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直接蒸发冷却填料的理论计算与优化设计

江锐锋  
【摘要】:本文在Boris Halasz提出的适用于蒸发冷却设备通用数学计算模型基础上,以直接蒸发冷却填料为主要研究对象,基于空气与水进行热、质交换过程中能量和质量守恒原理,在建立模型时考虑了因水蒸发或者凝结而引起水的质量变化对于系统的影响,采用微元法详细地描述了空气与水在接触过程中的内在关系,建立了更加符合实际应用情况的直接蒸发冷却(DEC)填料的数学计算模型。在此基础上,进一步通过实验数据以及相关参考文献中数据,验证计算模型的可行性,结果表明:数值模型的数值解与实验结果的误差在±15%以内,吻合性较好,说明所建立的数学计算模型是合理的、有效的。 采用数值模拟的方法对于阻力进行了进一步的分析。利用GAMBIT软件建立了填料的三维数值模型,根据填料内水和空气的流动状态,采用FLUENT软件,结合相应的离散相模型进行求解。其中填料内的液膜用水滴来近似模拟计算;空气作为连续相,用欧拉法来求解;水滴轨迹作为离散相,用拉格朗日法来求解。根据计算结果,通过数学拟合方法得到了阻力系数与雷诺数、液相韦伯数和无量纲流动参数各影响因素关系的关联式。 通过分析填料结构参数之间的内在关系,得到了近似计算填料表面积的计算公式。同时,本文定义了一个综合性能系数作为填料性能的判定方式,用单位制冷量与单位时间阻力做功的比值来反映填料的综合性能。在同一工况下,改变填料的波纹长度和波纹高度,通过采用无量纲数学模型的热力计算公式来计算制冷量和用模拟软件计算空气的阻力,并计算得到相应地综合性能系数值。计算结果表明,在约束范围内,波纹高度一定时,波纹长度为24mm的填料综合性能系数最大,其值为0.73;波纹长度一定时,波纹高度为6mm的填料综合性能系数最大,其值为1.47。


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