直接蒸发冷却系统传热传质过程的数值模拟

    1 引言

    直接蒸发冷却是蒸发冷却过程中最基本的流程。从热力学角度看,它是一个同时存在流动、传热和相变传质等多个传递过程耦合并相互交叉影响的复杂的不可逆热力过程。由于其热质交换的复杂性,无论是理论分析的方法还是实验研究的方法都受较大的限制。由于受到外界条件的干扰,实验效果会随着多种因素发生变化,实验结果往往并不稳定、准确,而且还可能费用昂贵。但数值模拟方法具有不受外界条件干扰、模拟结果较稳定、成本较低且能模拟较复杂或较理想的过程等优点,可以拓宽实验研究的范围,减少成本昂贵的实验工作。

    2 数学模型的建立

    2.1 问题的描述及说明

    本文所研究的直接蒸发冷却系统包括填料、风机、水泵、集水箱、布水器等,如图1所示。循环水从填料顶部通过布水器淋洒,在填料表面形成下降的水膜。被处理的空气在风机的作用下通过填料,在气流通道中与水膜发生热湿交换,空气被冷却、加湿。填料采用的是蒙特空气处理设备(北京)有限公司的GLASdek介质,该介质是由一种基于玻璃纤维的复合材料制成的,吸水性及抗腐蚀性能良好,阻燃性好,利于防火,其结构如图2所示,特殊的波纹角度可以控制水流与空气交叉流动,以提供水流与空气间最大的接触表面积,减小流动阻力。

    图3所示为简化后的物理模型。x方向表示空气的流动方向,y方向表示填料的宽度方向,z方向表示从上到下水流的方向。空气沿着x方向在填料通道内流过时被冷却加湿。

    通过对物理模型的传热传质过程的分析,特作如下简化假设:

    (1)忽略空气、水与外界的换热,空气进行绝热加湿;

    (2)空气的温度及含湿量不沿Z方向发生变化,空气的流动换热是二维的;

    (3)淋水量较少且淋水均匀,填料吸湿性强,蒸发量也少,所以认为水膜为静止的、稳定的且温度恒定;

    (4)水膜很薄,淋水量只要满足润湿整个填料表面即可,故而忽略其厚度;

    (5)水-气表面无滑移;

    (6)直接蒸发冷却系统在稳定工况下运行。

    基于以上假设,直接蒸发冷却过程中空气的流动、传热及传质过程可以按二维问题来处理,计算区域如图4所示。x方向取填料的厚度(用δ表示),y方向取填料宽度的一半(用表示,B1为填料宽度)。

    2.2 控制方程及边界条件

    空气质量守恒方程:

    式中:u—x方向空气速度分量,m/s;

    v—y方向空气速度分量,m/s;

    mv—质量源项,即空气与水的质交换率,kg/(m3•s)。

    由于水分蒸发进入空气中,使得质量守恒方程中出现了质量源项,并将对其他方程带来影响。