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。