噴淋方向對噴淋室內氣-水熱質交換的影響研究

鮑玲玲，陳 冬，劉 偉

(1.河北工程大學 城建學院，河北 邯鄲 056038；2.河北省科學院能源研究所，河北 石家莊 050081)

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噴淋方向對噴淋室內氣-水熱質交換的影響研究

鮑玲玲1，陳 冬1，劉 偉2

(1.河北工程大學 城建學院，河北 邯鄲 056038；2.河北省科學院能源研究所，河北 石家莊 050081)

為提高噴淋室的傳熱傳質效率，采用數值模擬方法，開展上噴式、下噴式兩種立式噴淋室內水滴運動規律，及氣-水熱濕傳遞效果的對比研究。研究發現：在初參數完全相同的情況下，上噴式噴淋室中水滴的停留時間比下噴式多停留4.7 s，上噴式噴淋室中水滴從溫排風中吸收的熱量較下噴式高3 K,說明向上噴淋比向下噴淋的傳熱傳質效率更高。

噴淋室；噴淋方向；傳熱傳質；氣-水熱質；模擬；FLUENT

溫排風中含有大量的余熱資源，對其進行回收與利用，可實現節能減排[1-2]。目前溫排風的熱回收裝置有間壁式氣-水換熱器和直接接觸式(混合式)換熱器兩種型式，后者避免了傳熱間壁及其兩側的污垢熱阻，只要流體間的接觸良好，就有較大的傳熱效率。因此，通常允許流體相互混合的場合，都可以采用混合式熱交換器[3]。噴淋室內氣-水之間的總熱交換是由濕空氣和水溫下飽和濕空氣之間的焓差推動進行的。該總熱交換量又包括顯熱量和潛熱量兩部分，分別是由氣-水之間的溫差和水蒸氣分壓力差引起的[4]。噴淋室內氣-水熱濕交換效果受氣、水初參數，噴淋室的高度和結構等多種因素的影響[5-6]。為進一步研究噴淋方向對氣-水熱濕交換效果的影響，本文以立式噴淋室內氣-水熱濕傳遞過程為研究對象，通過數值模擬方法，對比研究了噴淋方向對噴淋水在噴淋室內停留時間和熱濕交換效果。

1 模型建立

利用FLUENT軟件對向上噴淋和向下噴淋進行模擬研究。

1.1 模型選擇[7]

噴淋水的模擬研究采用的是離散相(Discrete Phase Model)模型，該模型采用的是歐拉-拉格朗日方法，即將氣流視為連續相，將水滴軌跡視為分散在連續相中的離散相。先用歐拉法求解連續相流場，再用拉格朗日法求解離散相。由于不能忽略離散相的水滴對連續相的濕空氣場的影響，故選用離散相與連續相的耦合(Two-Way Coupling)，通過耦合可以計算出水滴在其運行軌跡中失去或得到的熱量、質量、動量，及其對連續相相應方程的計算結果造成的影響[8]。

1.2 邊界條件設置

假定濕空氣為不可壓縮氣體，流場為穩定流動，熱濕交換單元壁面為絕熱。無滑移壁面邊界類型，濕空氣采用速度進口邊界，出口邊界條件為Outflow出口。對于離散相的水滴，當其碰到熱濕交換單元壁面時主要有三種情況:水滴與壁面發生彈性或者非彈性碰撞而反射；水滴碰到壁面時發生逃逸，被稱為由邊界逃逸；水滴被壁面捕獲，此時水滴將在此邊界處完全蒸發。本文采用水滴由邊界逃逸模型，即認為當水滴遇到熱濕交換單元壁面時將附著在壁面而“逃逸”，其運動軌跡的計算將被終止[7]。

1.3 初始條件設定

通常水滴噴射初速度大于氣流速度。氣流初速度v0=5 m/s，氣流初始溫度t0=305 K,相對濕度φ=90%,水滴直徑D=1.5 mm，水滴初始溫度T0=290 K,水滴以初速度u0=8 m/s垂直向下。

2 物理模型

立式噴淋室的物理模型見圖1所示，噴淋室內氣流自下而上流動，在噴淋室內與噴淋水進行熱濕交換，最后經過頂部設置的擋水板排入大氣。噴淋水有兩種噴淋方式，其中圖1(a)為上噴式模型，即噴淋水自下以一定的初速度向上噴出，在上述條件下減速至零，然后再以初速度為零向下運動到噴淋室底部；圖1(c)為下噴式模型，根據前期上噴式的模擬結果設定下噴式噴淋高度為4 m，即噴淋水自上向下噴出，最后落入噴淋室底部。圖1(b)所示為噴淋室斷面2 m×2 m。

3 結果分析

在上述模型基礎上，以噴淋水為研究對象，模擬了噴淋室內不同噴淋方向對水滴速度變化、停留時間及溫度變化的影響。

3.1 水滴速度變化

水滴受重力、浮力和氣流阻力的綜合作用，加速度的大小和方向取決于合力的大小和方向，與水滴直徑、空氣和水的相對速度等參數相關。下噴式主要存在三種情況:(1)若初始情況水滴受到合力的方向向下，則水滴加速向下運動，水滴與空氣的相對速度增大，氣流阻力增大，水滴受到向下的合力逐漸減小，當合力為零時，水滴加速度為零，水滴向下做勻速運動，直到水滴到達噴淋室底部。(2)若初始情況水滴受到合力為零，則水滴勻速向下運動，直到噴淋室底部。(3)若初始情況水滴受到合力的方向向上，則水滴向下做減速運動，隨著水滴速度的減小，氣流阻力逐漸減小，水滴所受合力逐漸減??；若合力為零時，水滴速度仍然向下，則水滴繼續向下做勻速運動，直到塔底；若速度減小到零時，合力仍然向上，則水滴將會向上運動，則有可能形成漂水損失；若速度和合力同時為零時，則水滴處于懸浮狀態。上噴式噴淋室內水滴的受力分析與下噴式類似。上噴式水滴在垂直方向的運動較為復雜，通常情況水滴要經歷向上和向下兩個運動階段，其中向上運動階段的受力分析如圖1(a)所示，而向下運動階段的運動規律可參考上節對下噴式水滴運動規律的分析。

圖2(a)為下噴式噴淋室中水滴速度分布云圖。其中，左欄顏色代表速度的大小，底部顏色代表水滴的初速度。從圖中可以看出，水滴初速度為8 m/s。該噴淋室為下噴式，水滴由上向下運動。水滴在向下運動過程中主要受重力、浮力、氣流阻力作用。噴淋室內由上到下水滴顏色不斷變化，頂部顏色代表向下運動的速度為0.5 m/s。說明水滴至上而下做減速運動，水滴由初速度為8 m/s減速至終速度為0.5 m/s。

圖2(b)為上噴式噴淋室中水滴速度分布云圖。其中，頂部顏色代表水滴的初速度(遮擋)，從圖中可以看出，水滴初速度為8 m/s，該噴淋室為上噴式，水滴噴出后先向上運動減速為零后再向下運動。噴淋室內由下到上再到下水滴顏色發生變化，底部顏色代表向下運動的速度為1.26 m/s。說明水滴先向上由初速度為8 m/s減速至終速度為0 m/s。再向下運動，由靜止加速速至終速度為1.26 m/s。

3.2 水滴停留時間

圖3(a)為下噴式噴淋室中水滴停留時間云圖。其中，左欄顏色代表水滴停留時間的大小，底部顏色代表水滴剛進入噴淋室。從圖中可以看出，剛進入噴淋室停留時間為零。該噴淋室為下噴式，水滴向下運動，最終落到底部。越往下，水滴在噴淋室內停留時間越長，則底部水滴停留時間最長。噴淋室內由上到下顏色由深變淺，淺色代表停留的時間最長為3.8 s。由此得水滴在噴淋室內的停留時間為3.8 s。

圖3(b)為上噴式噴淋室中水滴停留時間云圖。其中，底部顏色(遮擋)代表水滴剛進入噴淋室。從圖中可以看出，剛進入噴淋室停留時間為零。該噴淋室為上噴式，水滴噴出后先向上運動減速為零后再向下運動，最終落到底部，則底部水滴停留時間最長。噴淋室內由開始的深色最終變為淺色，淺色代表停留的時間最長為8.5 s。由此得水滴在噴淋室內的停留時間為8.5 s。

由圖3可得，水滴在上噴式淋室內的停留時間比在下噴式噴淋室內多4.7 s。

3.3 水滴溫度變化

圖4(a)為下噴式噴淋室中水滴溫度分布云圖。其中，左欄顏色代表水滴溫度的高低，底部顏色代表水滴剛進入噴淋室。從圖中可以看出，剛進入噴淋室溫度為水滴的初溫290 K。該噴淋室為下噴式，水滴向下運動,最終落到底部，越往下水滴在噴淋室內停留時間越長，熱濕交換時間越長，隨之水滴的溫度越高。則底部水滴溫度最高，頂部顏色代表最高溫度為301 K，得水滴在落到噴淋室底部的最終溫度為301 K。

圖4(b)為上噴式噴淋室中水滴溫度分布云圖。其中，底部顏色代表水滴剛進入噴淋室。從圖中可以看出，剛進入噴淋室溫度為水滴的初溫290 K。該噴淋室為上噴式，水滴噴出后先向上運動減速為零后再向下運動，最終落到底部。水滴在噴淋室內停留時間越長，熱濕交換時間越長，隨之水滴的溫度越高。則底部水滴的溫度最高，頂部顏色代表最高溫度為304 K，得水滴在落到噴淋室底部的最終溫度304 K。

由圖4可得，水滴在上噴式噴淋室內的最終溫度比在下噴式噴淋室內的最終溫度高3 K。

4 水滴在噴淋室內停留時間的驗證分析

為驗證上述FLUENT模擬結果的正確性，本節運用MATLAB軟件對水滴運動規律模型進行計算，分析兩種噴射方向對水滴停留時間的影響，從而對本文水滴運動規律模型進行驗證分析。

4.1 下噴式水滴停留時間對比驗證

圖5為下噴式水滴速度隨時間變化圖。從圖中可以看出，水滴在前1.5 s內做減速運動，后做勻速運動，勻速運動速度為0.5 m/s。由圖2(a)中可得，下噴式噴淋室中水滴向下運動最終速度為0.5 m/s，兩者計算的最終速度大小相吻合。下噴式噴淋室中水滴向下運動的總時間為3.5 s。由圖3(a)中可得，下噴式噴淋室中水滴在噴淋室內的停留時間為3.8 s。得兩種方法計算的停留時間相差0.3 s，近乎一致。

4.2 上噴式水滴停留時間對比驗證

圖6(a)為上噴式水滴向上由初速度8 m/s減到5 m/s的速度隨時間變化圖。從圖中可以看出，水滴在向下運動需經歷0.3 s。圖6(b)為上噴式水滴向上由5 m/s減到0 m/s的速度隨時間變化圖。從圖中可以看出，需經歷0.5 s。圖6(c)為上噴式水滴由靜止向下的速度隨時間變化圖。從圖中可以看出水滴在前1.5 s內做加速運動，后幾乎做勻速運動，勻速運動時間約為5 s?？偟倪\動時間為7.3 s。由圖3(b)中可得，上噴式噴淋室中水滴在噴淋室內的停留時間8.5 s。得兩種方法計算的停留時間相差相差1.2 s，近乎一致。

用MATLAB軟件計算的水滴在上噴式淋室內的停留時間比在下噴式噴淋室內多3.8 s，而用FLUENT軟件計算前者比后者多4.7 s，兩種方法得到的水結果近乎一致。由此可得，本文用FLUENT軟件進行數值模擬計算的結果合理可行。

5 結論

在初參數完全相同的情況下，上噴式噴淋室中水滴的停留時間比下噴式多停留4.7 s，由于在上噴式噴淋室中水滴停留的時間更長一些，在上噴式噴淋室中水滴從溫排風中吸收的熱量多一些，水滴最終溫度相對較高為304 K，較下噴式高3 K,說明向上噴淋比向下噴淋的傳熱傳質效率更高。

[1]段澤敏，馬素霞，郭千中.礦井余熱資源利用技術[J].煤礦安全，2014(9)：68-71.

[2]苗世昌.除塵器區低溫省煤器煙道數值模擬[J].河北工程大學學報:自然科學版,2015,32(2):65-68.

[3]連之偉.熱質交換原理與設備[M].3版.北京：中國建筑工業出版社，2011.

[4]強天偉，沈恒根.直接蒸發冷卻空調工作原理及不循環水噴淋填料分析[J].制冷與空調，2005(2)：62-65.

[5]周華慧.礦井回風余熱回收換熱裝置的換熱性能研究[D].邯鄲：河北工程大學，2012.

[6]鮑玲玲.礦井回風熱能回收熱濕傳遞研究[D].天津：天津大學，2013.

[7]佘 軍.礦井回風換熱器數值模擬與優化[D].邯鄲：河北工程大學，2013.

[8]王景剛，佘 軍，王建學，等.礦井回風換熱器數值模擬[J].制冷與空調，2013(3):37-40.

(責任編輯王利君)

Research of spray direction’s influence on the heat and mass transfer in spray chamber

BAO Lingling1, CHEN Dong1, LIU Wei2

(1.College of Urban Construction, Hebei University of Engineering, Hebei Handan 056038,China;2. Hebei Provincial Institute of Energy Resources, Hebei Academy of Sciences, Hebei Shijiazhuang 050081,China)

In order to improve the effect of heat and mass transfer, studying the influence laws of heat and mass transfer effect of various factors is of great significance to improve the efficiency of heat and mass transfer of spray chamber. This paper adopted the numerical simulation method, and carried out the contrast research of the water-drop law of motion and effect of air-water heat moisture transmission in vertical spray chamber which have two kinds including the upward-spray type and the downward-spray type. The result shows that not only the water residence time, but also the heat transfer effect the upward-spray type is superior to the downward-spray type.

spray chamber; spray direction; heat and mass transfer; simulation

2016-03-10

國家自然科學基金資助項目(51408182)；河北省自然科學基金資助項目(E2015402139)；河北省教育廳科學技術處資助項目(QN2014064)特約專稿

鮑玲玲(1982-)，女，河北邯鄲人，博士，副教授，從事熱質傳遞方面的研究。

1673-9469(2016)02-0073-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.02.016

TK124

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