CFD方法与间接蒸发冷却换热器的三维数值模拟

    1引言

    自从上世纪70年代出现/能源危机0以来,引起了全世界对减少能量消耗的普遍重视,空调系统的发展从此受到了环境压力、能源保护和经济条件等各方面的限制,特别是现今节能和环保问题的日益突出,反映在空调领域如何应用低能耗、无污染的制冷技术就成了一个非常重要的课题,特别是尽量从自然环境直接获得冷量,蒸发冷却技术就是其中的一种[1]。

    近年来国际上对蒸发冷却技术在空调技术中的应用非常重视,在理论和应用技术上展开了大量的研究工作。WEI-MON YAN等采用CFD方法对等温和等热流密度边界条件下管内降膜蒸发冷却进行了研究和探讨,并且进一步深入地对旋转矩形通道内的降膜蒸发冷却进行了数值分析。郭新川、C1F1Kettleborough、N1J1Stoichkov and G1I1Dimitrov等采用集总参数方法对间接蒸发冷却换热器的性能及影响因素进行了大量的研究。本文根据间接蒸发冷却换热器的结构和流动特点,应用CFD方法建立了换热器内流体流动的控制方程并对不同参数时换热器内的流体流动与换热进行了数值模拟。

    2换热器数学模型

    2.1守恒方程

    本文研究的间接蒸发冷却换热器结构如图1所示,换热器由换热板隔成互不相通的两组通道,即一次空气通道和二次空气通道。照图1中箭头所示,一次空气和二次空气呈交错流。通常我们将要处理的空气称为一次空气(主流),在一次空气通道中与二次空气(辅流)通过换热器隔板和二次空气通道内表面水膜进行间接的热交换,属于典型的单相流换热问题。二次空气通道内由图中所示喷嘴喷入一定量的循环水,由于二次空气气流的作用,在二次通道内表面形成一薄层水膜,这层水膜与流经的二次空气直接接触,因而二次空气与水膜之间除了由于温度差而引起的显热交换外,还由于水膜表面的水蒸气分压力与主体空气水蒸气分压力差引起的质交换—水蒸气的对流扩散。

    为了简化分析和模拟对象的数学模型,现作如下的假设:

    (1)流体为常物性稳态且不可压缩的,由于通道内的间距比较小,当量直径较小,流动雷诺数小于2000,流动状态为层流;

    (2)忽略流体流动时粘性耗散作用产生的热效应,忽略二次空气通道中浮升力的影响;

    (3)二次空气通道中,空气与湿表面之间的热质交换过程中,显热热扩散系数α与以含湿量为推动力的质扩散系数D之间的关系符合刘易斯关系,即α=D;

    (4)二次空气与水膜表面接触换热时,不考虑界面质交换阻力且壁面润湿率为1,同时,为简化程序编制,忽略水膜厚度和热阻;

    (5)换热器本身与周围环境没有任何热质交换。