摘 要:考慮到液滴蒸發(fā)過程中與環(huán)境的壓差關(guān)系,液滴直徑對(duì)霧化的非連續(xù)性影響,對(duì)此引入克努森修正系數(shù),可以降低對(duì)蒸發(fā)過程數(shù)值仿真的難度系數(shù)。基于零維模型前提下,建立氣液兩相的質(zhì)能模型?;诖四P停芯苛丝諝鉁囟?、噴霧溫度與氣液體積比對(duì)加濕性能的影響。
關(guān)鍵詞:零維模型;質(zhì)能模型;液滴;蒸發(fā)過程
隨著工業(yè)的發(fā)展,國內(nèi)外眾多學(xué)子對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器中的燃油噴嘴霧化效果展開一系列研究。對(duì)于液滴蒸發(fā)的研究通常以單液滴蒸發(fā)為基礎(chǔ)進(jìn)行,最基本的是Spalding模型。本文將熱力學(xué)的零維模型用于海水在蒸發(fā)過程中研究。對(duì)無二次污染物濃海水的排放,提高凈化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益具有參考價(jià)值。
1 氣液兩相的質(zhì)能模型
在加濕器內(nèi),噴入缸內(nèi)的液體不僅與缸內(nèi)高溫高壓氣體之間存在有傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象,同時(shí)液滴內(nèi)部也存在熱量和質(zhì)量的傳輸現(xiàn)象[ 1 ]。因此,本文主要從兩相的質(zhì)量和能量守恒進(jìn)行研究。
1.1 液滴的質(zhì)量和能量守恒模型
水分子通過液滴表面向空氣中擴(kuò)散蒸發(fā),其蒸發(fā)過程遵循Fick定律,可以表征為水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)與液滴周圍水蒸氣分壓差之間的關(guān)系。考慮到液滴直徑與霧化的非連續(xù)性影響,在傳質(zhì)過程引入克努森數(shù)的傳質(zhì)修正系數(shù)[ 2 ]。蒸發(fā)過程中,液滴的蒸發(fā)所需能量主要來自周圍空氣對(duì)它的熱傳導(dǎo)。因此液滴內(nèi)部能量變化量為周圍空氣對(duì)它的熱傳導(dǎo)和液滴蒸發(fā)導(dǎo)致液滴質(zhì)量減少使自身能量的損失之和。
1.2 空氣的質(zhì)量和能量守恒
隨著蒸發(fā)的進(jìn)行,空氣相對(duì)濕度增加,空氣的質(zhì)量增加量為液滴的蒸發(fā)量。假設(shè)蒸發(fā)過程為絕熱蒸發(fā),因此空氣的能量變化量為蒸發(fā)那部分液滴能量和空氣過熱傳導(dǎo)傳給所有液滴的能量總和。
2 邊界條件與求解
本文計(jì)算基于加濕器進(jìn)口熱空氣和霧化液滴間熱質(zhì)傳遞守恒的四個(gè)微分控制方程。利用MATLAB2012a中“old15”求解器進(jìn)行仿真計(jì)算。
3 計(jì)算結(jié)果與分析
本文給出液滴在加濕器中完全蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)零排放時(shí)的工況為:氣液比為45×103時(shí)、加濕器進(jìn)口溫度為90℃、噴霧溫度20℃、初始空氣濕度為2%及液滴霧化初始粒徑為100μm;本文主要針對(duì)空氣溫度、噴霧溫度與氣液體積比對(duì)加濕性能的影響進(jìn)行分析。
3.1 空氣溫度與氣液體積比對(duì)加濕性能的影響
氣液體積比對(duì)加濕器出口相對(duì)濕度、出口空氣溫度和蒸發(fā)率的影響如下圖1所示。
當(dāng)氣液體積比為25~40×103之間,進(jìn)口初始空氣溫度在90℃左右時(shí),出口相對(duì)濕度保持在100%,出口空氣的溫度可以達(dá)到35℃左右,蒸發(fā)率亦可達(dá)到70%以上,為出口冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供足夠的端差和能量回收空間,有利于海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
3.2 噴霧溫度與氣液體積比對(duì)加濕性能的影響
海水溫度與蒸發(fā)率和出口溫度成正向關(guān)系、與出口相對(duì)濕度成反向關(guān)系。隨著氣液體積比的增加,將減小海水溫度對(duì)加濕效果的影響,而相對(duì)上述初始空氣溫度對(duì)加濕效果影響,初始海水溫度對(duì)加濕效果的影響小得多。
4 小結(jié)
分析結(jié)果表明,當(dāng)空氣初始溫度為90℃、噴霧溫度為20℃、氣液體積比在45×103時(shí),直徑為100μm的霧滴在1.29秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)零排放,此時(shí)空氣相對(duì)濕度為78%;而當(dāng)氣液體積比降低至40×103時(shí),液滴直徑降至36.7μm時(shí)達(dá)到氣液平衡,此時(shí)空氣相對(duì)濕度為100%??諝鉁囟取婌F溫度與氣液體積比對(duì)加濕性能分析表明,相比進(jìn)口熱空氣溫度而言,噴霧溫度對(duì)加濕性能的影響較小,當(dāng)氣液體積比為25×103~40×103時(shí),出口空氣相對(duì)濕度均能達(dá)到飽和狀態(tài),出口空氣溫度為35℃左右,蒸發(fā)率可達(dá)到70%以上。
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作者簡介:
馬圣(1992-),男,中國民航大學(xué),碩士,研究方向:渦輪盤壽命及可靠性分析。