號說明A,γ,κ——形狀系數(shù)Cμ,C1ε,C2ε,σk,σε——湍流模型常量D——分子擴散系數(shù),m2·s-1f——氣相蒸汽質(zhì)量分數(shù),kgH2O·(kg混合氣)-1Gk——湍能生成項,kg·m-1·s-3H——濕度,kgH2O·(kg不凝氣)-1k——湍流能量,m2·s-2kg,kl,km——分別為氣相、霧相、混合物的熱導(dǎo)率,W·m-1·K-1L——換熱器長度,m˙mair——不凝氣質(zhì)量流率,kg·m-2·s-1˙mcond——入口蒸汽質(zhì)量流率,kg·m-3·s-1Pr——Prandtl數(shù)p——壓力,Par,x——柱坐標變量rh——當量半徑,m