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      逆流空氣隙平板膜接觸器耦合傳熱傳質(zhì)特性研究

      2022-04-09 17:07:24朱蘭蘭霍志朋嚴(yán)瑞
      機(jī)電工程技術(shù) 2022年2期
      關(guān)鍵詞:逆流

      朱蘭蘭 霍志朋 嚴(yán)瑞

      摘要:研究了逆流空氣隙平板膜接觸器流道內(nèi)流體的耦合傳熱傳質(zhì)特性。選擇逆流空氣隙平板膜接觸器中的相鄰膜流道、流道內(nèi)的流體以及流道之間的空氣隙作為研究對(duì)象,建立流體流動(dòng)與耦合傳熱傳質(zhì)三維數(shù)學(xué)模型,再通過計(jì)算軟件COMSOL Multiphysics對(duì)模型進(jìn)行求解,獲得計(jì)算單元內(nèi)膜流道的出口參數(shù)、膜接觸器的制熱效率以及熱流密度等特性參數(shù),分析不同膜流道寬長比以及空氣隙厚度下膜接觸器的傳熱傳質(zhì)特性。結(jié)果表明,隨著膜流道寬長比的增大,溶液出口溫升大幅升高,但制熱效率卻大幅降低;隨著空氣隙厚度的增大,溶液出口溫升和制熱效率均呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢(shì),當(dāng)空氣隙厚度在1-1.5 mm之間時(shí),溶液出口溫升和制熱效率達(dá)到最大值;顯熱傳遞和潛熱傳遞都對(duì)膜接觸器的制熱性能有重要影響,當(dāng)空氣隙厚度較小時(shí),顯熱傳遞的影響更大,而當(dāng)空氣隙厚度較大時(shí),潛熱傳遞的影響更大。

      關(guān)鍵詞:耦合傳熱傳質(zhì);逆流;平板膜接觸器;吸收式熱泵

      中圖分類號(hào):TQ028

      文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

      文章編號(hào):1009-9492( 2022) 02-0016-05

      0 引言

      吸收式熱泵技術(shù)[1-2]是一種有效的工業(yè)余熱回收技術(shù)。近年來,隨著膜材料的發(fā)展及其在熱工、制冷等領(lǐng)域應(yīng)用研究的深入,一種常壓下運(yùn)行的膜式吸收式熱泵[3-5]越來越受到學(xué)者們的關(guān)注。膜式吸收式熱泵是基于一種液一液膜接觸器,膜接觸器中制冷劑(水)和吸收劑(鹽溶液)在相鄰的流道中流動(dòng),被空氣隙和半透膜隔離開來。該半透膜只允許水蒸氣的透過,而阻止液體和其他氣體的滲透[6-9]。水蒸氣透過膜進(jìn)入空氣隙,再透過另一層膜進(jìn)入溶液側(cè),被鹽溶液吸收釋放出潛熱,導(dǎo)致溶液溫度升高,相當(dāng)于將水的熱量通過水蒸氣擴(kuò)散“泵”到溶液側(cè)。空氣隙的熱阻較大,減少了溶液顯熱傳遞回水側(cè)。膜式吸收式熱泵系統(tǒng)具有常壓操作、結(jié)構(gòu)緊湊、可擴(kuò)展性強(qiáng)以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

      目前,常見的膜接觸器主要有中空纖維膜接觸器[9-12]和平板膜接觸器[13]兩種形式,其中平板膜接觸器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作程序簡(jiǎn)易、流道壓降小的優(yōu)點(diǎn),因而受到較多學(xué)者的關(guān)注。Woods等[14]提出了一種逆流空氣隙平板膜接觸器,建立了水和溶液通過空氣隙平板膜進(jìn)行熱濕交換的二維活塞流數(shù)學(xué)模型,并研究其制熱性能,發(fā)現(xiàn)膜的厚度、熱導(dǎo)率和孔隙率對(duì)膜接觸器的制熱性能都有重要影響。張文凱[15]搭建了逆流空氣隙平板膜式吸收式熱泵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置,研究了人口T況對(duì)溶液溫升的影響規(guī)律。Huang等[16]提出了一種準(zhǔn)逆流空氣隙平板膜接觸器,建立了水和溶液的二維傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型,研究發(fā)現(xiàn)傳熱傳質(zhì)過程中通過膜的顯熱和潛熱都需要考慮,且潛熱占主導(dǎo);與錯(cuò)流情況相比,準(zhǔn)逆流平板膜接觸器的溶液溫升可提高9%以上。黃偉豪等[17]研究了準(zhǔn)逆流空氣隙平板膜接觸器中溶液人口流量以及空氣隙厚度對(duì)加熱性能的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣隙厚度較小時(shí),溶液的顯熱耗散較大。黃偉豪等[13]還提出了一種六邊形空氣隙平板膜接觸器,流道內(nèi)流體的流動(dòng)方向?yàn)殄e(cuò)流與逆流之間,實(shí)驗(yàn)研究了水和溶液入口參數(shù)對(duì)流體出口溫度的影響規(guī)律。

      與錯(cuò)流及準(zhǔn)逆流空氣隙平板膜接觸器相比,逆流空氣隙平板膜接觸器制熱效率更高,但目前缺乏對(duì)逆流空氣隙膜接觸器內(nèi)傳熱傳質(zhì)性能的研究。因此本文以逆流空氣隙平板膜接觸器為研究對(duì)象,建立計(jì)算單元的三維傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型,研究膜流道寬長比以及空氣隙厚度對(duì)膜接觸器制熱性能的影響規(guī)律,從而為逆流空氣隙平板膜接觸器的設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化提供參考。

      1 模型建立

      1.1 計(jì)算單元與控制方程

      如圖1所示,逆流空氣隙平板膜接觸器中,水流道和溶液流道被空氣隙和半透膜隔開,水和溶液在各自的流道內(nèi)向相反的方向流動(dòng)。膜流道長度為xo,寬度為Yo,高度為2H,空氣隙厚度為δ,膜厚度為δm。考慮到其幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,本文選擇兩個(gè)相鄰流道、一個(gè)空氣隙和兩塊膜作為研究對(duì)象,并建立坐標(biāo)系如圖2所示。

      在工程實(shí)際中,膜式吸收式熱泵的水流道和溶液流道當(dāng)量直徑較小,流速也較低,雷諾數(shù)均遠(yuǎn)低于2300,因此本文假設(shè)水流和溶液流均為片狀層流。水和溶液流均為牛頓流體,并且具有恒定的熱物理性質(zhì),且膜接觸器的外壁完全絕熱和疏水,忽略其與外界環(huán)境的熱量和水分傳遞。

      水側(cè)的質(zhì)量守恒方程為:

      1.2 邊界條件

      水流道和溶液流道人口邊界、出口邊界、壁面無滑移邊界、絕熱邊界以及膜兩側(cè)的傳質(zhì)邊界條件方程均可參考文獻(xiàn)[18]。水側(cè)和溶液側(cè)膜表面的傳熱邊界條件如下:

      1.3 傳熱傳質(zhì)參數(shù)計(jì)算

      本文基于流道入口邊界、出口邊界、壁面無滑移邊界、絕熱邊界以及方程(9)~(14)給定的傳熱邊界條件,對(duì)控制方程(1)~(8)進(jìn)行求解,可獲得膜接觸器內(nèi)的速度分布、溫度分布、平衡濕度分布以及流道出口參數(shù)等,然后采用式(15)- (20)可分別計(jì)算出溶液出口溫升、水出口溫降、熱流密度以及制熱效率等參數(shù)。

      2 模型求解與驗(yàn)證

      本文在采用COMSOL Multiphysics對(duì)逆流空氣隙平板膜接觸器中計(jì)算單元的控制方程進(jìn)行求解時(shí),采用速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合、溫度場(chǎng)與濃度場(chǎng)耦合的多物理場(chǎng)模式。采用掃掠的方法對(duì)整個(gè)幾何體進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分成若干個(gè)六面體,單元尺寸選擇預(yù)定義的超細(xì)化。膜接觸器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及入口參數(shù)設(shè)置如表1所示。

      為驗(yàn)證本文所建立模型的有效性,對(duì)膜接觸器在不同溶液入口流量qs和不同水入口流量qw下的工況進(jìn)行了模擬,得到溶液出口溫度( Ts。)及溶液出口LiCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Wso)的模擬值,并與文獻(xiàn)[15]的實(shí)測(cè)值對(duì)比分別如圖3和圖4所示。圖中下標(biāo)“cal”表示本文的模擬值,“exp”為文獻(xiàn)的實(shí)測(cè)值。經(jīng)計(jì)算,溶液出口溫度的模擬值與文獻(xiàn)實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差在3%以內(nèi),溶液出口LiCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)模擬值與文獻(xiàn)實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差在0.6%以內(nèi),說明本文建立的模型是有效的。

      3 結(jié)果與討論

      3.1 流道寬長比的影響

      本文對(duì)不同膜流道寬長比的逆流空氣隙平板膜接觸器的傳熱傳質(zhì)特性進(jìn)行數(shù)值模擬,研究流道寬長比對(duì)膜流道出口參數(shù)及制熱效率的影響。膜接觸器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和入口參數(shù)設(shè)置如下:x0=0.5 cm,2H=2.0 mm,δa=1.0 mm,δm=100μm,Tw,in=40℃,Ts,in=35℃,Ws.in=0.45 kg/kg,入口流量mw=ms=8 kg/h。

      圖5所示為溶液出口溫升△Ts.lift、水出口溫降△Tw.drop、溶液出口LiCl質(zhì)量含量Ws. out隨膜流道寬長比yo/x0的變化曲線。由圖可知,溶液出口溫升隨著膜流道寬長比的增大而大幅升高,溶液溫升由8.0℃升高到17.5℃。同時(shí),水出口溫降也隨膜流道寬長比的增大而增大,但其變化幅度比溶液溫升變化幅度小,由4.3℃增大到7.9℃。溶液出口LiCl的質(zhì)量含量隨流道寬長比的增大而大幅降低,由0.441 kg/kg降低到0.410 kg/kg,即溶液進(jìn)出口LiCl質(zhì)量含量差值從0.009 kg/kg升高到0.040 kg/kg,說明由水側(cè)向溶液側(cè)傳遞的水分也顯著增多。

      圖6所示為逆流空氣隙膜接觸器的制熱效率η隨膜流道寬長比Yo/xo的變化曲線。由圖可見,隨著膜流道寬長比的增大,盡管溶液溫升大幅升高,但制熱效率卻大幅降低,由0.84降低到0.4左右。為進(jìn)一步研究其影響機(jī)理,本文對(duì)膜流道表面的潛熱流密度Qlat顯熱流密度Qsen、總熱流密度Qtot等特性參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算與分析,并得到其隨膜流道寬長比Yo/xo的變化曲線如圖7所示。由圖可知,隨著溶液流道寬長比的增大,由水側(cè)向溶液側(cè)的潛熱流密度Qlat有所減小,說明由溶液側(cè)向水側(cè)的傳質(zhì)強(qiáng)度減弱,但由于傳質(zhì)面積增大,使得水側(cè)向溶液側(cè)傳遞的水分增多,傳遞的總潛熱量也增多,因此溶液出口溫升大幅升高;而另一方面,由溶液側(cè)向水側(cè)傳遞的顯熱流密度Qsen逐漸增大,這是由于溶液側(cè)與水側(cè)的溫差增大,同時(shí)傳熱面積也增大,使得溶液側(cè)傳遞回水側(cè)的熱量也大幅增加,因此膜接觸器的制熱效率大幅降低。

      3.2 空氣隙厚度的影響

      本文還研究了空氣隙厚度對(duì)逆流平板膜接觸器傳熱傳質(zhì)特性的影響規(guī)律,控制膜流道長度、寬度以及入口條件不變,對(duì)空氣隙厚度分別為0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm、1.0 mm、1.5 mm和2.0 mm的情況進(jìn)行模擬。膜接觸器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和入口參數(shù)設(shè)置如下:x0=0.5 m,y0=0.2 m.2H=2.0 mm,δm=100μm,Tw.in= 40℃ ,Ts,in=35℃,Ws. in=0.45 kg/kg,人口流量mw=ms=8 kg/h。

      圖8所示為溶液出口溫升△Ts,lift水出口溫降A(chǔ) Tw,drop、溶液出口LiCl質(zhì)量含量Ws. out隨空氣隙厚度δa的變化曲線。由圖可知,溶液出口溫升和水出口溫降均隨空氣隙厚度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)空氣隙厚度為1-1.5 mm時(shí),溶液出口溫升和水出口溫降達(dá)到最大,分別為11.7℃和6.1℃。溶液出口LiCl質(zhì)量含量隨空氣隙厚度的增大而略有升高,由0.431 kg/kg升高到0.438 kg/kg,溶液進(jìn)出口LiCl質(zhì)量含量差值由0.019 kg/kg減小到0.012 kg/kg,說明由水側(cè)向溶液側(cè)傳遞的水分逐漸減少。

      圖9所示為膜接觸器的制熱效率77隨空氣隙厚度6。的變化規(guī)律,由圖可知,隨著空氣隙厚度的增加,制熱效率同樣呈現(xiàn)出先增大、后減小的變化趨勢(shì),當(dāng)空氣隙厚度為1 -1.5 mm時(shí)制熱效率達(dá)到最大值。

      本文同樣對(duì)潛熱流密度Qat、顯熱流密度Qsen、總熱流密度Qtot等特性參數(shù)隨空氣隙厚度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,如圖10所示。由圖可知,隨著空氣隙厚度的增加,由溶液側(cè)傳遞回水側(cè)的顯熱流密度逐漸減小,這是由于空氣隙厚度的增加阻礙了顯熱的傳遞;而潛熱流密度則隨著空氣隙厚度的增加呈現(xiàn)出先減小、后增大的趨勢(shì),且當(dāng)空氣隙厚度為1-1.5 mm時(shí)潛熱流密度最小,一方面是由于空氣隙厚度的增加阻礙了水蒸氣從水側(cè)向溶液側(cè)的傳遞,但另一方面,由于溶液側(cè)向水側(cè)的顯熱傳遞也被阻礙,使得溶液側(cè)與水側(cè)的溫差增大,溶液表面和水表面的平衡濕度差增大,又會(huì)促進(jìn)水蒸氣從水側(cè)向溶液側(cè)的傳遞,在二者的相互耦合作用下,溶液出口溫升以及制熱效率均呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢(shì)。該研究表明,顯熱傳遞和潛熱傳遞均對(duì)膜接觸器的制熱性能有重要影響,當(dāng)空氣隙厚度較小時(shí),顯熱傳遞對(duì)溶液溫升和制熱效率的影響更大,而當(dāng)空氣隙厚度較大時(shí),潛熱傳遞對(duì)溶液溫升和制熱效率的影響更大。

      4 結(jié)束語

      本文對(duì)逆流空氣隙平板膜接觸器內(nèi)的耦合傳熱傳質(zhì)特性進(jìn)行了研究。通過COMSOL Multiphysics計(jì)算軟件對(duì)所建立的流體流動(dòng)與傳熱傳質(zhì)模型進(jìn)行求解,獲得了膜流道出口參數(shù)、膜接觸器的制熱效率以及熱流密度等特性參數(shù),并研究了膜流道寬長比以及空氣隙厚度對(duì)膜接觸器耦合傳熱傳質(zhì)特性的影響規(guī)律。研究表明,隨著膜流道寬長比的增大,溶液出口溫升大幅提升,但制熱效率卻大幅降低。隨著空氣隙厚度的增大,溶液出口溫升和制熱效率均呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢(shì),當(dāng)空氣隙厚度在1-1.5 mm之間時(shí),溶液出口溫升和制熱效率達(dá)到最大值;當(dāng)空氣隙厚度較小時(shí),顯熱傳遞對(duì)溶液溫升和制熱效率的影響更大,而當(dāng)空氣隙厚度較大時(shí),潛熱傳遞對(duì)溶液溫升和制熱效率的影響更大。這些結(jié)果可為逆流空氣隙平板膜接觸器的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供參考。

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