喷水室两相流热质传递研究.pdf

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1、第3 l 卷第2 期纺织学报V 0 1 3 1 ，N o 2 2 0 1 0 年2 月 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h F e b ，2 0 1 0 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1l2 0 1 01 0 2 0 1 2 0 0 5 喷水室两相流热质传递研究 李新禹1 ，金星1 ，谷操2 ，徐 杰1 ，5 , 1龙1 ，刘玉杰1 ( 1 天津工业大学纺织学院，天津3 0 0 1 6 2 ；2 中国北方车辆研究所，北京1 0 0 0 7 2 ) 摘要在动坐标系下对顺流式水一空气热、湿交换处理系统进行研究，确定雾化水滴直径与喷水压力

2、之间的关 系曲线，运用相对速度的概念建立喷水室两相流模型及热湿交换第一效率关系式。理论分析与实验数据表明，压 力对热湿交换效率关系式影响较大。当喷水压力小于1 5 7P a 时，实验结果与理论值吻合较好，误差小于6 ；当喷 水压力大于1 5 7P a 时，实验结果与理论值误差较大。在该压力下对热湿交换第一效率关系式进行拟合修正，修正 后实验结果与理论值误差在7 以内。 关键词喷水室；两相流；热湿交换；第一效率关系式 中图分类号：T S1 3 1 9文献标志码：A R e s e a r c ho nt w op h a s ef l o wh e a ta n dm a s st r a n

3、s f e ri ns p r a yc h a m b e r L IX i n y u l ，J I NX i n 9 1 ，G UC a 0 2 ，X UJ i e l ，L I UL o n 9 1 ，L I UY u j i e l ( I S c h o o lo fT e x t i l e s ，T i a 耐nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，T i a n j i n3 0 0 1 6 0 ，C h i n a ； 2 C h i n aN o a hV e h i c l eR e s e a r c h ，w l 缸“t

4、 e ，B e i j i n g 1 0 0 0 7 2 ，C h i n a ) A b s t r a c t T h eh e a ta n dm o i s t u r ee x c h a n g es y s t e mt h r o u g hd o w n s t r e a mw a t e r a i rp r o c e s s i n gi nt h e d y n a m i cc o o r d i n a t ei ss t u d i e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf o g g e dd

5、 r o pd i a m e t e ra n dw a t e rj e tp r e s s u r e i sd e t e r m i n e d B ya p p l y i n gt h ec o n c e p to fr e l a t i v es p e e d ，at w op h a s em o d e li nt h es p r a yc h a m b e ra n d t h ee q u a t i o nw i t hm a x i m u me f f e c t i v e n e s so fh e a ta n dm o i s t u r ee

6、 x c h a n g ea r ee s t a b l i s h e d I th a sb e e n p r o v e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t at h a tp r e s s u r eh a s c o n s i d e r a b l ee f f e c to nt h e e q u a t i o no fh e a ta n dm o i s t u r ee x c h a n g e W h e nt h eh y d r a

7、 u l i cp r e s s u r ei sl e s st h a n1 5 7P a ，e x p e r i m e n t a l r e s u l t sf i tw e l lw i t ht h e o r e t i c a lr e s u l t sw i t he r r o rl e s st h a n6 W h e nt h eh y d r a u l i cp r e s s u r ei sm o r et h a n 15 7P a ，g r e a te r r o ri so b s e r v e d T or e d u c et h i

8、se r r o r ，c o r r e c t i o n sa r em a d ef o rt h ee q u a t i o nw i t ht h e m a x i m u me f f e c t i v e n e s sw h e nh y d r a u l i cp r e s s u r ei s15 7P a A f t e rc o r r e c t i o n ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti si n g o o da g r e e m e n tw i t ht h et h e o r e t i c

9、 a lv a l u ew i t ht h ee r r o rw i t h i n7 K e yw o r d ss p r a yc h a m b e r ；t w op h a s ef l o w ；h e a ta n dm o i s t u r ee x c h a n g e ；e q u a t i o nw i t hm a x i m u m e f f e c t i v e n e s s 在纺织厂空气调节中，普遍使用喷水室调节 空气的温湿度。关于喷水室内热湿交换的问题， 很多学者已做了大量、深入的实验及理论研究，取 得了很多成果，但还有很多不确定的因素需要进

10、 一步的探讨和研究。喷淋室中传热传质的总表面 积是直径不同的雾化水滴表面积之和，雾化水滴 的直径与喷嘴构造、喷水压力等许多因素有关，较 难确定。为此，本文采用高速摄像机对雾化水滴 的直径进行分析，运用相对速度概念对喷水室热 质交换的数学模型进行研究，得出喷水室热湿交 换效率关系式。并依据实验数据对理论模型进行 了验证，使理论与实验的误差达到最小，为今后喷 水室的实际设计工程提供比较理想的理论设计 依据。 收稿日期：2 0 0 9 一0 3 一1 0修回日期：2 0 0 9 1 0 2 3 基金项目：天津市高校科技发展基金资助项目( 2 0 0 4 1 2 0 5 ) 作者简介：李新禹( 1 9

11、 “) ，男，副教授，博士。主要研究方向为纺织空调及新能源开发。E - m a i l ：x i n y u l i 7 6 2 7 s i n a C O l a e n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第2 期 李新禹等：喷水室两相流热质传递研究 1 2 l 1 模型简化条件及液点直径范围 2喷水室两相流模型建立 1 1 条件简化 为突出问题的本质，使解决问题具有更强的针 对性，对水滴一空气的热质交换做以下假设和简化。 1 ) 视液滴为规则

12、刚性球体，液滴在系统内均匀 分布。 2 ) 喷水室断面积A 及空气流速。一定，水滴 速度U w O 只沿喷水室长度方向变化。3 1 。 3 ) 紧贴水滴的空气薄层是温度与水滴温度 ( t 。) 相同的饱和湿空气，其焓值为h 。( t 。) 。 4 ) 每个水滴的传热系数具有相同的准则公式， 其对流换热系数可用单滴公式进行计算H 。5o ： N u D = 2 + c 3 R e 孑2 P r “( 1 ) 式中：R e 为雷诺数；P r 为普朗数；N u 为努塞尔数；系 数c ，= 0 6 ，D 为水滴直径。 5 ) 当温度区间1 5 ，h 。和t 。的关系可近似 为线性关系，当温度区间 1

13、5 ，可对h 和t 。做分 段线性处理。 6 ) 因水滴沿喷水室水平方向的速度远大于垂 直速度，可忽略重力加速度对水滴的影响。 1 2 液点直径测算 在喷水室中，喷嘴喷出水滴的直径从喷嘴的出 口到喷水室的大空间是变化的。本文将水滴的雾化 过程分为3 个阶段，即喷嘴出口的环状区，喷嘴前端 的雾化区和大空间的平行区。为研究方便，假定在 设定的喷水压力下液滴的直径不变。用高速摄像机 成像经过测量，液滴直径的变化规律见图1 。 喷水压力胁 图1 喷水室液滴直径随压力变化规律 F i g 1 D r o p l e td i a m e t e rv a r i a t i o nw i t hd i

14、f f e r e n tp r e s s u r e 本文选择顺流式水一空气处理系统进行研究，流 体流动状况和坐标系见图2 。 “d 空气 水 图2 顺流式水一空气处理系统中流体流动状况和坐标系 F i g 2D o w n s t r e a m i n gw a t e r a i rs y s t e mi n m o v e d c o o r d i n a t es y s t e m 为简化水流运动的相对性，设该坐标系- 以与 空气流速“。相同的速度运动。由于喷水室中的气 液两相均为低速运动，故该移动坐标相对于静止坐 标同样适合伽利略坐标变换式。某质点P 在坐标 系中出现的时

15、刻r7 应该和在静止坐标系中出现的 时刻下相等，即r = 丁。所以，质点P 在坐标系中的 空间坐标( 茗，Y ，彳) 、时间坐标t 与静止坐标系中的 空间坐标( 髫，Y ，z ) 、时间坐标t 之间的关系式为 龙= 算一u r ，Y = Y 一“下，z = z U T 。 2 1 水滴相对速度的变化 喷嘴喷出的水滴受到的阻力与水滴对空气相对 速度的二次方和空气密度P 。成正比- 8 ，即： R = c D ( 1 T 4 ) D 2 P 。u 2 2( 2 ) 式中：R 为水滴受到的阻力；c 。为空气阻力系数；D 为水滴直径，m m 。 当水滴的雷诺数R e 3 0 0 时，c 。约等于0 4

16、 4 ， P 。= 1 1 1k g m 3 ，令c = ( 竹8 ) C D p 。= 0 1 9 2N s 2 m 4 ， 则式( 2 ) 可转变为 R = c D 2 “2 一( 3 ) 在上面建立的坐标系中，水滴的速度为u ，“等 于静止坐标中水滴速度u 砷与空气流速的u 。的差 值。设x 为静止坐标的坐标变量，X 为移动坐标的 坐标变量，出为移动坐标的微元长度，t 为飞行水滴 飞过有效长度所需的时间。对每个水滴都存在以下 的关系：d x 区间水滴飞行时间为d t = d x u ；d x7 区问 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase f

17、rom www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 2 2 纺织学报第3 1 卷 水滴受到的冲量( 力与时间的乘积) 为R d t = c D 2 U 2 d x u = c D 2 u d x ；d x 区间水滴的动量变化为 一( , n 6 ) D 3 P 。d u ，则动量方程为 一d u u = ( 6 c ( “ t r p 。D ) ) d 菇 ( 4 ) 将式( 4 ) 两边积分，当t = 0 时，并= O ，“= u 。，移动坐 标系中水滴的速度分布式为 u = U o e x p ( 一6 c x ( 1 r p 。D ) ) (

18、5 ) 式中u 。为水滴的初始速度，m s 。 2 2 热质交换面积的推算 在移动坐标系的任意断面处单位时间通过的水 量为 = W p 。 ( 6 ) 式中：为移动坐标系下单位时间内的体积喷水量， m 3 s ；W 为移动坐标系下单位时间内的质量喷水 量，k g s 。 单位装置长度的水量为 u = W ( p 。u ) ( 7 ) 血区间上直径为D 的水滴数为 d n = 6 W d x f r u D 3 P 。( 8 ) 2 3 水滴表面热质交换系数的计算 单个水滴的对流热、质交换系数可用对单个水 滴适用的公式旧“，如L i a k h o v s k i i 公式： S h = c R

19、 e 4 S c 6 ( 9 ) 式中：| s | I l 为舍伍德数；S c 为施密特数；c 为常数。 当R e 1 5 0 ，式( 9 ) 可表示为s = 0 6 R e l ，2 S c 。 水滴表面水蒸气在2 0 空气中质扩散系数 D l f = 2 4 5X1 0 。n 1 2 s ，空气的运动黏性系数y = 1 5 1 1X1 0 。m 2 s ，S c = 0 6 1 6 ，以水滴表面边界层处 水蒸气的浓度为基准的对流传质系数K 。可表示为 K ：= S h D D = 0 6 ( u D v ) m S c v 3 D D = 0 6 S c V 3 D H ( u D ) y

20、 = 3 2 2X1 0 。3 ( u D ) ( 1 0 ) 将式( 1 0 ) 乘以干空气的密度( 1 1 1k g 干空气m 3 ) ， 即可得到以空气焓值为基准的对流传质系数 K c = 3 5 7x1 0 。3 ( u D ) 2 ( 1 1 ) 忽略水滴的传热阻力，可将与水滴表面接触的 空气焓值取为具有水滴表面温度的饱和空气的 焓值。 2 4 喷水室的热交换计算 利用前面已经得到的参数及式( 8 ) 可得到热交 换的关系式哺。】。 通过以区间的水滴其换热量为 d q = K c d s ( h 。一h ) d T = K c d s ( h 。一h ) d x u = 6 r W

21、( 一h ) ( d x ) 2 p ，( D u ) 3 力 ( 1 2 ) 式中：d s 为传热传质水滴总面积；h ，为饱和空气的 焓；h 为流动空气的焓；r 为常数，r = 3 5 7 1 0 3k g ( m 2 s v 2 ) 。 进一步还可得到：出区间的空气质量为 p 。A d x ；d x 区间的水滴质量为( 竹6 ) D 3 P d n ；d x 区 间空气的焓值变化为d h = d q ( p A d x ) 。 由于水滴表面饱和空气的焓值h 。与水滴温度t 呈线性关系，c 。为斜率，那么以区间因为水滴的温 度t 变化d t 而引起的水滴表面饱和空气焓值h 。变 化为 d h

22、 = c H d t = c H d q ( c 。W d x7 u ) 上述2 项之差d 。一d h = d ( h 一h ) ，将式( 1 2 ) 和 式( 4 ) 代入，便可得到微分方程式： d ( h 。一h ) 6 r W ，c H3 c 菇， 1 丁2 历两l 丽C w W1 1 , 0 麟p 硒一 赤e x p9 c x ，r p D ，如 ( 1 3 ) p 。A l “r ， ” 将式( 1 3 ) 两边分别积分，在茗= 0 处，h 。一h = h 。一h 。，则与水滴表面接触空气的焓差在移动坐标 系上的分布函数可表示为 若p 焉和【罢( 唧而3 c x 一) 一再础砷I 不

23、酽万【i 【麟p 而o J 一 焘( e x p 型“ 盯p w D 一) 】) ( 1 4 ) 瓦瓦l 一。1 J J j u 叫 令髫= l ，即可求出在喷水室出口处的焓差h 以一h ：。 此时，设l 。= 印。D ( 6 c ) ，并且W u 砷：W u o ，可得 到装置出口与进口处焓差比的一般表达式： 措p 意知【芝( 唧半一) 一再础印i 石万严【芒【蹦p 亍。1 J Wt3pA - - - 石( e x p 半一1 ) 】) ( 1 5 ) I 丁叫川 到 式中：形为喷嘴实际喷水量，k g s ；C ，为水的比热， J ( k g ) 。 田l = 1 一( h 们一h ：) (

24、 h 。l h 。) ( 1 6 ) 式中叼。为第一效率关系式。 3 实验验证 通过单喷嘴顺喷实验对公式进行验证，实验装 置如图3 所示。喷水室的热交换效率系数也叫第一 热交换效率( 全热交换效率) 。该系数同时考虑空 气和水的状态变化。田。越大，说明热湿交换越完 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第2 期 李新禹等：喷水室两相流热质传递研究 1 2 3 测速段 注；进风参数选择环境空气参敦：喷水室宽为1 2 0m 。 图3喷水室实验台原理图 F i

25、 g 3S p r a yc h a m b e rt e s tp r i n c i p l ed i a g r a m 善，反之，说明热湿交换越不完善。叩。的最大值 为1 ，当田。= l 时，空气的终状态与水终温相同。 影响喷水室第一热交换效率的因素有很多，当 喷水方式一定时，效率主要受空气质量流速与喷水 系数的影响。图4 示出不同空气质量流速下喷水系 数与第一热交换效率之间关系的理论和实验值。 喷水系数 ( a ) 0 0 3k g s 图4 不同质量流速下喷水系数与第一热交换效率关系 F i g 4 R e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p r

26、 a yc o e f f i c i e n ta n d f i r s th e a te x c h a n g ee f f i c i e n c y 由图4 ( a ) 可看出，空气质量流速为0 0 3k g s ， 当喷水系数在0 6 1 6 区间变化时，理论计算值与 实验结果吻合较好，相对误差均小于6 ；在 图4 ( b ) 中，当空气质量流速为0 0 4k g s ，喷水系数 低于1 2 时，理论计算结果与实验结果吻合也较好， 而当喷水系数大于I 2 时，实验值与理论计算误差 较大。空气质量流速提高意味着空气速度的增加。 此时提高喷水系数，尽管增大了喷水量，但由于空气 流速

27、的提高，使得喷出的水量难以在空气中均匀扩 散以及小颗粒雾化水滴的漂移现象增加，造成雾化 水滴不能充分与空气流进行热质交换，故使理论计 算结果与实验值存在很大的误差。进一步说明当风 速提高，水流量增大时，理论分析时所应用的假设条 件与实际情况差异明显，使理论计算结果与实验结 果之间产生较大的误差。 另外在较大的水流量下，喷水压力较大，喷出的 水滴粒径较小，水滴之间的相互影响降低了热湿交 换效率，也是导致其理论值大于实验值的原因之一。 由图4 ( b ) 可看出，空气质量流速为0 0 4k g s ， 当水气比大于1 1 9 9 时，实验结果与理论结果产生 较大的差异，此时的喷水压力为1 5 7P

28、 a 。为了减小此 类误差的产生，使理论计算更具有实用价值，当喷水 压力大于1 5 7P a 时，对式( 1 5 ) 进行修正： h 。2 一 2 一= 。l 一| I l l e x p 患簪 芒( 唧半一) 一击( 唧1 虬5 l - 1 ) 】一祗I 甑矿。叫J J + 以p ) ( 1 7 ) 分别对以肛) 进行线性拟合和二次曲线拟合，拟合修 正后的喷水系数与第一热交换效率之间关系的理论 结果和实验结果见图5 。 由图可看到，当喷水压力超过1 5 7P a 时，经过修 正的理论结果与实验结果的相符性比较好，经过二 次曲线修正后，各点的理论值与实验结果误差均在 7 以内。 O O O O

29、 O O O O O O 碍鬏瑞权壤，酶 4 ”张吣 。瞅 嘞 雌 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 2 4 纺织学报第3 1 卷 静 楼 辅 杈 竣 城 喷水系数 ( a ) 线性拟合后 喷水系数 ( b ) 二次拟合后 果误差在7 以内。 参考文献： 1 2 3 4 5 图5 线性和二次拟合后喷水系数与第一热 交换效率之间关系 F i g 5R e l a t i o n s h i p b e t w e e ns p r a yc o e

30、 f f i c i e n ta n df i r s t h e a te x c h a n g ee f f i c i e n c ya f t e rl i n e a rf i t t i n g ( a ) a n d 6 q u a d r a t i cc u r v ef i t t i n g ( b ) 4 结论 针对喷水室两相流顺喷条件下热湿交换问题， 研究了雾化水滴直径与压力之间的关系，确定了水 滴粒径变化范围。并在研究了气液两相流基本特点 和运动特性的前提下，对两相流基本方程进行了各 种简化假设，确立了反映喷水室顺喷两相流的数学 模型，得到含有液点直径的热湿交换

31、第一效率关系 式。实验验证表明，喷水压力低于1 5 7P a 时，热湿交 换第一效率关系式与实验结果吻合较好，各点误差 均在6 以内。对于压力高于1 5 7P a 的区间，理论值 与实验结果误差较大，经二次拟合修正后与实验结 7 8 9 1 0 1 1 F z x B 周兴禧制冷空调中的质量传递 M 上海：上海交 通大学出版社，1 9 9 1 Z H O UX i n g x i M a s sT r a n s f e ri n R e f r i g e r a t i o na n dA i r C o n d i t i o n i n g M S h a n g h a i ：S h

32、 a n g h a iJ i a o t o n g U n i v e r s i t yP r e s s ，1 9 9 1 F R N A KPI 。D A V I DPD F u n d a m e n t a l so fH e a ta n d M a s sT r a n s f e r M 4 t he d N e wY o r k ：J o h nW i l e y S o n s ，I n c 。1 9 9 6 ：3 7 4 程守洙，江之永普通物理：第1 册 M 3 版北京： 高等教育出版社，1 9 9 6 ：2 3 1 2 3 4 C H E N GS h o u z

33、h u ，J I A N GZ h i y o n g G e n e r a lP h y s i c s ： l M 3 r de d B e r i n g ：H i g h e rE d u c a t i o nP r e s s ， 1 9 9 6 ：2 3 1 2 3 4 韩兆熊传递过程原理 M 杭州：浙江大学出版社， 1 9 8 8 ：1 2 2 1 2 6 H A NZ h a o x i o n g P r i n c i p l e so fT r a n s f e rP r o c e s s M H a n g z h o u ：Z h e j i a n gU n

34、 i v e r s i t yP r e s s 1 9 8 8 ：1 2 2 1 2 6 连之伟热质交换原理与设备 M 北京：中国建筑 工业出版社，2 0 0 1 L I A N Z h i w e i P r i n c i p l e s o fH e a ta n dM a s s T r a n s f e r M B e r i n g ：C h i n aB u i l d i n g a n dI n d u s t r y P r e s s ，2 0 0 1 H E T S R O N IG H a n d b o o ko fM u h i p h a s eS y s

35、 t e m s M W a s h i n g t o n ：H e m i s p h e r eP u b l i s h i n gC o ，19 8 2 严谨井筒气液两相流动数值模拟研究 D 南充： 西南石油学院。2 0 0 5 Y A NJ i n N u m e f i c Ms i m u l a t i o no fa i r w a t e rt w op h a s e s f l o wf o r s h a f t D N a n c h o n g ：S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ，2

36、 0 0 5 王厚华，周根明，李新禹传热学 M 重庆：重庆大 学出版社，2 0 0 6 W A N GH o u h u a ，Z H O UG e n m i n g ，L IX i n y u H e a tT r a n s f e r T h e o r y M C h o n g q i n g ：C h o n g q i n gU n i v e r s i t yP r e s s ，2 0 0 6 S I E G E LM H ，R O B I N S O NCW A p p l i c a t i o no fa i r l i f t g a s l i q u i d

37、s o l i dr e a c t o r si nb i o t e c h n o l o g y J C h e mE n g S c i ，1 9 9 2 ，4 7 ( 1 3 一1 4 ) ：3 2 1 5 3 2 2 9 F A NLS G a s 1 i q u i d s o l i d f l u i d i z a t i o n E n g i n e e r i n g M N e wY o r k ：B u t t e r w o r t hP u b l i s h e r s ，1 9 8 9 B O U S S I N E S QJ E s s a yo nt h ef l o ww a t e r J M e m A c a dS c i ，1 8 7 7 ，2 3 ：l 一6 8 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark