填料表面参数对LiCl溶液降膜润湿性的影响 [PDF全文]
(东南大学能源与环境学院, 南京 210096)

针对改善溶液除湿空调系统中填料表面润湿性的问题,通过CFD模拟研究了填料表面倾斜角、接触角和表面形态对LiCl-H2O降膜润湿性及临界喷淋量的影响.模拟结果表明:填料表面的倾斜角越小,溶液液膜表面波动性越小,润湿性越好; 填料表面的接触角越小,润湿性越好,达到满膜流动所需的临界喷淋量越小; 接触角从40°变化到60°时临界喷淋量的增长量最大.在小喷淋量下,波形填料表面的润湿性较平板填料表面有显著提升; 当喷淋量为0.288 m3 /(m·h)时,5 mm波高的波形填料表面的润湿率比平板表面增加超过50%; 波高增大,润湿率虽有提高,但增加量仅在5%左右.另外,由于波形表面上液膜的稳定性较差,故满足满膜流动所需的临界喷淋量要比平板表面大.

Effects of filler surface conditions on falling-film plate wettability using LiCl-H2O
Lü Yue,Yin Yonggao
(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)(Engineering Research Center for Building Energy Environment and Equipments, Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To improve the wettability of the filler surface in the liquid desiccant air conditioning system, the effects of tilt angles contact angles and surface morphologies on the filler surface on wettability and the critical amount of spray using LiCl-H2O were studied by computational fluid dynamics(CFD)simulation. The results show that the smaller the surface tilt angle, the smaller the fluctuation of the solution film surface and the better the wettability. The smaller the contact angle of the filler surface, the better the wettability the smaller the critical amount of spray required to reach the full-film flow. The critical amount of spray increases significantly when the contact angle of the filler surface changes from 40° to 60°. The wettability of the wavy filler surface is significantly improved compared with that of the flat filler surface for a small amount of spray. When the amount of spray is 0.288 m3/(m·h), the wetting ratio of the wavy filler surface with 5 mm wave height is more than 50% larger than that of the flat surface. Although the wetting ratio increases with the increase of the wave height, the growth of the wetting ratio is only about 5%. In addition, because the stability of the liquid film on the wavy surface is poor, the critical amount of spray required for the wavy surface is larger than that of the flat surface.

引言

溶液除湿系统利用盐溶液的吸湿性来降低空气湿度[1],在湿度控制和低品位热驱动冷却方面都具有独特的优势和应用前景[2-3],其中热质交换面积是影响该系统效率的重要因素[4-6].目前,需要较大的喷淋量来确保具有充分的气液相界面.但是,喷淋量过大会引起一系列问题,如液滴夹带,盐溶液飘至室内不仅会腐蚀物体的表面,还会降低空气品质.另外喷淋量过大还会使设备的体积和泵功耗增加,从而导致系统效率降低.因此,在确保满膜流动的同时,喷淋量必须尽可能小.Zhang等[7]研究了使用陶瓷规整波纹填料时不同溶液流速下的传质系数.结果表明,总传质系数随着溶液流量的增加而增加,因为流量的增加提高了润湿性.同时文献[7]指出溶液流量应取合理值,但没有指出合理值的范围.

随着计算机技术的发展,计算流体动力学(CFD)成为一些测量困难且昂贵的多相流实验的有效替代方法.Lan等[8]模拟了液相流速和液相表面张力对重力驱动液膜在倾斜面上膜宽的影响,并指出,液相的表面张力越大,液膜宽度越窄.谭丽媛等[9]通过模拟几种不同的工作流体(乙醇、丙酮、乙二醇等)的降膜流动,研究了液体特性(如黏度和表面张力)对结构化填料表面润湿性的影响. 谷芳[10]使用水作为工质,通过CFD模拟研究了不同表面条件下的润湿性,同时指出,减小固液接触角可以增加液膜宽度,且壁面的倾斜度对液膜的厚度有一定的影响. 谭丽媛等[11] 通过模拟不同结构的填料对润湿性的影响发现,与光滑表面相比流体在波纹表面上的分散性更强. Iso等[12]通过CFD模拟获得了相同的结果,并通过实验进行验证[13].从这些研究中可以得出,影响降膜润湿性的因素主要有液相参数和降膜表面参数.降膜表面参数主要有固液接触角、表面倾斜角和表面形态.但是,这些研究中采用不同工质与溶液除湿系统且同样没有指出喷淋量的合理范围.

本文基于LiCl溶液性质对润湿性影响的研究结果[14],通过CFD研究了填料表面条件对润湿性及临界喷淋量的影响.分别模拟了不同表面倾斜角、表面形态和接触角下喷淋量与润湿性之间的关系.分析了最佳的填料表面条件,为优化溶液除湿空调系统提供理论支持.

1 计算模型1.1 物理模型

本文主要通过数值模拟研究了LiCl溶液在不同填料表面接触角、填料表面倾斜角和表面形态下润湿性能及临界喷淋量的变化.表面接触角和表面倾斜角的模拟研究对象为平面填料表面,其物理结构如图1所示.对于表面形态本文主要研究了不同波高的波形填料表面与平板填料表面润湿性的变化规律,波形填料表面的物理模型如图2所示.图中,H为波形表面的波高,本文主要研究了5、7和9 mm三种不同波高的波形表面.除了表面形态不同外波形填料表面与平面填料表面的其他物理结构参数均相同.将一个50 mm×60 mm×7 mm的平面放置与水平方向成α角.溶液入口在模型的顶部,根据Nusselt膜厚度理论[12]估算得到入口宽度为0.4 mm,顶部入口如图2所示.物理模型中各个面的边界条件如表1所示.

图1 平板填料表面的物理结构(单位:mm)

图1 平板填料表面的物理结构(单位:mm)

图2 波形填料表面的物理结构(单位:mm)

图2 波形填料表面的物理结构(单位:mm)

表1 边界条件设置

表1 边界条件设置

1.2 数学模型及相关参数

本文采用流体体积法(VOF)模拟气液两相流动[15]. 与Lattice Boltzmann方法[16]和边界积分方法[17]等其他界面捕捉方法相比,VOF方法具有更好的质量守恒性和收敛性.VOF方法的控制方程为

αLG=1(1)

式中,αL为液相的体积分数; αG为气相的体积分数.VOF方法通过监视单元格中的αL和αG来捕捉相界面.体积分数函数描述为

(∂αG)/(∂t)+v·=0(2)

动量方程为

(∂(ρv))/(∂t)+▽(ρvv)=-p+

[μ(v+vτ)]+ρg+Fvol(3)

连续性方程为

(∂ρ)/(∂t)+(ρv)=0(4)

式中,v为流体的速度; t为时间; g为重力加速度; τ为时间常数; Fvol为体积力; 密度ρ和黏度μ是随流场而变化的混合参数,表示为

ρ=αLρLGρG(5)

μ=αLμLGρG(6)

表面张力采用文献[18-19]提出的连续表面力(CSF)方法来模拟计算.该方法将表面张力认为是目标流体在相界面网格中的体积力Fvol.体积力定义为

Fvol=∑i<jσijjρjκj▽αjiρiκi▽αi)/(1/2(ρij))(7)

式中,i和j为网格中的2个节点; σ为液相的表面张力; κ为相界面的曲率.填料表面的润湿性主要由润湿率WR来表示,即

WR=(Aw)/(Ab)(8)

式中,Aw为液膜在z=0平面上的投影面积; Ab为平板填料表面在z=0平面上的投影面积.

喷淋量S为

S=(QL)/w×3 600(9)

式中,QL为液相体积流量; w为液相入口宽度(即填料表面宽度).

文献[14]对本模拟中的数学模型验证表明,该模型能够准确模拟填料表面的溶液流动.

2 网格独立性验证

在进行数值模拟前,将图1图2的物理模型进行网格划分.为了保证模型的准确性,需要对划分好的网格进行网格独立性分析.本文采用前期研究[14]中平板填料表面的物理模型及网格划分,网格数为16 800.网格采用结构化网格,由于本文重点分析沿填料表面降膜流动的液膜分布,因此对接近填料表面处的网格进行了加密化处理.本文分别对3种不同波高H的物理模型进行了不同密度的划分,网格数如表2所示.

表2 3种波高不同网格种类的网格数

表2 3种波高不同网格种类的网格数

分别对不同网格数的网格进行模拟计算,入口处水以0.5 m/s的速度沿波形表面向下流动.倾斜角α取60°.图3为波高H=5 mm时3种不同网格模拟所得的润湿率随时间的变化.可以看到,网格数为219 240和411 264的网格模拟结果基本一致.为了保证在计算准确的基础上尽量减少计算量,本文选取网格数为219 240作为波高H=5 mm的网格.同样,经过对波高H=7,9 mm的网格进行网格独立性验证,最终确定波高H=7 mm取网格数为263 088,H=9 mm取网格数为306 936.

图3 波高5 mm网格独立性分析结果

图3 波高5 mm网格独立性分析结果

3 模拟结果及分析3.1 填料表面倾斜角对润湿性的影响

本节主要分别讨论平面填料表面倾斜角对溶液除湿/再生过程中润湿性的影响.除湿/再生的LiCl溶液工况选择最不利工况.最不利工况指溶液的浓度和温度在实际运行工况范围内变化时,润湿性能最差时对应的溶液工况.根据文献 [14] 的研究,除湿过程的最不利工况是溶液的质量分数为35%和溶液温度为20 ℃,再生过程的最不利工况是溶液的质量分数为30%和溶液温度为60 ℃.最不利工况下溶液对应的密度、表面张力和黏度通过由Conde[20]提出的拟合公式计算得到.其中溶液的物性参数是通过对水的物性参数修正得到,文献[20]中水的物性参数拟合式使用条件为温度小于0 ℃,对于温度大于0 ℃的溶液需要替换其中水的物性参数重新拟合[20].因此本文采用由王双成[21]提出的拟合公式计算水的物性参数.除湿/再生的最不利工况的溶液物性参数如表3所示.填料表面接触角取60°,分别模拟除湿/再生过程中平面填料表面倾斜角为30°、45 °、60°、90°时溶液沿填料表面流动时的润湿情况,结果见图4.定义溶液刚到达满膜流动(WR=1)时的最小喷淋量为临界喷淋量.表4列出了除湿/再生过程中不同填料倾斜角对应的临界喷淋量.

表3 最不利工况下的溶液物性参数

表3 最不利工况下的溶液物性参数

图4 填料表面倾斜角对润湿比的影响

图4 填料表面倾斜角对润湿比的影响

表4 不同倾斜角对应的临界喷淋量

表4 不同倾斜角对应的临界喷淋量

由模拟结果得到,在喷淋量相同时,倾斜角越大,润湿率越小.倾斜角越大,保证满膜流动的临界喷淋量就越大.另外,倾斜角对除湿过程的影响比再生过程要大.

为了进一步研究液膜在填料表面上的分布形态,取达到满膜流动时x方向中截面(x=0.025 m)和y方向中截面(y=0.03 m)的液膜形态进行分析,结果如图5所示.

通过对不同倾斜角满膜流动时的液膜形态分析发现,倾斜角越大,液膜波动性越强,稳定性越差.由于大倾斜角下液膜的不稳定性使得完整液膜不易形成,润湿性变差.因此从润湿性的角度考虑,填料表面的倾斜角越小越好.

图5 除湿过程满膜流动时所取截面的液膜形态

图5 除湿过程满膜流动时所取截面的液膜形态

3.2 填料表面接触角对润湿性的影响

在溶液除湿系统中为了使填料具有更好的润湿性,一般选用亲水性表面的填料,因此本文比较了LiCl溶液与平板填料表面接触角为20°、40°、60°、80°时的润湿情况.图6为溶液除湿/再生过程中不同接触角下润湿率随喷淋量的变化情况.表5列出了除湿/再生过程中不同接触角对应的临界喷淋量.

图6 接触角对润湿性的影响

图6 接触角对润湿性的影响

表5 不同接触角对应的临界喷淋量

表5 不同接触角对应的临界喷淋量

接触角/(°)临界喷淋量/(m3·(m·h)-1)除湿过程 再生过程20 0.130 0.26640 0.353 0.41060 0.619 0.66280 0.828 0.835

图6中可以看出,除湿过程和再生过程中接触角对润湿性的影响趋势相同.即喷淋量相同时,接触角越大,润湿性能越差.接触角不变时,随着喷淋量的增加,润湿率的增长率增大.但整体来说除湿过程在不同接触角下的润湿性要优于再生过程,尤其是在接触角为20°时.由文献[14]的研究可知,不同温度下溶液在填料上的润湿性是由该温度下溶液的黏度和表面张力综合作用决定的.溶液温度越低和溶液黏度越大,润湿性越好; 溶液温度越低,表面张力越大,润湿性越差.综合作用下,溶液的黏度对润湿性起主导作用,体现出除湿过程的润湿性优于再生过程.接触角的变化主要优化了溶液表面张力的作用,因此接触角越小时表面张力在除湿中对润湿性的不利影响被优化,此时黏性较大的溶液表现出更好的润湿性.另外,从表5中可以看出,接触角越大,保证满膜流动所需的临界喷淋量就越大.通过计算可知,接触角从40°变化到60°时临界喷淋量的增长量最大.考虑高亲水材料表面的处理难度,为使临界喷淋量尽可能小,处理填料表面的接触角应小于40°为较好.

为了对模拟结果进行验证,本文利用红外热像仪实验测量了降膜板上LiCl溶液降膜时的润湿情况.由于溶液与降膜板之间存在温差,利用红外热像仪可以通过温度的变化来捕捉液膜的分布,从而与模拟结果相印证.实验分别测量了纱布表面、光滑表面上的热成像随溶液喷淋量的变化情况.纱布表面代表小接触角表面,光滑表面代表大接触角表面.降膜板面的倾斜角为90°,溶液质量分数为35%,图7为再生情况下测量结果.由图可以看出,壁面接触角对润湿性的影响很大,相同情况下溶液流量为0.18 m3/(m·h)时,纱布表面已经几乎为满膜流动,而光滑表面仍为溪流流动且润湿面积不大.

3.3 填料表面形态对润湿性的影响

为了研究填料的表面形态,本文主要模拟了不同波高的平坦和波浪形表面的润湿性.倾斜角取60°,接触角取60°. 图8显示了当喷淋量为0.288 m3 /(m·h)时不同表面形态的润湿性.其中, H=0表示平板填料表面.

图7 再生过程中不同壁面条件下的溶液降膜热成像

图7 再生过程中不同壁面条件下的溶液降膜热成像

图8 壁面形态对润湿率的影响

图8 壁面形态对润湿率的影响

从图中可以看出,小喷淋量条件下(未到达满膜流动的喷淋量条件),波面比平面有显著的润湿优势, 5 mm波高的填料表面比平面在除湿过程中润湿面积增长了55.8%,再生过程中增长了60%,继续增加波高,润湿面积虽有增大,但增大量仅在5%左右.

图9是在除湿/再生工况下,5 mm波高的填料表面与平面填料表面在不同喷淋量下的润湿情况对比.可以看出,波状壁面在小喷淋量条件下较平面有较大的润湿优势.随喷淋量的增大,波状表面润湿量增大缓慢.对于到达满膜流动来说,波性表面反而不利于满膜的形成.这是由于表面张力的作用,表面张力会使液膜在流动过程中向中心汇聚并维持液膜稳定.波状表面会分散表面张力的方向从而削弱表面张力的作用.在喷淋量较小时,这种削弱会阻止液膜向中心汇聚形成稳定溪流从而增大

图9 平板填料表面与波形填料表面的润湿率对比

图9 平板填料表面与波形填料表面的润湿率对比

润湿面积.但在喷淋量较大时,由于表面张力的削弱,波状填料表面的液膜稳定性较差,溶液破碎形成干斑,因此不容易达到满膜流动.综合以上,若希望在较小的喷淋量条件下有较大的润湿面积,应选择波形填料表面.若需要满膜流动,则平面填料表面所需的最小喷淋量较小.实际过程中还需要根据需求选择合适形态的填料.

4 结论

1)倾斜角越小,润湿性能越好,保证满膜流动所需的临界喷淋量越小.因此实际运行中填料表面的倾斜角越小越好.

2)接触角越小,润湿性能越好,保证满膜流动所需的临界喷淋量越小.另外,当接触角从40°变化到60°时临界喷淋量的增长量最大.因此处理填料表面其接触角应小于40°为好.

3)在喷淋量较小时,波形填料表面较平面具有更大的润湿性优势.但保证满膜流动时波形填料表面所需的临界喷淋量比平面大.因此若希望在较小的喷淋量条件下有较大的润湿面积,则填料表面选择波状比较好.若需要满膜流动,则平面填料表面所需的最小喷淋量较小.实际过程中还应按照需求选择合适形态的填料表面.

参考文献