流動分布不均勻性對中空纖維膜組件傳熱傳質(zhì)性能的影響

1、中國工程熱物理學(xué)會學(xué)術(shù)會議論文 編號：123213流動分布不均勻性對中空纖維膜組件傳熱傳質(zhì)性能的影響自然科學(xué)基金資助 50676034李振興 梁才航 張立志* （華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）聯(lián)系人: 張立志, TelE-mail：Lzzhang摘要： 研究了流動分布不均勻性對錯(cuò)流下中空纖維膜組件傳熱傳質(zhì)性能的影響。將膜組件作為多孔介質(zhì)處理，采用FLUENT求解入口管、膜組件和出口管中的流動分布。在得到流動分布狀況之后，將膜組件等效轉(zhuǎn)化為平行板式換熱器，采用有限差分法求解膜組件出口的溫濕度分布與組件的潛熱、

2、顯熱效率。討論了組件填充率與空氣流量變化變化對流動分布的影響。研究表明：膜組件填充率越大，其內(nèi)部流動分布越均勻。組件內(nèi)流動分布越均勻，顯熱效率與潛熱效率越大。關(guān)鍵詞：流動分布不均性；橫掠管束；性能歧化0 前言中空纖維膜組件因其優(yōu)越的傳質(zhì)性能被廣泛應(yīng)用于氣體吸附、液-液萃取和水處理等眾多領(lǐng)域1-3。其幾何結(jié)構(gòu)類似于管殼式換熱器。當(dāng)中空纖維膜組件應(yīng)用于空氣加濕方面時(shí)，需要通過進(jìn)口風(fēng)道和入口管將其與離心風(fēng)機(jī)連接，如圖1所示。進(jìn)出口擴(kuò)展段對空氣進(jìn)出膜組件時(shí)的流動狀態(tài)產(chǎn)生影響，從而影響膜組件的傳質(zhì)性能。圖1 中空纖維膜組件加濕系統(tǒng)風(fēng)道示意圖Fig.1. The configuration of a ho

3、llow fiber membrane module based air humidification system.國內(nèi)外很多學(xué)者研究了入口管導(dǎo)致的流動分布不均勻性對換熱器性能的影響。Ranganayakulu等4, 5利用有限元方法研究了進(jìn)口流動分布對板翅式換熱器換熱性能的影響。其假設(shè)進(jìn)口流動分布為拋物線型。Lalot等6研究了電加熱器中流動分布狀況，發(fā)現(xiàn)入口管內(nèi)加設(shè)多空板可以減少流動分布不均勻性。Jiao等7引入了兩級入口管的設(shè)計(jì)，優(yōu)化了換熱器性能。Zhang和Li8對兩級入口管換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)入口管與出口管當(dāng)量直徑相等時(shí)，板翅式換熱器內(nèi)的流動分布更為均勻。Ismail等9對流

4、動分布不均勻性對緊湊型板翅式換熱器的傳熱性能與壓力損失進(jìn)行了數(shù)值模擬。與Hoffmann-Vocke等10對不同入口管外形的管翅式換熱器的阻力損失進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。然而，大多數(shù)現(xiàn)有數(shù)值模擬工作將入口管與換熱器分離開來進(jìn)行研究，忽略了流體在入口管內(nèi)對換熱器的撞擊作用。為對中空纖維膜組件內(nèi)的流動分布不均性進(jìn)行深入研究，本文將入口管、膜組件與出口管作為整體進(jìn)行數(shù)值模擬。在得到膜組件內(nèi)的流動分布狀況后，采用有限差分法研究流動分布對組件傳熱傳質(zhì)性能的影響。1 數(shù)值模擬方法1.1流動不均勻性預(yù)測膜組件中填充有大量中空纖維膜，直接對其進(jìn)行模擬需要耗費(fèi)大量時(shí)間與計(jì)算機(jī)資源。多孔介質(zhì)模型被廣泛應(yīng)用于填料床、均風(fēng)孔

5、板、管束等模擬。膜組件中大量纖維膜可視為排布密集的管束。因此，模擬中對膜組件部分采用多孔介質(zhì)處理。對于簡單的均一多孔介質(zhì)，需要在動量方程中添加源項(xiàng)：其中，在層流流動中，多孔介質(zhì)的壓降通常正比于速度， (7)(11) (13)直接對組件中管束進(jìn)行模型計(jì)算量太大。為簡化計(jì)算，將整個(gè)膜組件轉(zhuǎn)化為一個(gè)叉流平行板換熱器?？諝庋貀方向流動，水沿x方向流動，如圖3所示。保持總換熱面積與中空纖維膜面積相等，有：Fig.3. Schematic of the liquid flow direction in the membrane module .ET為特定濃度下平衡含濕量隨溫度的變化因子： (34)無量綱溫

6、濕度與坐標(biāo)定義為：如圖3由式( 21-35)圖4 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格示意圖Fig.4. Mesh structure of the computational domain.本文使用有限差分法將控制方程（23），（24），（29），（30）離散化。數(shù)值計(jì)算過程中節(jié)點(diǎn)數(shù)為4050。加密網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)目至60發(fā)現(xiàn)誤差范圍在0.1%之內(nèi)。因此節(jié)點(diǎn)數(shù)取4050是合理的。2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采用中空纖維膜組件作為加濕芯體測定其傳質(zhì)性能。實(shí)驗(yàn)流程示意圖如圖2 所示。進(jìn)出口風(fēng)道尺寸為10.160.16m，擴(kuò)展段角度為30。膜組件尺寸為0.380.20.25m。水在中空纖維管束內(nèi)流動，通過透濕不透水的纖維膜對空氣進(jìn)行加濕。

7、纖維膜由改性的PVDF材料制備而得。實(shí)驗(yàn)在空調(diào)房間內(nèi)進(jìn)行，以便調(diào)節(jié)空氣進(jìn)口狀態(tài)。液態(tài)水保存在恒溫槽中，維持溫度在20。采用溫濕度測量儀器測定空氣和水側(cè)進(jìn)出口溫濕度。采用微壓計(jì)測定膜組件進(jìn)出口壓差。膜組件其他參數(shù)見表1。圖2 加濕實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.2. Schematic of the air humidification test rig.表1 模擬參數(shù)Table 1. Simulation parameters . 參數(shù)名稱符號單位數(shù)值38030膜有效長度Lmm380纖維膜總根數(shù)nfr2132填充率j0.10纖維膜外徑dmm1.6膜厚度dmm0.15水蒸汽在空氣中擴(kuò)散系數(shù)Dvam2/s2.8

8、210-5膜表面孔徑dpmm0.45水流量VwL/h80進(jìn)口水溫Tw,inK293空氣進(jìn)口溫度Ta,inK298膜孔隙率e0.75水蒸汽在膜中有效擴(kuò)散系數(shù)Dvmm2/s1.3310-63結(jié)果討論3.1模型驗(yàn)證將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證模型的合理性。實(shí)驗(yàn)中膜組件填充率為0.2?？諝鈧?cè)與水側(cè)出口溫度如圖5所示。膜組件空氣側(cè)壓降與出口相對濕度如圖6所示。通過模擬值與實(shí)驗(yàn)值對比發(fā)現(xiàn)，出口溫度誤差小于5%，相對濕度誤差小于11%，壓降誤差小于17%。說明該模型能較準(zhǔn)確的反映真實(shí)工況。圖5 空氣側(cè)與水側(cè)出口溫度的實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比3.2 流動分布不均勻性文中將進(jìn)出口擴(kuò)展段與膜組件作為一個(gè)整體考慮，

9、模擬結(jié)果反映了擴(kuò)展段對流動分布的影響。模擬考慮了兩種填充率下的流動情況：A，填充率0.1；B，填充率0.2（即實(shí)驗(yàn)采用組件）。膜組件出口的流動分布不均勻度如圖7、8所示。通過對比得知，膜組件填充率越大，流動分布越均勻。膜組件的作用類似于孔板均布器。當(dāng)組件填充率越大，意味著組件內(nèi)部有更多的微小流道，使得來流空氣被重新分布。另一方面，空氣沿纖維管束方向上阻力較主流方向上阻力小，使得空氣產(chǎn)生橫向流動，使流動更均勻化。圖7 膜組件出口面上速度分布不均勻度（組件A；空氣流量：2Fig.7. Flow nonuniformity圖8 膜組件出口面上速度分布不均勻度（組件B；空氣流量：2Fig.8. Vel

10、ocity c (Module B; air flow rates: 250m3/h) 3.3顯熱與潛熱效率分析圖9與10為膜組件出口面上的無量綱濕度分布。由圖可知，膜組件填充率越小，速度分布越不均勻，濕度分布歧化現(xiàn)象越嚴(yán)重。圖9 膜組件出口面上無量綱濕度分布Fig.9. Local dimensionless humidity of air on core outlet face圖10 膜組件出口面上無量綱濕度分布Fig.10. Local dimensionless humidity of air on core outlet face (Module B; air flow rates:

11、 250m3/h)對于工程應(yīng)用而言，換熱器的總體熱濕交換效率是重要的衡量參數(shù)。圖11為不同空氣流量下兩種芯體的顯熱效率與潛熱效率。由圖可知，組件A的顯熱效率與潛熱效率均較組件B小。與不考慮進(jìn)出口擴(kuò)展段流動分布的組件對比，組件A與B的顯熱效率下降了3-30%，潛熱效率下降了26-58%?？梢娏鲃臃植疾痪鶆蛐詫M件濕交換效率影響更嚴(yán)重。對于中空纖維膜加濕組件這種全熱交換器而言，其設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)考慮流動分布不均勻性對傳質(zhì)性能造成的影響。圖11 組件顯熱與潛熱效率Fig.11. Sensible and latent effectiveness of the modules.4 結(jié)論對于錯(cuò)流的中空纖維膜組

12、件而言，其內(nèi)部流動分布的不均勻性是由進(jìn)出口擴(kuò)展段和組件本身共同決定的。將進(jìn)出口擴(kuò)展段與膜組件作為一個(gè)整體進(jìn)行模擬，得到如下結(jié)論：（1）膜組件填充率對流動分布具有重要影響。膜組件填充率越大，其內(nèi)部流動分布越均勻。（2）膜組件的顯熱與潛熱效率受流動分布的影響。組件內(nèi)流動分布越均勻，顯熱效率與潛熱效率越大。同時(shí)，潛熱效率受流動分布不均勻性的影響較顯熱效率嚴(yán)重。由于中空纖維膜組件作為加濕芯體時(shí)潛熱效率較小，因此其設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)考慮流動分布不均勻性對組件傳質(zhì)性能的影響。參考文獻(xiàn)1 N. Kalogerakis, L.A. Behie, Evaluation of a hollow fiber oxygena

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