板式蒸发式冷凝器 CFD 模拟与实验研究

板式蒸发式冷凝器CFD模拟与实验研究
张景卫 朱冬生 吴治将 李元希 蒋翔
（华南理工大学化工与能源学院传热强化与过程节能教育部重点实验室，广州 510640）
摘 要：通过运用FLUENT软件对板式蒸发式冷凝器板束中气液两相逆流、并流两种操作进行模拟，直观地表征了板束中喷淋水流量、风速及风向对水膜流动的影响，并在此基础上对板式蒸发式冷凝器的三种操作─-逆流、并流、错流进行了传热实验研究，模拟及实验研究的结果显示：空气与水并流比逆流、错流更有利于利用液体薄膜强化传热传质的特性。

关键词：冷凝器 CFD模拟 强化传热 波纹板 板束
THE CFD SIMULATION AND EXPERIMENTAL STUDY OF THE
PLATE-TYPE EV APORATIVE CONDENSER
Zhang Jingwei Zhu Dongsheng Wu Zhijiang Li Yuanxi Jiang Xiang
(The Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation of the Ministry of Education, School of Chemical and Energy Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640,Guangdong,China)
Abstract：This paper presents a simulation of two operations—upwind, downwind with two-phase flowing in the plate bundles of the plate-type evaporative condenser, by means of the FLUENT software, which provide a direct illustration of the influence of the water film flowing on spray water flow、wind velocity、wind direction in the plate bundles. An experimental study of the heat transfer of three operations—downwind、upwind and crosswind operation in the plate-type evaporative condenser is pressed on the base of which. The result of simulation and experimental study demonstrates the advantages of downwind operation over upwind operation and crosswind operation in making use of enhanced heat transfer and mass transfer of fluid film.
Keywords：Condenser CFD simulation Heat transfer enhancement corrugated plates plate bundle
0 前言
利用液膜进行传热传质已经成为动力、化工、制冷、轻工、食品等工业中最重要的单元操作之一。

若液膜足够薄，可在液膜内部出现极大的温度梯度，其传热、传质强度则是同等流动条件下的单相流动的几倍或几十倍。

因此，液膜传热传质具有效率高，强度大，温度或浓度梯度小；流量小，消耗功率少；液-固、气-液相之间的接触面积大，传热传质充分，过程时间短；设备简单，操作维护方便。

因而在冷却，蒸发和吸收过程中已作为一项高效强化技术得到了广泛应用[1]。

板式蒸发式冷凝器是根据薄膜传热传质理论和蒸发冷凝换热理论结合而开发出来的，是一种高效节能节水冷却设备，主要利用水的蒸发潜热带走工艺流体热量，完成对工艺流体的冷凝冷却过程，
基金项目：广东省自然科学基金重点项目（04105950）。

作者简介：张景卫，（1981—），男，硕士研究生。

E-mail：zhjingwei1022@。

同时实现水的重复利用，其原理过程是典型的以传质带动传热的过程。

目前，国内外应用及研究的蒸发式冷凝器的核心部件主要是换热盘管，其研究主要集中在管型的设计、改进及管表面的处理[2-4]，从而改善水与空气的流动和分布，而关于板式蒸发式
冷凝器的研究和报导较少[5-6]。

板式蒸发式冷凝器中传热传质过程的发生与水膜和空气的流动是同时进行的，它们之间存在着相互影响，相互藕合的关系，对其交换机理的研究是提高板式蒸发式冷凝器热工性能的关键。

因此，要研究板式蒸发式冷凝器的传热传质机理，水膜与空气的流动形式及其特点是不可回避的问题，关于下降水膜与空气流动的理论研究已有不少文献进行了报导[7-12]，采用数值模拟与实验研究相结合的方法进行研究报导的较少[13]。

本文对板式蒸发式冷凝器进行了气-液两相流流动的数值模拟，分析了喷淋水量和风速及风向对水膜流动的影响，并在此基础上并对板式蒸发式冷凝器的三种操作─-逆流、并流、错流进行了传热实验研究，研究成果为板式蒸发式冷凝器的优化设计和传热传质机理的研究提供重要依据。

1 模拟及分析
本文实验用的传热板是一种网格状板片，其截面形状与波纹板类似，作者在对物理模型合理简化的基础上对板式蒸发式冷凝器气液两相逆流、并流进行了模拟。

计算采用可实现k ε−两方程湍流模型；离散时时间项采用隐格式；对流项采用一阶迎风格式；压力项采用PRESTO ！算法；压力-速度耦合方程的求解采用PISO 方法；时间步长从6
110
−×到4
110−×之间选取。

气-液相界面的追踪采用精度较高的Geo-Reconstruct 界面重构技术[14]，动量源项由FLUENT6.2中编制UDF 接口程序来实现。

1.1 喷淋水量的影响
图1为不同水流量下水膜的流动分布情况。

图1不同水流量下水膜分布
从图1可以看出，水膜在入口处的厚度较大，沿流动方向水膜厚度逐渐变薄，最后基本稳定在某一厚度。

这是因为入口处水膜的流速很小，同时受到相界面剪切力的阻力作用。

在流动过程中，水膜在自身重力和相界面剪切力的共同作用下作加速运动，流速加快，水膜表面自然收缩，因此，在下游区域，重力作用占居支配地位。

另外，从图上也可以看出，随着水流量的不断增大，波纹板下降水膜的厚度也在明显地增加，但水膜随板波纹形状形成周期性波动的流动形状没有改变； 1.2 气相对水膜流动的影响 1.2.1 气液两相逆流
图2是流量W =0.05 kg/s 、空气流速W=2 m/s 时水膜的流动情况。

从图中可以看出，在初始时（空气流速为0），板面上水膜随板波纹形状形成周期性的界面波；当水膜流动达到稳定后开始进风，由于空气与水膜之间存在剪切力，使得空气对水膜有向上托滞的趋势，随着空气的不断深入，水膜表面的湍动程度不断加剧；在1.57 s 时，水膜明显发生团聚，厚度增大，此后水膜继续加厚且流动明显变得缓慢；在1.74 s 时，水膜平均厚度较初始时有明显的增大；从流体力学分析，此时水膜自身的重力大于空气向上的剪切力，水膜将继续向下流动；当在10.24 s 时，水膜自由表面形状与初始时1.42 s 时的流动状况相似。

因此，在空气与水逆流情况下，水膜流动状态呈周期性变化。

图2气-液两相逆流（水-空气，W=0.05 kg/s，G=2 m/s） 图3~图6为在同一水流量W=0.05 kg/s、空气流速为2.3 m/s、2.5 m/s、2.8 m/s、3.0 m/s时水膜的流动情况。

图3气-液两相逆流（G
=2.3 m/s） 图4气-液两相逆流（G=2.5 m/s）
图5气-液两相逆流（G=2.8 m/s）
图6气-液两相逆流（G=3.0 m/s）
从图上我们可以看出，随着空气流速的增大，水膜表面的湍动程度将逐渐加剧，空气流速从 2.0 m/s增大至2.5 m/s时，水膜平均厚度比其初始状态均有所增大，当空气流速达到2.8 m/s以上时，由于空气对水膜有强大的向上剪切力，水膜在始初时有显著的大团聚现象，此后在下落的过程中逐渐形成较大的滞留液团，这些液团被高速吹来的空气吹散，形成液滴随空气一起向上“飘流”，水膜由初始时的连续相变成了分散相；当风速达到 3.0 m/s 时，水膜与波纹板几乎完全脱离，板表面几乎完全被裸露出来。

1.2.2 气液两相并流
图7~图10为在同一水流量W=0.05 kg/s下，空气流速为2.0 m/s、2.3 m/s、2.5 m/s、2.8 m/s时与水并流的流动情况。

图7气-液两相顺流（G=2.0 m/s）
图8气-液两相并流（G=2.3 m/s）
图9气-液两相顺流（G=2.5 m/s）
图10气-液两相顺流（G=2.8 m/s）
从图上我们可以看出，空气与水并流时，由于剪切力作用，使得流速较大的空气带动水膜快速下落，且掠带一部分水膜，使得水膜的厚度较初始时减薄了；随着风速的不断加大，空气掠带的水团也不断加大，水膜减薄的程度也大大加强，所以风速越大，最终形成的水膜的厚度越薄。

2 传热实验研究
图11为板式蒸发式冷凝器实验原理图。

由主要由蒸汽发生器、冷凝器（换热板束）、水循环系统及风机四部分构成，其中冷凝器板束间装有填料。

冷却水用循环水泵压送到竖直排列的冷凝板束的上方，经喷嘴或其它喷淋装置喷洒到板束上，当蒸汽发生器排出的过热蒸汽进入冷凝换热板内时，冷却循环水连续不断的喷淋在换热板外侧,在冷凝板片的外表面形成水膜而流下，水膜从冷凝板壁吸取蒸汽的热量后，在蒸发作用下，部分水蒸发为蒸汽，被快速流动的空气带走,这样就有效的利用水的蒸发潜热，以较少的水达到板内蒸汽冷凝冷却的
目的，增强传热效果。

图11 板式蒸发式冷凝器实验原理
图12为板式蒸发式冷凝器在相同风速下板外气液两相逆流、并流、错流热流密度
f
q（2
KW m−
⋅）随冷却水喷淋密度Γ（11
kg m s
−−
⋅⋅）变化的情况。

图12 板式蒸发式冷凝器热流密度
f
q（2
KW m−
⋅）随冷
却水喷淋密度Γ（1
1kg m
s −−⋅⋅）的变化
从图上我们可以看出，三种操作热流密度均是
随冷却喷淋密度的增大而先增大后减小，这说明在板式蒸发式冷凝器中，无论采用哪种操作均有一个最佳的喷淋密度；另外，从图上也可以看出，三种操作中气液两相并流的传热效果最好，逆流次之，错流最差。

并流操作最好是因为在板式蒸发式冷凝器中，喷洒在冷凝板束上的水是紧贴板壁而下降，是典型的连续性降膜，下降水膜受剪切力的影响，空气带动水膜快速下落，且掠带一部分水膜，水膜厚度变薄，热阻减小，强化换热强度；从理论上分析，逆风操作会使下降的水膜受托滞，水膜厚度变厚，增大了热阻，削弱了换热强度，不利于板与水膜的热交换，风速较大时下降的液膜形成的液团被高速吹来的空气吹散，形成液滴随空气一起向上“飘流”，水膜由初始时的连续相变成了分散相，水膜与波纹板几乎完全脱离，板表面几乎完全被裸露出来，这同样不利于强化传热，而从图12中我们看出，逆流操作比错流操作效果要好，原因是在逆流操作中，气液两相流的湍动加剧，削弱了下降水膜因受拖滞而变厚进而热阻增大的不利因素；采用错流操作虽然在传热上不及并流与逆流操作，但错流操作可以使整台装置结构更加紧凑，大大降低水泵的扬程，减少水泵的功耗，也有它节能的优势。

3 结 论
从模拟及传热实验研究的结果我们可以得出：在板式蒸发式冷凝器中，空气与水逆流，在空气流速较小时，下降液膜厚度有增大的趋势，板外水膜热阻也随之增大，对传热不利；空气流速较大时，下降液膜容易被吹断，甚于吹散，使板壁部分或大部分裸露出来，板外下降水膜的不稳定性会加剧板裸露的速度与裸露程度，同样不利于蒸发式冷凝器的传热。

因此，布水量不足区域出现的干斑与布水量过大区域出现的液膜过厚都会使传热效率下降；空气与水并流，在剪切力作用下水膜厚度可以大大减薄，能极大地减弱板外水膜热阻，强化板式蒸发式冷凝器的传热。

因此，在板式蒸发式冷凝器中，空气与水并流比逆流、错流更有利于利用液体薄膜强化传热传质的特性，至于三种操作下整个系统的节能效果如何，有待于作进一步的研究。

参 考 文 献
[1] 阎维平，叶学民，李洪涛. 液体薄膜流的流动和传热特
性[J].华北电力大学学报,2005，32(1):59-65
[2] Kachhwaha S S ，Dhar P L ，Kale S R ．Experimental studies
and numerical simulation of evaporative cooling of air with a water spray[J]．International Journal Heat Mass Transfer ，1998，41（2）：447-474
[3] Jiang Xiang,Zhu Dongsheng. Heat Transfer Enhancement in Evaporative Condenser, The 3rd International Symposium on Heat Transfer and Energy, 2004，2：1025-1031
[4] 蒋翔，朱冬生，唐广栋.蒸发式冷凝器管外水膜与空气
传热性能与机理的研究[J].流体机械,2006,34(8):59-62
[5] 周孝清，陈沛霖.板式间接蒸发冷却器的热工计算方法
[J].华南建设学院西院学报,1998,6（2）：9-15 [6] 张景卫,朱冬生,蒋翔等.蒸发式冷凝器及其传热分析
[J].化工机械,2007,34(1)：110-114
[7] 周孝清，陈沛霖.竖直平板上的水膜流动特征[J].同济大学学报,1995,23（6）：621-626
[8] 叶学民. 壁面薄膜流的热质传递和稳定性研究[D].保
定：华北电力大学,2002
[9] 师晋生，刘瑞，陈东等.波纹竖壁下降液膜的传热[J].
天津科技大学学报,2006,21（2）：39-42
[10] 杨阳，陆建峰，王晓东等.高雷诺数下降液膜流动换热
分析[J].工程热物理学报,2004,25（增刊）：107-110 [11] 宋垚臻，吕金虎，卓献荣.空气与水直接接触热质交换
顺流和逆流过程特性比较[J].化工进展,2005,24（7）：783-787
[12] 徐尧润，席华，刘振义等.异形竖板上降落液膜破裂的
实验研究[J].工程热物理学报,1996, 17(增刊)：155-158
[13] 谷芳, 刘春江, 余黎明等.气-液两相降膜流动及传质
过程的CFD 研究[J].高校化学工程学报,2005,19 (4):438-444
[14] Hirt C W, Nichols B D. Volume of fluid (VOF) method
for the dynamics of free boundaries [J]. J Comp Phys, 1981,39:201-225.。