除湿系统中固定床内部气体流场的数值分析

    传统的空调设备以压缩式制冷为主,近年来它的迅速发展不仅给电力等能源部门带来巨大的压力,而且其工质CFC(或HCFC)的使用和排放大大污染了环境,直接威胁着人类的生存环境,为此,研制开发高效、节能、无污染的空调产品就显得尤为重要.除湿型空调系统(Desiccant_Cooling System)是燃气、工业余热、太阳能、地热等低品位能源,有明显的节能效果,并且不使用CFC(或HCFC)等工质,无污染.因此除湿型空调作为一种清洁性设备,有着很好的发展和应用前景[1].

    在除湿型空调系统中,核心部件是吸附除湿器,该部分的性能对整个除湿型空调系统的影响很大[2~5].吸附除湿设备主要包括转轮除湿和固定床除湿等.本文重点研究在固定床除湿系统中固定床内部的气流分布.

    本文所研究的固定床长1.1m,宽1m,高1.5m,内部布置有四个吸附器单元,在每个吸附器单元中装填固体干燥剂(硅胶、氯化钙等).其工作流程为:当湿空气由固定床顶端进风口流入,流经吸附器单元时被固体干燥剂吸附除去部分水分,从底端出风口排出.固定床内部设置三个挡风板,以改善气体的流动状况,固定床的结构及空间布置如图1所示.

    1 数学模型

    根据流体流动和传热的理论,除湿系统中固定床内气体的流动是三维湍流问题,由于湍流的复杂性,通常需要借助合适的湍流模型.在空调工程中采用较多较成熟的湍流模型是K_ε两方程模型.在应用该模型的同时,对于靠近固体壁面的近壁区需要采用壁面函数法处理,本文就以K_ε模型和壁面函数法作为对固定床吸附设备内气流进行数值分析的理论基础[6~11].吸附器内部气流问题有稳态和瞬态之分,鉴于稳态可以看作瞬态的一种特殊状态,因此以下建立的模型将以瞬态为基础.

    1.1 气体流动的基本方程

    为建立数学模型,分析固定床内气体的流动状况,做出以下假设和简化:

    (a)固体吸附剂对气体中水分的吸附本身是一个复杂过程,本文的研究目的是气体流过固定床除湿设备的速度分布规律,因此不考虑吸附过程本身,由文献[12,13]和实验测定,可把吸附器单元看作空隙率为0.3的筛孔板;

    (b)由于空气为可压缩流体,实际吸附过程中空气组分有所改变,进而引起空气的密度改变,当考虑到气体的密度变化时其控制方程将变得非常复杂,为简化控制方程,忽略气体组分和密度变化的影响,认为空气的物性参数保持不变;

    (c)除湿过程中,固体干燥剂吸附水分会放出一定的热量,但由于在吸附器单元内部放置了冷却水管,近似认为整个过程中温度保持恒定;

    (d)空气流速远小于音速,属于低速流动,忽略能量方程中的压力项,同时引入Bousinesq假设,即在密度变化不太大的浮力流动问题中,只在重力项中计及浮力的影响,而在控制方程的其他各项中,忽略浮力的影响(Q为常数).例如,在连续性方程、动量随时间的变化率以及密度变化作功中,都认为浮力的影响很小,而予以忽略.