板式蒸发式冷凝器传热传质的数值模拟

第39卷第1期核科学与工程Vol.39 No.1 2019年2月Nuclear Science and Engineering Feb.2019大尺寸平板上降膜蒸发传热的数值模拟杨小杰，胡 珀（上海交通大学，上海200240）摘要：第三代先进压水堆中非能动安全壳冷却系统对于保护核电站安全具有关键作用，因此进行降膜换热机理研究具有重要意义。

前人对于降膜蒸发的试验研究很多，但鲜见平板降膜蒸发的数值模拟。

现有模拟方案由于计算量的限制，局限于二维模型或小尺寸的三维模型，且只分析了蒸发过程中的温度变化等。

提出采用CFD软件Fluent中的Eulerian wall film模型与Mixture Species Transport 模型耦合的方案对水膜试验台架全尺寸三维模型（板长：5 m，板宽：1.2 m）下的降膜蒸发和传热传质现象进行了数值模拟，通过对比试验与模拟结果，确定了EWF模型中蒸发常数的正确设置，且蒸发率、换热量以及舍伍德数吻合较好，最大偏差小于20%，验证了建立的数值模拟方案的正确性。

在此基础上，进一步数值分析了水膜蒸发换热的影响因素，其中：入口水流量、入口风温、入口水温和平板倾角对总换热量影响很小，可以忽略；入口风速是影响总换热的重要因素，入口风速越大，总换热量越大。

以上结论均是在保证水膜全覆盖板面的条件下得到的。

为接下来的PCCS 全尺寸模型的计算提供了理论依据。

关键字：大尺寸平板；EWF模型；降膜蒸发中图分类号：TL48 文献标志码：A 文章编号：0258-0918（2019）01-0051-10Numerical Simulation of Water Film EvaporationHeat Transfer in Large Flat PlateYANG Xiaojie，HU Po（Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240，China）Abstract：The passive containment cooling system in the third-generation advanced pressurized water reactor has a key role in protecting the safety of nuclear power plants，thus，it is of great significance to study the hydrothermal mechanism of water film. There are many experimental studies on the evaporation of falling film，but the numerical simulation of the evaporation of the falling film is rare. The existing simulation scheme is limited to a two-dimensional model or a small size 3d model due to the limitation of calculation，and only the temperature changes in the evaporation process are analyzed. A numerical simulation of ______________________收稿日期：2017-12-19作者简介：杨小杰（1993—），男，江苏泰州人，硕士，现从事热工水力相关工作51water film evaporation and heat transfer in the full-size water film test bench 3d model was carried out by using the method of Eulerian wall film model and the coupling of the model of the Species Transport model in Fluent，by comparing test results and simulation results，evaporation rate，heat change and Sherwood number anastomoses well，the maximum deviation is less than 20%，verifying the mathematical model and the simulation scheme. On this basis，further simulation calculated the process of the evaporation process of the water film to obtain the influence of each factor on heat exchange. The inlet water flow、inlet water temperature and the gentle plate angle，the inlet air temperature have little influence on the heat exchange，which can be ignored；Inlet speed is an important factor affecting heat exchange，the greater the inlet wind speed，the greater the total heat exchange. All the above conclusions are obtained under the condition that the water film is covered with panes. The theoretical basis is provided for the calculation of the full-size model of PCCS.Key words：Large flat plate；EWF model；Liquid film evaporation1背景在第三代压水堆核电站AP1000所采用的非能动安全技术中，安全壳的外部水膜冷却技术是其中关键的一项，在设计基准事故发生后，由安全壳顶部的水箱所提供的水，将靠其自身重力驱动流出，然后通过多层围堰对流量进行均匀分布，在安全壳上形成流动水膜，这一水膜在表面空气自然对流的条件下，通过水膜对流换热、水膜蒸发换热以及安全壳自身的热辐射对安全壳进行冷却，形成安全壳在事故状态下的最终热阱，以保证安全壳内的温度和压力都在设计限值以下，从而确保安全壳的完整性，防止放射性物质的泄漏。

板式换热器强化传热数值模拟研究板式换热器广泛应用于石化、化工、制药、冶金等工业领域中，其传热性能对工艺的稳定性和效率具有重要影响。

为了进一步提高板式换热器的传热性能，强化传热数值模拟研究成为一项重要的探索。

板式换热器的传热机理较为复杂，其主要包括对流传热、传热表面的径向传导和热边界层的影响等。

在强化传热数值模拟研究中，通常采用计算流体力学（CFD）方法，通过数值模拟来解析传热过程中的流动和传热规律，从而优化传热效果。

首先，强化传热数值模拟研究需要建立准确的物理模型。

物理模型包括换热器结构、流体流动方程、传热方程和边界条件等。

通过对换热器的结构参数进行准确建模，并利用流体流动方程和传热方程描述流体在换热器内部的运动和传热过程，为模拟过程提供准确的边界条件。

其次，强化传热数值模拟研究需要选择合适的数值方法。

数值方法包括离散化方法和求解方法。

离散化方法将连续的流体和传热方程转化为离散的代数方程，常用的方法有有限差分法、有限元法和有限体积法等。

求解方法是解离散方程组的方法，常用的是迭代法和直接法。

选择合适的数值方法可以提高计算的准确性和计算效率。

然后，强化传热数值模拟研究需要考虑流体的物性参数。

流体的物性参数包括密度、动力粘度、导热系数和比热容等。

这些参数的准确性对模拟结果的精度和可靠性有重要影响。

因此，在数值模拟过程中，需要采用合适的流体物性参数，并对参数的变化情况进行敏感性分析，以确保模拟结果的可靠性。

最后，强化传热数值模拟研究需要进行模拟结果的验证和优化。

通过与实验数据的对比，可以验证数值模拟的准确性和可靠性，从而进一步优化数值模拟方法和参数设置。

同时，可以通过数值模拟来分析换热器不同工况下的传热特性，优化换热器的结构参数和操作参数，以提高传热性能和工艺效率。

综上所述，板式换热器强化传热数值模拟研究是一项重要的工作。

通过建立准确的物理模型，选择合适的数值方法，考虑流体的物性参数，并进行模拟结果的验证和优化，可以为提高板式换热器的传热性能提供理论支持。

传热传质的数值模拟与应用传热传质是物理学中一个重要的研究领域，也是工程学科中不可缺少的一部分。

传热传质的过程可以描述为物质内部的能量和物质信息传递的过程。

在工业生产及科学研究中，常常需要对这些过程进行定量分析和控制，因此，数值模拟成为了一种重要的研究手段。

一、传热传质的基本方程传热传质按照研究范围可以分为多种，比如传热传质的基本方程可表示为：$\frac{\partial(\rho u_i)}{\partial t}+\frac{\partial(\rhou_iu_j)}{\partial x_j}=-\frac{\partial p}{\partialx_i}+\frac{\partial}{\partial x_j}\left[\mu\left(\frac{\partialu_i}{\partial x_j}+\frac{\partial u_j}{\partial x_i}-\frac{2}{3}\delta_{ij}\frac{\partial u_k}{\partialx_k}\right)\right]+\rho g_i$其中，$\rho$为密度，$u_i$为速度分量，$p$为压力，$\mu$为黏性系数，$g_i$为重力加速度，$\delta_{ij}$为克罗内克符号。

二、数值模拟方法可以使用有限体积法等数值方法对传热传质过程进行数值模拟，其中有限体积法的基本思想是将流体域离散成有限个网格，然后对控制方程进行离散，将控制方程转化为代数方程组进行求解。

网格的划分方法有结构化、非结构化和混合网格三种。

结构化网格在计算机中的实现较为方便，适合于一些简单的流动场，但在复杂流动的计算中难以应用；非结构化网格适用范围更广，但是在计算机实现中耗费时间比较长，计算需要的内存比较大；混合网格结构和非结构化网格的优点结合起来，适用范围较广。

三、工程应用传热传质的数值模拟在工程应用中有着广泛的应用。

比如在发动机、船舶、飞机等交通工具等机械设备中的燃料燃烧过程就需要进行传热传质过程的数值模拟；在流体力学中，需要对流动场和传热传质过程进行综合研究；在化学反应中，也需要对传热传质过程进行数值模拟，以便控制反应过程和提高反应效率。

板式蒸发式冷凝器的传热实验研究及其在空调中的应用的
开题报告
1.研究背景
空调是现代家庭及商业建筑中必不可少的设备之一，但是传统的空调系统往往存在耗能高、环境污染及维护复杂等问题。

因此，需要对空调系统进行改进和优化。

板式蒸发式冷凝器是一种新型的传热器件，在空调系统中具有广泛的应用前景。

2.研究目的
本研究旨在通过实验研究板式蒸发式冷凝器的传热性能，探索其在空调系统中的优化应用。

3.研究内容及方法
本研究将利用实验室内搭建的板式蒸发式冷凝器传热实验设备，对板式蒸发式冷凝器的传热性能进行研究。

具体实验内容包括：
（1）测量板式蒸发式冷凝器的传热效率和热阻；
（2）分析不同工况下板式蒸发式冷凝器的传热性能变化；
（3）对比板式蒸发式冷凝器与传统冷凝器在空调系统中的能效表现。

4.研究意义
本研究可以为空调系统的优化提供理论基础和实验依据，为更好地实现能源节约和环保提供支持。

同时，研究结果还可以为板式蒸发式冷凝器在工业领域的应用提供参考。

5.研究计划
本研究计划分为三个阶段进行：
（1）实验设备的搭建和测试程序的制定；
（2）实验数据的采集和分析，分析板式蒸发式冷凝器的传热性能和能效表现；
（3）研究结果的总结和分析，撰写论文并完成毕业设计。

板式蒸发式冷凝器CFD模拟与实验研究张景卫 朱冬生 吴治将 李元希 蒋翔（华南理工大学化工与能源学院传热强化与过程节能教育部重点实验室，广州 510640）摘 要：通过运用FLUENT软件对板式蒸发式冷凝器板束中气液两相逆流、并流两种操作进行模拟，直观地表征了板束中喷淋水流量、风速及风向对水膜流动的影响，并在此基础上对板式蒸发式冷凝器的三种操作─-逆流、并流、错流进行了传热实验研究，模拟及实验研究的结果显示：空气与水并流比逆流、错流更有利于利用液体薄膜强化传热传质的特性。

关键词：冷凝器 CFD模拟 强化传热 波纹板 板束THE CFD SIMULATION AND EXPERIMENTAL STUDY OF THEPLATE-TYPE EV APORATIVE CONDENSERZhang Jingwei Zhu Dongsheng Wu Zhijiang Li Yuanxi Jiang Xiang(The Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation of the Ministry of Education, School of Chemical and Energy Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640,Guangdong,China)Abstract：This paper presents a simulation of two operations—upwind, downwind with two-phase flowing in the plate bundles of the plate-type evaporative condenser, by means of the FLUENT software, which provide a direct illustration of the influence of the water film flowing on spray water flow、wind velocity、wind direction in the plate bundles. An experimental study of the heat transfer of three operations—downwind、upwind and crosswind operation in the plate-type evaporative condenser is pressed on the base of which. The result of simulation and experimental study demonstrates the advantages of downwind operation over upwind operation and crosswind operation in making use of enhanced heat transfer and mass transfer of fluid film.Keywords：Condenser CFD simulation Heat transfer enhancement corrugated plates plate bundle0 前言利用液膜进行传热传质已经成为动力、化工、制冷、轻工、食品等工业中最重要的单元操作之一。

传热传质的数值模拟传热传质是热力学中的一个重要问题，而传热传质的数值模拟就是通过计算机模拟来模拟热力学过程中物质和能量的传递过程，是一种非常重要的研究方法。

传热传质的数值模拟可以应用于许多领域，如工业制造，空气动力学，太阳能应用等等。

而在现代工业制造中，传热传质的数值模拟则被广泛应用于模拟制造加热、冷却、干燥过程中的温度均匀性、产量、质量等因素。

在进行传热传质的数值模拟前，需要先建立起传热传质的数学模型，常见的数值模拟方法有有限元法、有限差分法、网格法等。

有限元法是一种数值分析方法，将模型划分为多个小区域，在每个小区域内建立一个方程组，之后将所有方程组组合起来，形成总的方程组，求解总的方程组即可得到所求解的物理问题的结果。

而有限差分法则是将所求解的问题离散化，通过进行差分运算来逼近微分或积分，以求解问题。

而网格法则是将模型划分为有限数量的部分，然后对每个部分进行计算，最终将所有部分的结果组合成一个完整模型。

这三种方法各有优缺点，根据不同的实际情况可以选择不同的数值模拟方法。

传热传质的数值模拟结果的准确性往往受到许多因素的影响，如物理模型的准确性、计算机模拟的分辨率、计算模型运算的精度等等。

因此在进行传热传质数值模拟时，需要保证模型参数调整的准确性和稳定性，以及计算过程中的细节精度。

同时需要注意的是，在使用传热传质数值模拟之前，需要进行许多前期的工作，比如数值模型的搭建、模型验证、数据处理等。

这些工作同样需要耗费大量人力、物力和时间，因此传热传质数值模拟需要充分的规划和准备，以免出现漏洞或失误。

总之，传热传质的数值模拟是一种重要的计算机模拟手段，通过将传热传质过程中的物理行为抽象成数学模型，可以模拟出各种物质和能量的传递行为，实现优化工艺参数、提高生产效率、减少能量浪费等目标。

然而，传热传质的数值模拟需要进行充分的规划和准备，以免出现漏洞或失误，并且需要针对实际情况选择不同的数值模拟方法，以达到最佳的技术效果。

自然循环蒸发器内流动和传热的数值模拟研究
自然循环蒸发器是一种常用于工业蒸发过程中的传热设备，其内部流动和传热的研究对于提高蒸发效果具有重要意义。

为了进行该研究，可以采用数值模拟的方法进行分析和预测。

首先，需要建立蒸发器的数学模型。

该模型应包括蒸发器内部流场和传热过程的方程，如动量方程、能量方程等。

同时，还需考虑物理特性参数，如流体的密度、粘度、热导率等。

根据蒸发器的具体结构和工况，可以采用不同的模型和假设，如二维或三维模型，定常或非定常模型等。

其次，需要选择适当的数值方法进行求解。

常用的数值方法包括有限差分法、有限体积法和有限元法等。

这些方法可以将蒸发器内部的连续方程转化为离散的代数方程，并通过迭代求解来得到流场和温度场的数值解。

在模拟过程中，还需要考虑边界条件和初始条件的设定。

边界条件包括流体的进出口条件和壁面的热边界条件，初始条件则可以根据实际情况来设置。

最后，通过数值模拟可以得到蒸发器内部的流动和传热分布情况。

通过分析结果，可以评估蒸发器的性能并优化设计。

同时，还可以预测蒸发器在不同工况下的工作特性，为实际应用提供参考。

总之，数值模拟是研究自然循环蒸发器内流动和传热的一种有效手段。

通过建立数学模型、选择数值方法、设定边界条件和
初始条件，可以对蒸发器的工作性能进行预测和分析，提高蒸发效果，并为蒸发器的优化设计提供指导。

板式蒸发空气冷却器传热传质模型分析摘 要： 根据热力学和传热学理论，建立了板式间接蒸发式空冷器传递过程的微分方程组。

引入空气湿球比热wb c 和对流换热系数wb α，推导得到了基于空气湿球温度的数学传递模型。

应用四阶-龙格库塔法求解了高炉循环水用板式蒸发冷却器基于湿球温度的传递模型，得到了热流体、喷淋水、空气干湿球温度的变化规律和各流体的换热强度情况。

该分析模型为进一步分析蒸发式空冷器的热工性能和优化设计提供了理论依据。

关键词：传热传质；板式蒸发空冷器；传递模型；湿球温度蒸发式空冷器利用自然环境中空气的干湿球温差取得冷量来冷却热流体，由于它比空气冷却换热效果好，比水冷节水等显著优点，因此在石油、化工、冶金、电力等领域中有着广泛的应用。

蒸发式空冷器冷却侧空气与喷淋水之间传热和传质过程同时进行，相互耦合，传递机理相当复杂。

目前针对管式和翅片管式蒸发空冷器的研究成果较多[1-3]，然而这些成果大多是基于Merkel 理论，空气和喷淋水的热湿交换以焓差为推动力建立数学模型。

本文建立了基于湿球温度的板式蒸发式空冷器的数学模型，并用四阶-龙格库塔法对一个实例进行数值求解，分析了各流体的温度变化和换热规律。

1传递过程的基本方程组本文以板式蒸发空冷器为研究对象，热流体与空气逆流，喷淋水与空气并流，流体组合如图1所示。

对蒸发式空冷器的传热传质和流动过程做如下假设：1. 空冷器内传热传质和流动过程处于稳态，忽略外壳的散热损失。

2. 各流体热物性参数为常数。

流体的状态参数仅沿流动方向变化。

3. 喷淋水膜均匀分布，忽略水膜波动和水膜厚度对传递和流动的影响，忽略水膜的蒸发损失；水膜在传热壁面上完全润湿。

4. 忽略空气中离散水珠对传热传质的影响。

5. 湿空气的传热传质过程符合刘易斯关系式，即1Le hwpamw =⋅=ααc ，mw α为喷淋水与空气的传质系数，kg ·m -2·s -1；hw α为喷淋水与空图1 逆流板式蒸发空冷器示意图y xzHLBo空气喷淋水shui热流体喷淋水 空气aa a x ,t ,m ww t ,m 水膜壁面dz气的传热系数，W ·m -2·K -1；pa c 为空气比热容，J ·kg -1·℃-1。

郑州大学硕士学位论文第5页1.3.2填料蒸发式冷凝器填料蒸发式冷凝器，以巴尔第摩生产的C X V蒸发式冷凝器为代表，其结构如图1.2所示所示，它将冷凝器和凉水塔合二为一，但在冷凝盘管下部仍然保留一段有填料P V C的热交换层，以降低循环水温。

冷凝器内的空气流在填料热交换层部分主要采用错流形式，在盘管部分则是水流和空气流平行同方向流入，再错流流出。

填料蒸发式冷凝器主要特点表现在以下几个方面:(l)水流与空气流平行进行:水和空气在冷凝盘管表面以相同的方向朝下流动，飘落的水流由于风压的作用，使水膜在光滑的冷凝盘管上被空气流所包裹，循环水最大限度的与冷凝盘管接触，如图 1.3所示，保证水膜完全充分的覆盖管壁，不至于很快剥落，由此消除了由于“干点”而引起的结垢。

(2)盘管表面水流量的增加:填料蒸发式冷凝器独特的结构设计，在水泵功率不增加的情况下，其单位面积盘管上的水流速率是传统蒸发式冷凝器的2倍多，这保证了水流对盘管换热表面的不断冲刷，从而延缓了冷凝盘管的结垢趋势。

(3)蒸发冷却过程主要是发生在热交换填料层上:填料蒸发式冷凝器采用一次和二次传热面相结合的复合流动技术，其主要换热面蛇形冷凝盘管，是蒸发式冷凝器最为重要的部件。

由于在冷凝盘管表面进行的换热主要是显热换热方式，而不是通常的潜热换热方式，进而减少了垢层形成的机会。

二次换热技术发生在填料热交换层上，填料具有很好的耐腐蚀性，热交换水蒸发效率超过80%，进而充分移走一次换热过程中的热量，同时可以大大降低冷却水温，通常冷却水温比传统设计的蒸发式冷凝器要低6℃~8℃，进而提高盘管的单位面积换热量，大大减少结垢的可能性[4]。

(4)C X V型蒸发式冷凝器单侧进风，单侧出风。

旧式蒸发式冷凝器均为四面进风形式，多台冷凝器并联时，台与台之间的间距比C X V型蒸发式冷凝器大，占地面积大:而且在刮大风的时候，旧式的蒸发式冷凝器在四个方向都容易出现过堂风的现象，减少了冷凝盘管表面的有效风量，换热效率随之降低。

基于湿球温度的板式蒸发式空冷器模型及数值求解摘要：根据热力学和传热学理论，建立了板式间接蒸发式空冷器传递过程的基本微分方程组。

引入两个基于湿球温度差的比热和对流换热系数后，推导得到了以空气湿球温度为推动势的等价微分方程组。

应用四阶-龙格库塔法求解并分析了一个实例空冷器内各流体的温度分布和热工性能。

该分析模型为进一步分析蒸发式空冷器的热工性能和设计方法提供了理论依据。

关键词：板式蒸发式空冷器湿球温度分析模型数值求解一引言蒸发式空冷器利用自然环境中空气的干湿球温差取得冷量来冷却高温流体，其在制冷、化工、冶金电站等领域中有广泛的应用，蒸发式空冷器热工性能的好坏直接影响到系统运行的效果。

板式间接蒸发式空冷器(如图1所示)是蒸发式空冷器的一种典型形式。

蒸发式空冷器具有耗水量少、能耗低等优点。

板式间接蒸发式空冷器冷却侧由于传热和传质过程同时进行，相互耦合，质量的传递促使热量的迁移；同时热传递有强化液膜表面的蒸发，因此其传输机理相当复杂。

国内外学者对间接蒸发式空冷器进行了大量的研究工作。

从现有的文献看，间接蒸发式空冷器热质交换的基本理论主要是以Merkel方程为基础，空气和喷淋水的总热交换是以焓差为推动力。

Maclaine-cross和Banks [1] 假设空气焓与湿球温度呈线性关系，并且忽略水的热容量以及水膜静止，从而建立相应的间接蒸发冷却线性分析模型。

Chen等 [2] 提出整个换热器内水膜表面温度恒定并等于其平均值的近似假设，虽然模型精度降低，但便于分析计算。

应用焓差作为推动力的热湿交换分析方法， Webb等 [3] [4] 则给出了冷却塔，蒸发式冷却器和蒸发式冷凝器三种蒸发冷却式换热器的热工计算方法。

然而由于空气侧同时进行着传热和传质过程，以及湿空气饱和蒸汽压和温度之间的非线性关系使间接蒸发式空冷器热工性能分析更加复杂。

以温差为推动势的空气-空气换热器的热工性能分析和设计方法都不能直接应用于间接蒸发空冷器。

蒸发式冷凝器的传热传质分析作者：张子沫李轶男孙文禹来源：《科学导报·科学工程与电力》2019年第01期【摘要】本文首先介绍了蒸发式冷凝器相比其他类型具有更加节水节能，体积小等优点而被广泛应用。

分析了蒸发式冷凝器的传热传质过程，把整个传热过程分成两个阶段，并分析了蒸发式冷凝器中空气的状态参数变化过程和各阶段的推动力以及热阻；最后通过对换热过程关系式进行分析，给出了影响蒸发式冷凝器换热强弱的主要因素。

【关键词】蒸发式冷凝器；传热传质；强化传热1引言在制冷和空调等行业中，冷凝器是其中主要的热交换设备，它发挥着非常重要的作用。

在我国，冷却水占工业用水的70%以上。

直接排放冷却水不仅会造成热污染，还会造成更大的经济和资源浪费，因此有必要重用这些冷却水循环来缓解目前的缺水状况[1]。

探索研究新的技术来解决资源浪费问题已经迫在眉睫。

面对当今的能源消耗问题，我们必须对蒸发式冷凝器进行更加深入的研究，将节水节能的目标做到最大化，这对我国能源的保护和利用以及人类社会的发展具有重要意义，而实现节能减排目标具有非常重要的推动作用。

2蒸发冷却式冷凝器与空气冷却式冷凝器和水冷却式冷凝器相比，蒸发冷却式冷凝器结构相对复杂，组成部件较多，主要由冷凝换热盘管、风机等部件组成。

压缩机排出的过热高压制冷剂气体经过蒸发式冷凝器中的冷凝盘管，使高温气态的制冷剂与盘管外的喷淋水和空气进行热交换，配套风机的超强风力使喷淋水完全均匀地覆盖在盘管表面，水借风势，极大的提高了换热效果[1]。

蒸发冷却式冷凝器可根据送风方式分为吸风式和鼓风式两种型式，又可根据换热元件型式分为板式蒸发式冷凝器和管式蒸发式冷凝器[2]。

在蒸发式冷凝器箱体顶部放置风机的是吸风式冷凝器，它从箱体下方或侧面吸入环境中的低温空气，吸热升温后的热空气从设备顶部排出。

吸风式冷凝器能使设备箱体内保持一定的负压，从而降低了水的蒸发温度来强化换热，因此换热效果比鼓风式冷凝器要好一些。