凹凸板换热器内含不凝气的蒸汽冷凝特性研究.pdf

能源化工Energy Chemical Industry第 44 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.44 No.4Aug.,2023凹凸板换热器内含不凝气的蒸汽冷凝特性研究李中阳1，孟彦孝1，刘炳成2，李强2*(1.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061；2.青岛科技大学气候变迁与能源可持续发展研究院，山东青岛 266061)摘要：凹凸板式换热器作为一种新型高效换热设备，其强化传热效果在于其板片的结构。鉴于不凝气的掺入对蒸汽在换热器内的冷凝传热效果也会产生影响，通过数值模拟对凹凸板换热器内含不凝气蒸汽冷凝特性进行研究。采用控制变量法研究了不凝气含量、凹凸台高度、间距以及倾角对凹凸板换热器冷凝传热的影响。结果表明，当不凝气体积分数从 0 增大到 30%时，蒸汽冷凝水质量分数降低了 41.05%。通过分析不同凹凸板片参数对换热器内冷凝换热的影响，发现冷凝水质量分数会随凹凸台间距增大而增大、凹凸台倾角减小而增大，随着凹凸台高度先增加后减少。当凹凸台间距为 1.3 mm，凹凸台高度为 4 mm，凹凸台倾角为 130时，凹凸板换热器综合传热效果最好。关键词：竖直板域通道；传热特性；蒸汽冷凝；凹凸板片中图分类号：TQ051.5 文献标志码：A 文章编号：2095-9834(2023)04-0032-07引文格式：李中阳,孟彦孝,刘炳成,等.凹凸板换热器内含不凝气的蒸汽冷凝特性研究 J.能源化工,2023,44(4):32-38.Study on condensation of steam containing non-condensable gas in concave-convex plate heat exchangerLI Zhongyang1,MENG Yanxiao1,LIU Bingcheng2,LI Qiang2(1.College of Electromechanical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266061,Shandong,China;2.Institute of Climate and Energy Sustainable Development,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266061,Shandong,China)Abstract:Concave-convex plate heat exchanger is a new type of high efficiency heat transfer equipment,its enhanced heat transfer effect lies in its plate structure.In view of the incorporation of non-condensable gas will also affect the condensing heat transfer effect of steam in the heat exchanger,so the condensation characteristics of steam containing non-condensable gas in concave-convex plate heat exchanger are studied by numerical simulation.The control variable method is used to study the influence of non-condensable gas content,height,spacing and angle of concave-convex plate heat exchanger on condensing heat transfer through numerical simulation.The simulation results show that when the content increases from 0 to 30%,and the mass fraction of steam condensate water decreases by 41.05%.By analyzing the influence of different concave-convex plate parameters on the condensation heat transfer in heat exchanger,it is found that the mass fraction of steam condensate water increases with the distance between concave-convex platforms,and the angle of concave-convex platform decreases,and it increases first and then decreases with the height of concave-convex platforms.When the distance between 收稿日期：2022-10-28。作者简介：李中阳(1996)，男，山东德州人，硕士研究生在读，研究方向为节能减排以及新能源技术。E-mail：。*通信作者：李强(1988)，男，山东滕州人，博士，讲师，研究方向为节能环保新技术。Email：。研究与开发33第 44 卷第 4 期在现代强化传热技术中，板式换热器因其具备结构紧凑、传热效率高等较多优点，广泛应用于各类换热领域1。但传统板式换热器存在换热能力低等缺点，目前常见的改善方法有波纹板、波浪槽、翅片、折流板等结构。与其他强化传热结构相比，凹凸板换热器在增加换热的同时，流动阻力增幅也较小2，因此近年来得到了广泛的关注。郭潇潇等3分析了凹凸结构对波纹板传热性能的影响，发现凹凸结构参数过大或过小均不利于换热器的换热。Shirzad等4通过研究凹凸板片通道不同纵向和横向间距对换热性能的影响，发现增加板片通道高度可以提高换热器的换热性能。王光辉等5模拟分析了凹凸板结构参数对换热器传热特性的影响，结果表明凹坑高度对凹凸板传热性能影响最大，其次为凹坑直径，横向间距最小。当换热器应用于烟气化学捕集工艺流程中，不凝气的存在阻碍水蒸气传热过程，对蒸汽凝结换热性能产生很大影响6-8。目前，对于含不凝性气体蒸汽冷凝的研究可分为试验研究和数值模拟两大类，其中试验研究得到的经验关联式具有较高的实用价值9-10，但适用条件较苛刻。数值模拟不仅是一种经济高效的研究手段，而且非常适用于板式换热器的模拟研究。Hammoudi11对存在不凝气的垂直通道中蒸汽冷凝进行数值模拟，结果显示随着不凝气含量增加，冷凝速率不断降低。高妍12通过将 Lee 模型与 VOF 模型结合，模拟了竖直管内含不凝气的蒸汽冷凝情况，发现随着不凝气含量的增加，冷凝效果不断变差。贾文华等13通过对波节管内含不凝气的蒸汽冷凝特性进行模拟，发现不凝气对蒸汽凝结换热具有削弱作用。目前关于凹凸板换热器内含不凝气的蒸汽冷凝研究还处于初级阶段，且距其标准化大规模生产应用还有许多问题。笔者以不凝气含量和凹凸台高度、间距以及倾角为控制变量，通过数值模拟的方法，并采用UDF 自编程，将不凝气加入到混合蒸汽中，考察了混合蒸汽在不同凹凸板域内的冷凝传热特性，研究结果可为含不凝气的蒸汽在板式换热器内冷凝传热计算提供理论依据。1换热器数值计算模型1.1几何模型对板式换热器凹凸板域通道内的混合气体冷凝和换热过程进行研究，凹凸换热器板片片组见图1(a)。考虑换热器通道的对称性和周期性，针对板片通道设计了一个竖直凹凸板通道二维简化模型，结构示意见图 1(b)。(a)换热器板片片组(b)二维简化模型图1凹凸换热器板片片组和二维简化模型结构示意凹凸板通道模型主要参数包括：计算模型长度、凹凸台间距、凹凸台高度和凹凸台倾角，尺寸参数见表 1。表 1 中二维模型板域通道最小管径设置为 5 mm，板长取 4 个凸台和 3 个凹台的长度。模型采用逆流布置，凹凸板壁为恒温刚性材料，所以外壁温度按恒壁温处理。为减少进出口误差，在凹凸板域的进、出口各预留 2 mm 的过渡段。concave-convex plate is 1.3 mm,the height of concave-convex plate is 4 mm,and the angle between concave-convex plate is 130,the concave convex plate heat exchanger has the best heat transfer effect.Key words:vertical plate channel;heat transfer characteristic;steam condensation;convex-concave plate李中阳,等.凹凸板换热器内含不凝气的蒸汽冷凝特性研究34能源化工2023 年 8 月表1凹凸板模型具体尺寸凹凸板板号换热板最小管径d/mm换热板长度l/mm凹凸台间距s1/mm凹凸台高度h/mm凹凸台倾角/()1#547.50002#547.51.321203#547.51.721204#547.51.521205#553.51.531206#559.51.541207#559.51.541158#559.51.541259#547.51.4212010#547.51.6212011#550.31.52.512012#556.51.53.512013#559.51.5411014#559.51.541301.2计算模型1)基本假设。在模型模拟过程中，板间介质温度的变化极小。因此在建立数学模型时作如下假设14-15：计算区域的流动和传热过程都是稳定的；工质流动时黏性耗散热效应忽略不计；蒸汽和不凝气为理想气体；考虑重力的影响；忽略冷凝液滴与液滴之间的干扰。2)控制方程。控制方程采用 VOF 模型，该模型以质量、动量、能量守恒和组分运输方程为基础16，进行多相流问题分析，并采用UDF自编程17。蒸汽冷凝进程中，通过扩散定律来预测质量和能量源项，复合通量 mi指物质 i 经过单位面积的质量，由质量和对流通量预测，计算式见式(1)。mi=ji+iv=Yi(ni+nj)-iDijYi(1)式中：ji为组分i的分子质量通量；i为组分i的相对分子质量；v为组分i的扩散速率；Yi为组分i的质量分数；ni和nj分别是组分i和组分j的扩散占比；Dij为扩散系数，下标ij表示质量i向质量j扩散。混合物由水蒸气与空气组成，但是由于水蒸气发生冷凝后质量减少，而空气的质量并未减少，因此可以认为空气是静止不动的，即 nj=0，则可推导出式(2)。mi=iDij1-YiYi(2)采用此复合通量求出质量源项 Sm的数值，并将该量当作蒸汽冷凝流率，推导出式(3)。Sm=mi AeffVeff(3)式中：Aeff为冷凝面积；Veff为网格的体积。能量源项 Sh的计算式见式(4)。Sh=mi AeffVeff hlg(4)式中：hlg为汽化潜热。2数值模拟方法及验证2.1求解设置与边界条件基于 VOF 模型开展多相流模拟计算，相变模型选用 Lee 模型，采用 RNG k-湍流方程，压力与速度耦合采用 SIMPLE 算法，空间离散采用软件初始默认状态。边界条件设置：入口速度垂直于入口边界，设置为 1 m/s，入口温度设置为 373.15 K，出口压力设置为标准大气压。壁面采用无滑移边界，设置为恒壁温条件18，温度为 294.15 K，厚度设置为 0.5 mm。蒸汽和不凝气同时注入，其物性参数见表 2。表2蒸汽和不凝气物性参数工质密度/(kgm-3)比热容/(kJkg-1K-1)黏度/(mPas)导热系数/(Wm-1k-1)蒸汽0.5982.1351.2200.024不凝气0.9471.0090.2190.0322.2网格划分及无关性验证采用 ICEM CFD 软件对凹凸板换热器二维简化模型进行网格划分，采用三角形非结构化网格方法，并对近壁面处的网格采用局部加密处理，网格划分见图 2。网格划分是数值模拟的一个关键步骤，不同单元格类型与单元格大小等因素均会直接影响模拟结果19。为减少模拟误差，以板面平均传热系数作为参考，进行网格无关性检验，结果见图 3。由图 3 可见：当网格数大于 30 000 时，平均传热系数较为稳定，继续增大网格数对计算精度提升不大，因此采用网格数为 48 764 进行数值模拟计算。2.3模型验证针对凹凸板换热器内蒸汽冷凝开展研究，并在相同工况下将模拟值与 Lee 准则关联式、Wen 模拟值、Nuseelt 推广解进行验证对比，结果见图 4。由图 4 可见：在相同工况下，模拟结果与 Lee35第 44 卷第 4 期(a)局部网格划分(b)近壁面网格划分图2网格划分示意图3网格无关性验证图4凹凸板模拟值与经验公式计算值对比准则关联式基本吻合，最大误差仅为5.69%；与Wen模拟值、Nuseelt推广解有一定的误差20，但所得冷凝传热系数距离入口板长降低的趋势均大致相同，这是因为经验公式各有侧重21。笔者采用Lee模型进行模拟，并通过UDF编译对冷凝模型进行源项程序补充，所得到的模拟值与Lee准则关联式结果吻合较好，这也印证了所建立的数值模拟冷凝模型的可行性。3模拟结果与分析3.1不凝气含量对冷凝性能的影响蒸 汽 中 不 凝 气 体 积 分 数 为 0，10%，20%，30%时凹凸换热器内冷凝水体积分数分别见图 5。(a)不凝气()0 (b)不凝气()10%(c)不凝气()20%(d)不凝气()30%图5不同不凝气体积分数条件下的冷凝水体积分数的变化由图 5 可见：液膜分布受重力作用明显，冷凝液在底部聚集较多，顶部几乎没有液体。凹台部分流速较大，液膜受剪切力影响较大，液膜较薄。而凸台部分流速小，流体在经过凸台部分时会产生逆时针的涡旋，该涡旋带动一部分流体在凸台底部脱离主流区域，导致通道内的流体在凸台的流速远小于主流区域流速，流体有更长的时间被冷却，因此李中阳,等.凹凸板换热器内含不凝气的蒸汽冷凝特性研究36能源化工2023 年 8 月与凹台相比，凸台部分换热更加充分，冷凝液更容易积累。由图 5 还可见：随着不凝气体积分数逐渐增大，冷凝水体积分数逐渐变少，液膜也逐渐变薄。这是由于不凝性气体的增加会降低水蒸气的分压，进而降低冷凝的驱动力，且不凝气体会增加气膜热阻，阻碍冷凝传热过程22，使冷凝水体积分数不断降低。蒸 汽 中 不 凝 气 体 积 分 数 为 0，10%，20%，30%时凹凸换热器内冷凝水质量分数分别见图 6。图6冷凝水质量分数随不凝气体积分数的变化由图 6 可见：当不凝气体积分数为 0 时，冷凝水质量分数为 0.95%；当不凝性气体积分数增大到30%，冷凝水质量分数为 0.56%，蒸汽冷凝水量降低了 41.05%。换热器内传热量大小与水蒸气冷凝释放的潜热关系较大，冷凝水量的大小可以直接反映传热效果的强弱。随着不凝气体积分数不断增加，冷凝水质量分数不断减少，表明不凝气含量对冷凝换热有较大的影响。3.2凹凸板片参数对冷凝换热性能的影响3.2.1凹凸台高度对冷凝性能影响不同凹凸台高度对冷凝水量的影响见图 7。图7冷凝水质量分数随凹凸台高度的变化由图 7 可见：当凹凸台高度为 2 mm 时，冷凝水质量分数为 1.21%；随着凹凸台高度升高至 2.5 mm，冷凝水质量分数为 1.26%，增大了 4.13%；当凹凸台高度超过 2.5 mm 后，冷凝水质量分数随凹凸台高度的增加而减小，当凹凸台高度继续升高到4.0 mm 时，冷凝水质量分数为 0.98%，比凹凸台高度为 2.5 mm 时的冷凝水质量分数减小了 22.22%。表明随着凹凸台高度的增加，凹凸台结构会强化冷凝效果，但凹凸台高度并不是越大越好，高度过大则会导致流体回流不好，反而削弱了壁面的冷凝效果。因此选择合适的高度尺寸才有利于改变换热器中流场分布，强化壁面的冷凝效果。当凹凸台高度为 2.03.0 mm 时，综合冷凝特性最好23。3.2.2凹凸台间距对冷凝性能影响不同凹凸台间距对冷凝水量的影响见图 8。图8冷凝水质量分数随凹凸台间距的变化由图 8 可见：当换热板长度不变时，冷凝水质量分数随着凹凸台间距的增加而不断增大。当凹凸台间距为 1.3 mm 时，冷凝水质量分数为 0.94%；凹凸台间距继续增大到 1.7 mm 时，凹凸台间距的增大会使蒸汽冷凝驱动力变强，进而使得冷凝水质量分数升至 1.37%。当凹凸台间距由 1.3 mm 增大到 1.7 mm 时，冷凝水质量分数增大了 45.74%，可见凹凸台间距对冷凝水量的影响较大。这是由于当凹凸台间距较小时，虽流道截面变化会对流体的产生扰动，但起强化传热的距离太短，对冷凝效果作用较低；随着凹凸台间距的增加，起强化作用的距离就会增加，冷凝水量也随之增大。3.2.3凹凸台倾角对冷凝性能影响不同凹凸台倾角对冷凝水量的影响见图 9。图9冷凝水质量分数随凹凸台倾角的变化由图 9 可见：蒸汽在冷凝过程中，凹凸台倾角由 110提升至 130时，冷凝水质量分数不断减小。当凹凸台倾角为 110时，冷凝水质量分数为 1.33%；37第 44 卷第 4 期当凹凸台倾角升高到 130，产生的冷凝水质量分数为 0.87%，减小了 34.59%。这是由于随着凹凸台倾角的增加，使得凸台封闭区域减小，抑制了漩涡强度，流体更加快速地流入凸台内，导致流体在凸台滞留时间大大减小，进而使冷凝水量不断降低。3.3.4凹凸板片参数对换热特征的影响相同工况下 14 种不同尺寸的凹凸板换热器内板面平均传热系数的变化情况见图 10。图10不同尺寸凹凸板的平均传热系数由图 10 可见：所有凹凸板的平均传热系数均高于1#竖直板，其中14#板传热系数最高，3#板最低，因此改变凹凸板片参数均会对换热器传热效率产生影响。对比分析 4#，5#，6#，11#，12#凹凸板，凹凸台高度由 2 mm 增大至 4 mm，总体呈增大趋势，增大了 8.98%。对比分析 2#，3#，4#，9#，10#凹凸板面平均传热系数，凹凸台间距由 1.3 mm 增大至1.7 mm，传热系数先减小再增大，平均传热系数的降幅为 10.71%。对比分析 6#，7#，8#，13#，14#凹凸板的传热系数，凹凸台倾角由 110增大至 130，传热系数增大了 14.59%。综上分析，为提高凹凸板的强化传热能力，应尽量降低凹凸台的间距，并增大凹凸台的高度和倾角。对比分析 13 种凹凸板的传热能力，当凹凸台间距为 1.3 mm，凹凸台高度为 4 mm，凹凸台倾角为 130时，平均传热系数最大，换热器传热效果最好。4结论通过 Fluent 数值模拟软件对不同凹凸台高度、间距和倾角的凹凸板换热器内混合气体冷凝换热过程开展研究和分析，得到以下结论。1)随着不凝气体含量增加，冷凝水质量分数下降。当不凝气体积分数由 0 增大至 30%时，蒸汽冷凝水量降低了 41.05%，但随着不凝气体积分数继续增加，冷凝水质量分数下降幅度减小。2)换热器的凹凸结构会使含不凝气的蒸汽流动发生了一定的波动，导致冷凝水量发生变化。冷凝水质量分数会随凹凸台间距增大而增大,随凹凸台倾角减小而增大，而合理的凹凸台高度有利于促进冷凝过程。3)所有凹凸结构板式换热器的平均传热系数均高于平板结构，因此凹凸台结构均能够起到强化传热的效果。降低凹凸台的间距，增大凹凸台的高度和倾角，能够提高凹凸板的强化传热能力。参考文献：1 张坤龙,陈浩,叶军,等.凹凸板式换热器的研究现状J.广州化学,2020,45(1):66-73.2 王定标,夏春杰,董永申.凹凸板换热器强化传热的数值模拟J.化工进展,2014,33(增刊1):106-112.3 郭潇潇,高磊,盖俊鹏,等.波纹板凹凸结构参数对传热性能的影响J.压力容器,2018,35(7):26-32.4 SHIRZAD M,DELAVAR M A,AJAROSTAGHI S S M,et al.Evaluation the effects of geometrical parameters on the performance of pillow plate heat exchangerJ.Chemical Engineering Research and Design,2019,150:74-83.5 王光辉,王定标,彭旭,等.凹凸板的传热流阻特性及其多目标优化J.工程热物理学报,2019,40(1):143-149.6 HUANG J,ZHANG J X,WANG L.Review of vapor condensation heat and mass transfer in the presence of 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排放问题。一种聚脲稠化剂粉末的制备装置及制备方法申请号：CN202310634872.2申请日：20230531申请人：中国石油化工股份有限公司；中国石化润滑油有限公司本发明涉及聚脲润滑脂制备装置和工艺技术领域，具体为一种聚脲稠化剂粉末的制备装置及制备方法，该设备包括喷雾反应系统、溶剂分离系统和溶剂回收系统；所述溶剂分离系统包括热风输送装置和旋风分离装置；所述溶剂回收系统设置于所述旋风分离装置的顶部；所述热风输送装置将所述喷雾反应系统制得的聚脲稠化剂吹入所述旋风分离装置，溶剂经蒸发后进入所述溶剂回收系统。本发明提供的聚脲稠化剂粉末的制备装置及方法解决了预制聚脲稠化剂粉末制备过程中搅拌困难、溶剂蒸发不彻底、皂粉结块、影响使用的问题，且所制备的预制聚脲稠化剂粉末得到的润滑脂与传统方法生产的润滑脂性能相当。