摘要：通过建立多相流动和传热传质耦合的二维CFD模型，对湿空气中水蒸气与水直接接触时的冷凝速率进行了数值模拟研究，分析了入口空气参数以及水面温度等因素对湿空气冷凝速率的影响。结果表明：空气流速较大时能够获得更大的冷凝速率，但空气流速较小时冷凝效率更高；水面温度对冷凝速率的影响存在临界点，当小于临界点后，降低水面温度，冷凝速率基本不再增加，临界温度主要和主流空气的温度和相对湿度有关，与空气流速几乎无关。这些结论可为尽可能获得更高的冷凝速率提供合理的参数选择。
关键词：直接接触；传热传质；冷凝；数值模拟
1 引言
空气与水直接接触传热传质是空调系统中的喷水室、冷却塔、直接蒸发式的冷却器等设备的基本工作过程，由于其在工业应用中较为广泛而引起人们的重视。Hawlader等人[1]、Sobin等人[2]和 Feddaoui等人[3]采用数值模拟的方法，分别研究了冷却塔、水薄层表面以及竖直平板通道内空气与水的传热传质特性。
尽管有关空气与水直接接触热质交换过程的研究已较为深入，但研究点往往着眼于空气的降温加湿过程，对湿空气除湿过程的研究还较欠缺，而其中的热质交换规律对于直接接触式湿度控制系统设计及运行优化有重要意义。为此本文将针对流动的空气与水直接接触发生冷凝的过程建立简化的二维数学模型，以分析空气流速、空气相对湿度、水面温度等对冷凝速率的影响。
2 计算模型
流动的空气与水直接接触进行传热传质时，涉及到能量方程、组分运输方程、动量方程和多相流方程，计算过程较难收敛，为了便于计算首先作如下假设：
1)水面按固定壁面处理，忽略水面波动；
2)水蒸气冷凝时以小液滴的形式析出；
3)湿空气为二元组分，即干空气和水蒸气；
4)各组分为不可压缩理想气体，物性为常数；
5)考虑重力作用；
6)忽略冷凝水分的再蒸发作用。
2.1 物理模型
根据水槽的实际物理尺寸，将水槽简化为如图1所示的2D模型。方型通道高40mm，长300mm，两侧为湿空气进口和出口，底面为冷凝壁面，即实际情况中的水面，顶面为绝热面。
图1 简化的物理模型
2.2 多相流模型
本文借助商用软件FLUNET进行求解。由于在本模型中相间作用较弱，冷凝水极少且分散，空气与水的相界面不明显，因此多相流模型宜采用混合物（Mixture）模型。
2.3 湍流模型
由于本计算模型中的Re不是很大，因此采用Realizable
湍流模型。近壁面处理选用适宜于低雷诺数和复杂流动的增强型壁面函数（Enhanced Wall Treatment）。
2.4 蒸发冷凝模型
FLUENT中的蒸发冷凝模型可适用于多相流中的混合物模型和欧拉模型，但只能处理纯组分相间的质量传递问题，因此需要编写UDF对其中的参数进行修正。蒸发冷凝模型中的质传递方程如下：
（1）
（2）
文献[4-5]中根据工作流体的性质、接触面的几何结构及工况参数采用试算的方式来获得合适的coeff值，这种方法工作量大，且不具备理论根据，本文将从理论角度对冷凝系数coffc进行推导。
根据Hertz-Knudsen等式及气液平衡状态下的Clapeyron-Clausius方程可推得单位相界面面积冷凝质传递速率为[6]：
（3）
气液相界面的面积密度Cia可由下式计算：
（4）
因此，结合式（2）、（3）、（4）可得冷凝过程传质速率
和冷凝系数coffc：
（5）
（6）
对于湿空气而言，水蒸气的饱和温度为湿空气的露点温度，由水蒸气的分压决定，因此需要在UDF中计算实际湿空气的
值，采用Interpreted方式编译到FLUENT中。
3 控制方程
对于第
组分，其连续性方程如下：
（7）
混合物的动量和能量方程及组分运输方程如下：
（8）
（9）
（10）
4 网格划分及求解方法
4.1 网格划分
采用ICEM CFD对计算区域进行网格划分，采用结构化网格；并对上下壁面附近网格加密处理，最终计算网格为约24万个。
4.2 求解方法
本文模型中流体的密度、动量、能量等参数存在相互依赖关系，采用耦合式求解法对模型进行求解。压力与速度耦合采用Coupled算法对离散后的体积比、组分方程、动量方程、能量方程等进行耦合求解，压力离散方式为Standard，动量、能量和组分方程采用二阶迎风，相分数方程采用一阶迎风差分。
5 结果及讨论
5.1 计算结果验证
图2所示为进口处空气的温度25℃，相对湿度60%，壁面温度7℃，不同空气流速工况下模拟计算与经验公式得到的冷凝速率对比。经验公式选取Croce[7]的凝结水层模型，如式（11）所示：
（11）
从图中可看出冷凝速率变化趋势完全一致，平均相对误差为-21.1%，由此可见，模型符合实际情况。
5.2 入口空气参数的影响
由于本文主要关注各种运行工况对冷凝除湿量的影响，故以下将对空气参数（流速、相对湿度）、水面温度对冷凝速率的影响进行探讨。
图3、图4所示为进口空气流速对冷凝除湿效果的影响，分别为空气流速在0.1～1.0m/s时F、
及Δd的变化规律。从图3和图4可以看出，随着空气流速增大，F和
呈增长趋势。但是，流速增大导致湿空气与水传质时间缩短，冷凝速率和传质时间综合影响下，Δd随流速的增大而减小。图4中也可看出，当流速小于0.3m/s时，随着流速增大Δd减小十分明显，当流速大于0.3m/s时减小的趋势逐渐变缓。图5为F随进口空气相对湿度的变化趋势。可以看出，相对湿度越大，F越大，这一现象在空气流速增大时更为明显。
5.3 壁面温度的影响
由于壁面温度即代表了水面的温度，因而其对冷凝速率的影响十分重大。图6所示为不同进口空气流速下F随壁面温度的变化趋势。可以看出，当进口空气的参数一定时，壁面温度存在一个临界点，当壁面温度低于该临界点时，壁面温度继续降低对于冷凝速率的影响较小，当壁面温度高于临界点，冷凝速率随着壁面温度的降低而显著降低。
图7所示为不同相对湿度下壁面温度对冷凝速率的影响。可见，在不同的相对湿度下，临界温度不同，当空气相对湿度较低时，临界温度较小。进口空气温度不同时，壁面温度对冷凝速率的影响如图8所示，当壁面温度较高时，空气温度变化基本不影响冷凝速率。而当壁面温度低于当前温度下的临界温度时，冷凝速率发生突变，达到最大值后基本不再变化；且空气温度越高，临界壁面温度越低。
从以上分析不难看出，临界温度与进口空气温度和相对湿度有关，故对于一定状态的进口空气，采用相应临界温度的水进行冷凝除湿便能够最大化除湿速率，再降低水温已无实际意义。
6 结论
本文建立了湿空气与水面直接接触传热传质过程的数值计算模型，对影响湿空气冷凝速率的因素展开了分析，并由此得到湿度控制系统的一般指导性结论：
（1）采用较大的空气流速能够获得更大的冷凝速率，从而实现更快的响应速度，但采用较小的空气流速，冷凝效率更高，且能够减小送风风机的噪声。
（2）水面温度存在一个临界点，当小于临界点后，降低水面温度，冷凝速率基本不再增加，临界温度和空气的温度和相对湿度有关，与空气流速几乎无关。当温度较高时，临界温度较小，当空气相对湿度较高时，临界温度较高。
图2 结果验证
图3 进口空气流速对冷凝速率的影响
图4 进口空气流速对除湿效果的影响
图5 进口空气相对湿度对冷凝速率的影响
图6不同空气流速下壁面温度对冷凝速率的影响
图7 不同相对湿度下壁面温度对冷凝速率影响
图8 不同进口空气温度下壁面温度对冷凝速率影响
符号表
参考文献：
[1]Hawlader M，Liu B. Numerical Study of the Thermal–hydraulic Performance of Evaporative Natural Draft Cooling Towers[J]. Applied Thermal Engineering，2002，22（1）：41-59
[2]Sobin V M，Dashkov G V. Heat and Mass Transfer under Cooling of Flowing Water Sheets by an Air Counterflow[J]. Journal of Engineering Physics and Thermophysics，2005，78（4）：651-661
[3]Feddaoui M，Mir A，Belahmidi E. Numerical Simulation of Mixed Convection Heat and Mass Transfer with Liquid Film Cooling along an Insulated Vertical Channel[J]. Heat and Mass Transfer，2003，39（5-6）：445-453
[4]Da Riva E，Del Col D. Numerical simulation of laminar liquid film condensation in a horizontal circular minichannel[J]. Journal of Heat Transfer，2012，134（5）：051019
[5]Da Riva E，Del Col D，Garimella S V，et al. The importance of turbulence during condensation in a horizontal circular minichannel[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2012，55（13）：3470-3481
[6]Tanasawa I. Advances in condensation heat transfer[J]. Advances in heat transfer，1991，21：55-139
[7]Croce G，De C E，Dagaro P. Numerical modelling of heat and mass transfer in finned dehumidifier[J]. Applied thermal engineering，2009，29（7）：1366-1374
基金项目：贵州电网科技项目（GZKJXM20170130）资助。
作者简介：
刘晶，男，出生年月：19850523 大学本科，学士学位，职称:工程师，专业：电气工程自动化，研究方向：融冰技术，配电室环境控制技术。
论文作者:刘晶,苏剑锋,方子颉,陈家辉
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
标签：温度论文; 空气论文; 速率论文; 流速论文; 相对湿度论文; 模型论文; 方程论文; 《电力设备》2018年第16期论文;