基于“火積”的噴淋室內(nèi)氣-水熱濕交換性能分析

陳 冬，鮑玲玲

基于“火積”的噴淋室內(nèi)氣-水熱濕交換性能分析

陳 冬，鮑玲玲

（河北工程大學 能源與環(huán)境工程學院，河北 邯鄲 056038）

為研究空氣飽和程度對換熱效果的影響，采用數(shù)值模擬方法，計算氣體沿等溫線、等焓線、等含濕量線向飽和線靠近的過程中全熱交換量、“火積”耗散、“火積”耗散熱阻、全熱交換效率的變化情況。研究發(fā)現(xiàn)：氣體沿著這三條線逐漸向飽和線靠近時其“火積”耗散熱阻始終在減小，全熱交換效率在增大。

“火積”；全熱交換效率；等溫線；等焓線；等含濕量線

由于熵是不適合不可逆性傳熱問題的分析,需要一個新的物理量“火積”來測量與熱工轉(zhuǎn)化無關的傳熱過程的不可逆性[1-2]。為了分析和優(yōu)化不涉及熱功轉(zhuǎn)換的傳熱過程，過增元等[3]證明了“火積”耗散優(yōu)化原理與熱功轉(zhuǎn)換無關，即當“火積”耗散達到極值時傳熱性能最優(yōu)。并成功應用于優(yōu)化熱傳導[4]、熱對流[5]、耦合傳熱傳質(zhì)[6-7]。陳群[8-9]建立了用于分析傳熱或傳質(zhì)過程和優(yōu)化蒸發(fā)冷卻過程的“火積”理論，建立了空氣與水直接接觸式“火積”耗散方程。江億等[10]提出對于傳遞過程，只要存在顯熱傳遞溫差或傳質(zhì)含濕量差，即存在顯熱“火積”損失或濕“火積”損失，且傳遞“火積”損失永遠為正，總“火積”損失是過程微元傳遞“火積”損失的總和。本文將采用FLUENT模擬的方法，分別沿等溫線、等焓線、等含濕量線改變空氣入口相對濕度條件下，研究上噴式噴淋室內(nèi)氣水熱濕傳遞過程中全熱交換量、“火積”耗散損失、“火積”耗散熱阻和全熱交換效率的變化規(guī)律。從而為蒸發(fā)冷卻、余熱回收、空氣凈化等各種系統(tǒng)的氣-水的傳熱傳質(zhì)性質(zhì)分析提供指導。

1 模型的建立

1.1 數(shù)值計算方法

噴淋水情況下的模擬研究采用的是離散相(Discrete Phase Model)模型，該模型采用歐拉-拉格朗日方法，即將氣流視為連續(xù)相，將水滴軌跡視為分散在連續(xù)相中的離散相。先用歐拉法求解連續(xù)相流場，再用拉格朗日法求解離散相[11]。由于不能忽略離散相的水滴對連續(xù)相的濕空氣場的影響，故選用離散相與連續(xù)相的耦合(Two-Way Coupling)，通過耦合可以計算出水滴在其運行軌跡中失去或得到的熱量、質(zhì)量、動量對連續(xù)相相應方程的計算結(jié)果造成的影響[12]。

1.2 物理模型

該模型來源于河北工程大學能源與環(huán)境工程學院通風實驗室噴淋熱濕交換實驗臺，如圖1所示。換熱器進風口尺寸0.4 m×0.4 m，出風口尺寸為0.4 m×0.4 m，高4 m。出口下方0.3 m處有擋水板，擋水板下方1.7 m截面處設噴嘴。

圖1 噴淋室結(jié)構圖 (單位：mm)Fig.1 Spray chamber structure

2 熱濕傳熱傳質(zhì)過程“火積”分析模型

2.1 熱濕傳遞單元“火積”分析模型

陳群等根據(jù)質(zhì)量傳遞與熱量傳遞之間的類比性，提出了質(zhì)量“火積”的概念，質(zhì)量“火積”用于描述混合物中某一組分向周圍介質(zhì)擴散的能力。之后通過對蒸發(fā)冷卻器內(nèi)空氣-水傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象物理機制的研究，又提出了表征濕空氣吸熱能力的物理參數(shù)——濕空氣“火積”，濕空氣“火積”等于濕空氣熱量“火積”與濕度“火積”之和[9]，當以環(huán)境溫度下的飽和空氣為狀態(tài)參考點( p0, t0, d0)時，濕空氣“火積”表示為

式中：Ja—濕空氣的“火積”；G—空氣流量，kg/s；cp,a—空氣的定壓比熱，kJ/(kg?K) ；Ta—空氣溫度，K；γ—汽化潛熱，KJ/kg；Tdb—空氣的露點溫度，K；d—空氣含濕量，g/kg。

當以環(huán)境溫度下的飽和空氣為狀態(tài)參考點( p0,t0, d0)時，水只具有熱量“火積”：

式中：W—水的流量，kg/s；cp,w—水的定壓比熱，kJ/(kg?K)；Tw—水滴溫度，K。

對于噴淋室內(nèi)熱濕交換單元內(nèi)空氣-水熱濕交換過程總的“火積”耗散等于流入單元的濕空氣及水的“火積”與流出單元的濕空氣及水的“火積”之差，即

式中：Qt—全熱交換量，kW；i1、i2—空氣進出口焓值，kJ/kg。

則熱濕交換單元的濕“火積”耗散熱阻定義為熱濕交換過程總的“火積”耗散與全熱交換量平方的比值，即

式中：Rh—“火積”耗散熱阻，K/kW。

2.2 全熱交換效率

全熱交換效率同時考慮了空氣和水的狀態(tài)變化，反映了空氣和水熱濕交換的完善程度。

式中 ：ts1、ts2—空氣初、終態(tài)的濕球溫度， ℃；tw1、tw2—水氣初、終溫度，℃。

通過計算，取y=3.6 m斷面上面平均溫度、水蒸氣質(zhì)量分數(shù)為空氣的出口溫度、出口水蒸氣質(zhì)量分數(shù)，然后通過查焓濕圖得出進出口焓差得到全熱交換量從而得出水滴的最終溫度。通過查焓濕圖還可以得到空氣的含濕量、露點溫度、濕球溫度等參數(shù)，從而對熱交換過程的“火積”耗散、“火積”耗散熱阻、全熱交換效率進行計算。

3 計算結(jié)果分析

3.1 計算參數(shù)選擇

氣水初參數(shù)設定如下：

水滴初始溫度Tw=310.15 K，水滴直徑D=1.8 mm，噴頭高度為H =2.3 m，水滴初速度vw=6 m/s，水氣比 β=1。

空氣初始溫度Ta=298.15 K，含濕量d =5.959 g/kg，空氣進口速度va=5 m/s，分別沿等溫線、等焓線、等含濕量線從相對濕度φ=30%到φ=90%變化。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 沿等溫線

當空氣初參數(shù)沿等溫線變化時，氣水熱濕交換過程的全熱交換量、“火積”耗散、“火積”耗散熱阻、全熱交換效率變化情況如圖2所示：

通過模擬計算發(fā)現(xiàn)，隨著空氣初狀態(tài)沿等溫線（T =298.15 K）接近飽和線，其全熱交換量不斷減少，當相對濕度φ=90%時，全熱交換量最小為24 kW；當相對濕度φ=30%時，全熱交換量為32 kW，達到最大值。隨著進口空氣相對濕度的增大，“火積”耗散不斷降低，當相對濕度φ=90%時，“火積”耗散最小為138 kW? K；當相對濕度φ=30%時，“火積”耗散最大為746 kW?K。隨著進口空氣相對濕度的增大，“火積”耗散熱阻逐漸降低，相對濕度φ=90%時，“火積”耗散熱阻最小為0.02 K/kW；相對濕度30%時，“火積”耗散熱阻最大為0.72 K/kW。隨著進口空氣相對濕度的增大，全熱交換效率逐漸增大，當相對濕度φ=30%時，全熱交換效率最小為0.81；當相對濕度φ=90%時，全熱交換效率最大為0.93。

3.2.2 沿等焓線

當空氣初參數(shù)沿等焓線變化時，氣水熱濕交換過程的全熱交換量、“火積”耗散、“火積”耗散熱阻、全熱交換效率變化情況如圖3所示：

圖2 空氣初始狀態(tài)沿等溫線變化Fig.2 Air initial state changes along the isothermal

圖3 空氣初始狀態(tài)沿等焓線變化Fig.3 Air initial state changes along the isenthalpic

通過計算模擬發(fā)現(xiàn)，隨著空氣初狀態(tài)沿等焓線(i =40.43 kJ/kg)變化接近飽和線時，其全熱交換量幾乎不變?yōu)?2 kW；隨著進口空氣相對濕度的增大，“火積”耗散不斷降低，當相對濕度φ=90%時，“火積”耗散最小為497 kW?K；當相對濕度φ=30%時，“火積”耗散最大為746 kW?K。隨著進口空氣相對濕度的增大，“火積”耗散熱阻逐漸降低，相對濕度φ=90%時，“火積”耗散熱阻最小為0.47 K/kW；相對濕度φ=30%時，“火積”耗散熱阻最大為0.72 K/kW。隨著進口空氣相對濕度的增大，全熱交換效率幾乎不變?yōu)?.81。3.2.3 沿等含濕量線

當空氣初參數(shù)沿等含濕量線變化時，氣水熱濕交換過程的全熱交換量、“火積”耗散、“火積”耗散熱阻、全熱交換效率變化情況如圖4所示：

圖4 空氣初始狀態(tài)沿等含濕量線變化Fig.4 Air initial state changes along the isobume

通過計算模擬發(fā)現(xiàn)，隨著空氣初狀態(tài)沿等含濕量線（d =5.959 g/kg）變化接近飽和線時，其全熱交換量不斷增大，當相對濕度φ=30%時，全熱交換量最小為32 kW；當相對濕度φ=90%時，全熱交換量最大為56 kW最大。隨著進口空氣相對濕度的增大，“火積”耗散不斷增大，當相對濕度φ=30%時，“火積”耗散最小為746 kW?K；當相對濕度φ=90%時，“火積”耗散最大為1 089 kW?K。隨著進口空氣相對濕度的增大，“火積”耗散熱阻逐漸降低，相對濕度φ=90% 時，“火積”耗散熱阻最小為0.32 K/kW；相對濕度φ=30%時，“火積”耗散熱阻最大為0.72 K/kW。隨著進口空氣相對濕度的增大，全熱交換效率逐漸增大，當相對濕度φ=30%時，全熱交換效率最小為0.81；當相對濕度φ=90%時，全熱交換效率最大為0.98。

4 結(jié)論

1）空氣初狀態(tài)沿等溫線接近飽和線時全熱交換量不斷降低、“火積”耗散不斷降低、全熱交換效率不斷增大、“火積”耗散熱阻不斷降低。

2）空氣初狀態(tài)沿等焓線接近飽和線時全熱交換量沒明顯變化、“火積”耗散不斷降低、全熱交換效率幾乎不變、“火積”耗散熱阻不斷降低。

3）空氣初狀態(tài)沿等含濕量線接近飽和線時全熱交換量不斷增加、“火積”耗散不斷增加、全熱交換效率不斷增大、“火積”耗散熱阻不斷降低。

由以上的熱濕交換規(guī)律可知，在上噴式噴淋換熱器中空氣的相對濕度越大，氣水全熱交換效率越高，“火積”耗散熱阻越低，為增大噴淋換熱器的換熱性能，在噴淋換熱之前可對低濕空氣進行加濕處理提高空氣的含濕量，以提高氣水全熱交換效率，減小“火積”耗散熱阻。

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The performance analysis of spray chamber air- water heat exchange based on the entransy

CHEN Dong，BAO Lingling
(College of Energy and environmental Engineering, Hebei University of Engineering, Handan, 056038,China)

In order to investigate the influences of air saturability on the heat transfer effect, this paper uses the numerical simulation method to calculate the effect on total heat exchange, entransy dissipation, entransy dissipation thermal resistance and heat exchange efficiency when air changes delay isotherm, isenthalpic and isobume near the saturation line . It is found that when the gas changes along the three lines approach to the saturation line, the thermal dissipation of the entransy dissipation always decreases, and the total heat exchange efficiency increases.

entransy；total heat exchange efficiency；isotherm；isenthalpic；isobume

TK124

A

1673-9469（2017）03-0069-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.03.015

2017-05-04 特約專稿

國家自然科學基金資助項目（51408182）

陳冬（1991-），男，山西晉中人，碩士，從事熱質(zhì)傳遞方面研究。