降膜蒸发冷却复合传热传质研究

    引　言

    一股干燥的空气流经下降的液(水)膜,水分蒸发,吸收潜热,产生冷却效果。它在空气调节中有着广泛的应用,如加湿器、冷却塔以及蒸发冷却器都是基于这一原理设计而成的,在液体除湿器、海水淡化等领域,它也有一些应用。

    早在60年代,Baker和Shryock曾利用有限差分法对叉流式冷却塔作了研究[1]。60年代末,Pescod研制了利用塑料薄片作蒸发冷却表面的直接式蒸发冷却装置,在典型条件下可使调节空气温度降低10℃。在此基础上开发的间接蒸发冷却装置,甚至使调节空气温度下降了14.℃。Chan则集中研究塑料板间距和板钉密度对性能的影响[3]。文献[8]阐述了直接蒸发冷却器中空气流向对系统性能的影响,表明采用液膜与气体流向相同的顺流方式效果最好。Mclaine-Cross与Banks[2]提出一套方法,把润湿表面和干燥表面的换热系数关联起来。Ket-tleborough和Hsieh[3]利用焓势差理论对逆流式间接蒸发冷却器进行分析,结果与实验相符,并阐明被冷却空气的最低温度为其湿泡温度。关于下降液膜入口段传热传质过程,Grossman(1987)以及Yang和Wood[4],还有后来的Ameel、Wood、Chen、Vliet等人[5,6]相继针对液体干燥剂溶液吸收水分的过程作了大量研究。Emaes在文献[7]中对水蒸发系数的研究做了综述。

    本文对叉流情况下入口段水膜蒸发传热传质的规律进行讨论,建立相应的数学模型,并对降膜蒸发冷却进行了计算和分析。

    1　数学模型及求解

    1.1　数学模型

    该模型是在以下假设条件下建立的:

    (1)液膜流动为层流,表面无波动。

    (2)水的物性为常数,忽略固体壁热容。

    (3)水分蒸发与液膜水流量相比很小,认为水流量保持不变。

    (4)贝克利数Pe足够大,忽略流动方向的扩散作用。

    (5)气液、液固界面无滑移。

    (6)气相流动为紊流。

　　所用坐标系如图1所示,以气液界面为纵坐标的起点,向液膜方向为y2,向气流方向为y。沿液膜流动方向为Z坐标,沿气流流动方向为X坐标。

    1.1.1　液膜流动控制方程

    对于降膜层流,作为在重力作用下薄膜做缓慢、稳定下降运动的特例,其平均流动速度为

    降膜厚度为　　

    传热过程控制方程为　　

    边界条件:y₂=0,T=Tn         (3)

    y₂→∞,T=Tw

    通过傅立叶变换及泰勒级数展开可得:

    1.1.2　气相连续方程、动量方程和能量方程

    1.1.3　辅助方程

    水分蒸发离开气液界面的质量流率: