凹凸板换热器内含不凝气的蒸汽冷凝特性研究.pdf
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1、能源化工Energy Chemical Industry第 44 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.44 No.4Aug.,2023凹凸板换热器内含不凝气的蒸汽冷凝特性研究李中阳1,孟彦孝1,刘炳成2,李强2*(1.青岛科技大学机电工程学院,山东青岛 266061;2.青岛科技大学气候变迁与能源可持续发展研究院,山东青岛 266061)摘要:凹凸板式换热器作为一种新型高效换热设备,其强化传热效果在于其板片的结构。鉴于不凝气的掺入对蒸汽在换热器内的冷凝传热效果也会产生影响,通过数值模拟对凹凸板换热器内含不凝气蒸汽冷凝特性进行研究。采用控制变量法研究了不凝气含量、凹凸台高度、间距以及倾角对凹
2、凸板换热器冷凝传热的影响。结果表明,当不凝气体积分数从 0 增大到 30%时,蒸汽冷凝水质量分数降低了 41.05%。通过分析不同凹凸板片参数对换热器内冷凝换热的影响,发现冷凝水质量分数会随凹凸台间距增大而增大、凹凸台倾角减小而增大,随着凹凸台高度先增加后减少。当凹凸台间距为 1.3 mm,凹凸台高度为 4 mm,凹凸台倾角为 130时,凹凸板换热器综合传热效果最好。关键词:竖直板域通道;传热特性;蒸汽冷凝;凹凸板片中图分类号:TQ051.5 文献标志码:A 文章编号:2095-9834(2023)04-0032-07引文格式:李中阳,孟彦孝,刘炳成,等.凹凸板换热器内含不凝气的蒸汽冷凝特性研
3、究 J.能源化工,2023,44(4):32-38.Study on condensation of steam containing non-condensable gas in concave-convex plate heat exchangerLI Zhongyang1,MENG Yanxiao1,LIU Bingcheng2,LI Qiang2(1.College of Electromechanical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266061,Shandong,China;2.I
4、nstitute of Climate and Energy Sustainable Development,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266061,Shandong,China)Abstract:Concave-convex plate heat exchanger is a new type of high efficiency heat transfer equipment,its enhanced heat transfer effect lies in its plate structure.In vie
5、w of the incorporation of non-condensable gas will also affect the condensing heat transfer effect of steam in the heat exchanger,so the condensation characteristics of steam containing non-condensable gas in concave-convex plate heat exchanger are studied by numerical simulation.The control variabl
6、e method is used to study the influence of non-condensable gas content,height,spacing and angle of concave-convex plate heat exchanger on condensing heat transfer through numerical simulation.The simulation results show that when the content increases from 0 to 30%,and the mass fraction of steam con
7、densate water decreases by 41.05%.By analyzing the influence of different concave-convex plate parameters on the condensation heat transfer in heat exchanger,it is found that the mass fraction of steam condensate water increases with the distance between concave-convex platforms,and the angle of con
8、cave-convex platform decreases,and it increases first and then decreases with the height of concave-convex platforms.When the distance between 收稿日期:2022-10-28。作者简介:李中阳(1996),男,山东德州人,硕士研究生在读,研究方向为节能减排以及新能源技术。E-mail:。*通信作者:李强(1988),男,山东滕州人,博士,讲师,研究方向为节能环保新技术。Email:。研究与开发33第 44 卷第 4 期在现代强化传热技术中,板式换热器因其
9、具备结构紧凑、传热效率高等较多优点,广泛应用于各类换热领域1。但传统板式换热器存在换热能力低等缺点,目前常见的改善方法有波纹板、波浪槽、翅片、折流板等结构。与其他强化传热结构相比,凹凸板换热器在增加换热的同时,流动阻力增幅也较小2,因此近年来得到了广泛的关注。郭潇潇等3分析了凹凸结构对波纹板传热性能的影响,发现凹凸结构参数过大或过小均不利于换热器的换热。Shirzad等4通过研究凹凸板片通道不同纵向和横向间距对换热性能的影响,发现增加板片通道高度可以提高换热器的换热性能。王光辉等5模拟分析了凹凸板结构参数对换热器传热特性的影响,结果表明凹坑高度对凹凸板传热性能影响最大,其次为凹坑直径,横向间距
10、最小。当换热器应用于烟气化学捕集工艺流程中,不凝气的存在阻碍水蒸气传热过程,对蒸汽凝结换热性能产生很大影响6-8。目前,对于含不凝性气体蒸汽冷凝的研究可分为试验研究和数值模拟两大类,其中试验研究得到的经验关联式具有较高的实用价值9-10,但适用条件较苛刻。数值模拟不仅是一种经济高效的研究手段,而且非常适用于板式换热器的模拟研究。Hammoudi11对存在不凝气的垂直通道中蒸汽冷凝进行数值模拟,结果显示随着不凝气含量增加,冷凝速率不断降低。高妍12通过将 Lee 模型与 VOF 模型结合,模拟了竖直管内含不凝气的蒸汽冷凝情况,发现随着不凝气含量的增加,冷凝效果不断变差。贾文华等13通过对波节管内
11、含不凝气的蒸汽冷凝特性进行模拟,发现不凝气对蒸汽凝结换热具有削弱作用。目前关于凹凸板换热器内含不凝气的蒸汽冷凝研究还处于初级阶段,且距其标准化大规模生产应用还有许多问题。笔者以不凝气含量和凹凸台高度、间距以及倾角为控制变量,通过数值模拟的方法,并采用UDF 自编程,将不凝气加入到混合蒸汽中,考察了混合蒸汽在不同凹凸板域内的冷凝传热特性,研究结果可为含不凝气的蒸汽在板式换热器内冷凝传热计算提供理论依据。1换热器数值计算模型1.1几何模型对板式换热器凹凸板域通道内的混合气体冷凝和换热过程进行研究,凹凸换热器板片片组见图1(a)。考虑换热器通道的对称性和周期性,针对板片通道设计了一个竖直凹凸板通道二
12、维简化模型,结构示意见图 1(b)。(a)换热器板片片组(b)二维简化模型图1凹凸换热器板片片组和二维简化模型结构示意凹凸板通道模型主要参数包括:计算模型长度、凹凸台间距、凹凸台高度和凹凸台倾角,尺寸参数见表 1。表 1 中二维模型板域通道最小管径设置为 5 mm,板长取 4 个凸台和 3 个凹台的长度。模型采用逆流布置,凹凸板壁为恒温刚性材料,所以外壁温度按恒壁温处理。为减少进出口误差,在凹凸板域的进、出口各预留 2 mm 的过渡段。concave-convex plate is 1.3 mm,the height of concave-convex plate is 4 mm,and th
13、e angle between concave-convex plate is 130,the concave convex plate heat exchanger has the best heat transfer effect.Key words:vertical plate channel;heat transfer characteristic;steam condensation;convex-concave plate李中阳,等.凹凸板换热器内含不凝气的蒸汽冷凝特性研究34能源化工2023 年 8 月表1凹凸板模型具体尺寸凹凸板板号换热板最小管径d/mm换热板长度l/mm凹凸台
14、间距s1/mm凹凸台高度h/mm凹凸台倾角/()1#547.50002#547.51.321203#547.51.721204#547.51.521205#553.51.531206#559.51.541207#559.51.541158#559.51.541259#547.51.4212010#547.51.6212011#550.31.52.512012#556.51.53.512013#559.51.5411014#559.51.541301.2计算模型1)基本假设。在模型模拟过程中,板间介质温度的变化极小。因此在建立数学模型时作如下假设14-15:计算区域的流动和传热过程都是稳定的;工
15、质流动时黏性耗散热效应忽略不计;蒸汽和不凝气为理想气体;考虑重力的影响;忽略冷凝液滴与液滴之间的干扰。2)控制方程。控制方程采用 VOF 模型,该模型以质量、动量、能量守恒和组分运输方程为基础16,进行多相流问题分析,并采用UDF自编程17。蒸汽冷凝进程中,通过扩散定律来预测质量和能量源项,复合通量 mi指物质 i 经过单位面积的质量,由质量和对流通量预测,计算式见式(1)。mi=ji+iv=Yi(ni+nj)-iDijYi(1)式中:ji为组分i的分子质量通量;i为组分i的相对分子质量;v为组分i的扩散速率;Yi为组分i的质量分数;ni和nj分别是组分i和组分j的扩散占比;Dij为扩散系数,
16、下标ij表示质量i向质量j扩散。混合物由水蒸气与空气组成,但是由于水蒸气发生冷凝后质量减少,而空气的质量并未减少,因此可以认为空气是静止不动的,即 nj=0,则可推导出式(2)。mi=iDij1-YiYi(2)采用此复合通量求出质量源项 Sm的数值,并将该量当作蒸汽冷凝流率,推导出式(3)。Sm=mi AeffVeff(3)式中:Aeff为冷凝面积;Veff为网格的体积。能量源项 Sh的计算式见式(4)。Sh=mi AeffVeff hlg(4)式中:hlg为汽化潜热。2数值模拟方法及验证2.1求解设置与边界条件基于 VOF 模型开展多相流模拟计算,相变模型选用 Lee 模型,采用 RNG k
17、-湍流方程,压力与速度耦合采用 SIMPLE 算法,空间离散采用软件初始默认状态。边界条件设置:入口速度垂直于入口边界,设置为 1 m/s,入口温度设置为 373.15 K,出口压力设置为标准大气压。壁面采用无滑移边界,设置为恒壁温条件18,温度为 294.15 K,厚度设置为 0.5 mm。蒸汽和不凝气同时注入,其物性参数见表 2。表2蒸汽和不凝气物性参数工质密度/(kgm-3)比热容/(kJkg-1K-1)黏度/(mPas)导热系数/(Wm-1k-1)蒸汽0.5982.1351.2200.024不凝气0.9471.0090.2190.0322.2网格划分及无关性验证采用 ICEM CFD
18、软件对凹凸板换热器二维简化模型进行网格划分,采用三角形非结构化网格方法,并对近壁面处的网格采用局部加密处理,网格划分见图 2。网格划分是数值模拟的一个关键步骤,不同单元格类型与单元格大小等因素均会直接影响模拟结果19。为减少模拟误差,以板面平均传热系数作为参考,进行网格无关性检验,结果见图 3。由图 3 可见:当网格数大于 30 000 时,平均传热系数较为稳定,继续增大网格数对计算精度提升不大,因此采用网格数为 48 764 进行数值模拟计算。2.3模型验证针对凹凸板换热器内蒸汽冷凝开展研究,并在相同工况下将模拟值与 Lee 准则关联式、Wen 模拟值、Nuseelt 推广解进行验证对比,结
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