小型货车用引射加湿制冷装置研究（可编辑）

小型货车用引射加湿制冷装置研究（可编辑） 小型货车用引射加湿制冷装置研究 谨以此论文献给恩师梅宁教授及关心支持我的人 一一一李德智;小型货车用引射加湿制冷装置的研究 靴鬻篙乏扛堑量二 指导教师签;,:竺: 答辩委员会成员签字:?弓皖. 蕤独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含未获得 逢:垫邈互基地盏噩挂别巨型鲍奎拦丑窒或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名:力獯强签字期:拶?略。一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定, 有权保留并 向国家有关音门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》,并通过网络向社会公 众提供信息服务。保密的学位论文在解密后适用本授权书, 学位论文作者签名 煮秀嚯 聊签字彳刍夸 签字『期:,卜年“ 签字日期必,年易月日小型货车用引射加湿制冷装置的研究 摘要 本文采用汽车刹车气体的余压为引射器工作流体的动力,利用引射器引射超 声波水雾,并在引射器混合室中蒸发冷却,以此来实现制冷降温为主要目的,为 车载制冷空调提供新型实用的制冷装置。以引射器和直接蒸发冷却技术为研究对 象,借助流体力学、空气动力学、传热传质学等理论,采用数值模拟和试 验选径,从引射器的结构、流动特性以及影响引射加湿制冷性能的主要因素对车 载引射加湿制冷装置进行综合研究。 文中将引射器原理和超卢波水雾加湿技术相结合.对它们各自机理进行分析 为引射加湿提供理论依据。通过简化引射器物理模型。分析控制方程及边界条件, 为数值模拟提供计算模型和模拟方法,得出各个流量下的引射器内部流体流动特 性。同时通过模拟引射空气来观测引射器的引射能力,得出在引射入口有一定的 漏情况下,引射效果非常好。最终通过空气流进引射器的试验来检验加工 的引射器,得出在空气流量为/时,喉嘴处实际压力为,与模拟 的压力基本一致。 通过设计引射器结构设计和试验平台,建立引射加湿制冷装置,采用有效的 试验测量方法,对装置进行试验,得出在不同温度下的加湿温降。随后分析了不 仅空气在加湿情况下有降温效果,而且空气在流进引射器时本身 就有一定的温降 从而实现了高教的制冷效果。同时站在制冷量的角度上,对引射器的结构进行改 进,提出了与除湿技术相结合的运行模式,且对除湿试验进行探索。 本课题研制出了一定制冷量的引射加湿原理样机.并且对其进行了性能试验 和车试验.试验证明了气剥出口气余压引射加湿制冷装嚣的可行性。以引射器 为主体结构,为无填料式水雾加湿提供一种新型的方式。以引射加湿技术为机理, 并通过大量的试验研究,为引射加湿制冷装置产业化提供了一套行之有效的 和宝贵的实践经验。 关键字:引射;超声波水雾加湿:直接蒸发冷却:数值模拟:工程实践 ? 。 ,, ’ . ’ . . 】 由 .脚,. ? . 巧 ‘/ , .?、 . , . 目~. . , 母 ’ . 画? ;:; ; ;目 录 课题背景及意义 一 引射加湿制冷技术基本原理及其与除湿技术结合的应用概述 引射器 直接蒸发冷却 除湿蒸发冷却 .车载引射加湿制冷装置原理及可行性分析 国内外研究现状 引射器的基础研究 直接蒸发冷却的基础研究除湿蒸发冷却的研究 .本文的主要研究内容及技术路线 .本文的主要研究内容? .技术路线? 车载引射加湿的理论基础研究 引射系数的确定引射器设计理论基础 引射系数 空气与水直接接触时的热质交换过程 直接蒸发冷却的热质交换过程分析及性能评价 .固体除湿吸附过程的热质交换过程小结 引射器内部流体流动特性研究 物理及数学模型 物理模型 数学模型 数值模拟方法 控制方程 边界条件 湍流模型 几何模型的建立及网格划分 . 模拟对象几何模型的描述 . 网格划分 .边界条件的定义中求解控制参数设置 .选择计算模型 求解器控制参数的设置 模拟结果及分析 引射器引射空气模拟.空气流经引射器试验探索 .小结 基于引射加湿制冷技术的小型车载制冷系统的试验台设计 引射系数及热力计算小型车载制冷系统设计目标及分析小型车 载制冷系统的引射系数计算及其合理性判断小型车载制冷系统试验 台的热力计算 .引射器结构设计 试验台布置与试验仪器介绍 试验台介绍试验测试仪器介绍 .试验数据的测量方法及整理 . 试验参数的测量及其测点的布置 . 试验前准备工作及试验步骤 . 试验数据处理方法 .试验结果及分析气刹出气温湿度和流量测量结粜及分析不加水 雾时气剥出口气温降和真空度测量结果及分析车载引射加湿制冷装 置试验结果及分析 .试验现象分析及敢进气刹出口气体温度与转速无关现象 . 试验过程中出现水雾积聚形成水滴现象 . 试验中可用气刹出口气体流量限制现象引射加湿制冷技术与固体除湿技术结合的应用车载同体除湿引射加湿制冷系统运行模式及分析 除湿过程的影响因素除湿试验探索 小结 结论与展望 结论 展望 参考文献 致 谢 个人简历?? :翌 日吾 .课题背景及意义 随着当代科学技术不断进步.经济的快速发展,人们的生活水平不断的提高. 汽车已经成了人们生活的必须。近几年来,随着汽车业特别是轿 车的快速增长, 汽车零部件行业也得到了飞速的发展.车载空调作为提高汽车乘坐舒适性的重要 部件之一已经被人们推上舞台。目前在国内,国产轿车几乎都装上了汽车空调, 同时其他车型的装置率也在逐年的增加,这为汽车空调的发展提供广大的空间, 使得它成为汽车中举足轻重的功能部件?。 然而,自世纪年代以后,随着节能和环保呼声的高涨,工业发达国家 纷纷投巨资进行新型制冷系统和制冷剂的研究.并取得较大进展?。目前,车载 空调主要是压缩式制冷空调,它具有两个比较大的缺点:一是压缩式制冷空调需 要汽车发动机提供压缩机的动力,需要消耗一定的汽油:二是压缩式制冷空调需 要安装冷却装置,这大大增加了系统设备的体积“。从文献”呵知,输出有效功 率时,所消耗油的质量为.~ 。这样不仅增大油耗而且也增加了 温室效应气体二氧化碳的排放,还有可能增加氟利昂制冷剂的排放。因此,从能 源和环境的角度考虑,发展新型环保节能的车载制冷机组是必要 的。 年制造出被用于冷却房间和殴备的蒸发冷却器.当相对湿度较低时, 冷却空气温度可降低。左右。现代科技的进度极大地提高了直接蒸发冷却的 效率,并使得直接/间接蒸发冷却空调成为可能”。由于干空气能制冷蒸发玲却 技术具有节能、环保、健康、绿色的独特优点,在美国、中东、澳大利亚等地日 益受到人们的重视并得到广泛应用。年,新疆绿色使者空气环境技术有限 公司与清华大学合作研发了属于世界首创的蒸发冷却制取冷却水技术一间接蒸 发冷水机,并获得成功,使得国内蒸发冷却技术的应用上了一个新的台阶。考虑 到蒸发冷却技术的两个缺点:不能直接应用到非干旱地区?:由于普通 蒸发冷却机组空气直接来自环境,空气的相对湿度不可能真正意义上的接近干空 气,冷空气不够冷,从而导致系统风量偏大,空气输送过程中的噪声太大。以上 两个缺点,导致第二点缺陷是由第一点和制冷量同时作用的。所 以对于小型制冷 系统.要发展蒸发冷却制冷系统就必须第一步解决工作空气的干度问题。对于车 载制冷系统.空气是可以利用气刹泄气阀出来的气.同时为了满足制冷量的要求,:】?? 最好是结合干燥剂除湿技术。这样可以实现温湿度独立控制,抗干扰性强。 综合所述,本课题针对南方一些非干旱地区提出车载除湿引射加湿制冷统, 与传统乍载空调相比,其具有以下优势: 能源方面。考虑到气刹用气是经过压缩机压缩从而使其相对湿度比较低, 是车上天然可咀利用的资源.无需任何额外的能源消耗即可获得干空气能。同时 考虑到汽车上的低品位能源高温尾气和发动机冷却水能够作为除湿剂再生能 源,余热的回收大大增加了能源的利用率,而蒸发冷却技术是利用水的蒸发取得 热量。整个运行过程中只需提供少量的功率给风机和小型水泵或者超声波加湿器 这使得它的值有时比传统车载空调大的多 环保方面,制冷荆是水,不使用佛利昂,不存在破坏臭氧层问题, 不排放任何产生温室效应的气体。同时节省压缩机耗功,『日接的减少了汽车尾气 的排放。并且混合后的新风冷空气作用于车间时,能够改善车内的空气质量,有 一定的去污能力。 经济上,使用时间长,设各简单,投资少,运行成本低。减少压缩机耗 功所消耗油量,节约了大笔资金。 为此,本课题的研究对于探索低品位能源利用、能源节约、环境保护等多方 面,具有比较重要的理论和实践意义?。 .引射加湿制冷技术基本原理及其与除湿技术结合的应用概述 引射加湿制冷技术是在引射装置的混合室中进行的蒸发冷却。蒸发冷却是制 冷系统中的核心部分,在引射器绝热情况下,它是利用水蒸发吸热使得空气得到 潜热从而达到制冷的一项技术。同压缩式制冷空调~样,蒸发冷却也是通过制冷 剂的燕发米获取冷量,此时的制冷剂可咀看做是水。但是,在蒸发冷却过程中不 必考虑怎么样将蒸发后的水蒸汽进行压缩、冷凝回到液态后再进行蒸发。而是通 过直接接补充水来维持蒸发冷却过程。本文将引射加湿技术应用到车载制冷系统 中需要了解匕上下四点: 引射器 引射器主要是由喷嘴、接收室、混合室、扩散管组成,如下国 所示。当 具有一定压力的工作介质经喷嘴以一定的速度喷出来.进入引射器的接受室,由 于工作介质质点的横向紊动扩散作用,将接收室中的空气带走,接受室形成一定小型货车用引射加剞挎装置的研宄 真空.低压流体被吸入。通常把工作介质叫做工作流体,被吸走的流体叫做引射 流体。两股流体在混合室中混台并进行能量交换。混合后的流体经过扩散管.使 得压力进一步提高。 引射器内没有运动部件,结构简单,工作可靠,安装维护方便,密封性好, 便于综合利用.可兼作混合反应设备。各种有压能源如废水、废气等都可直 接用来作为引射装置的工作流体,从而提高了它的经济效果。 图】引射装置简圈 .喷嘴 一接收室.混台室.扩散管直接蒸发冷却 目前,蒸发冷却主要分为间接蒸发冷却以及直接蒸发冷却。直接蒸发冷却 是利用水与空气充分接触,当空气中的水蒸发 与水存在浓度差时,水蒸发吸热,使得空气得到温度下降。而间接蒸发冷却 是利用直接蒸发冷却后的空气或者水.通过 换热器与室外环境空气问接热交换?。 本文中主要介绍直接蒸发冷却技术,对于水滴的来源主要是利用超声波产生 的水雾,当忽略水雾进去空气中的焓值时,整个加湿过程可以近似不变,空气变 化过程沿等焓线,如图.中?线所示。公式推断如下: 据质量守恒,喷水量等于是空气含湿量的增加,即: 卜 靠,%。吐一吐, 掘能量守恒,稳定流动且绝热不对外作功,椰删,故有: ,。日。。一。? 水的焓值相对空气的焓值要小得多,含湿量差吐一吐也比较小,所以喷水 :?? 带入的焓值可忽略不计,因此啊岛 理论上直接蒸发冷却后的空气最低温度可以降到空气入口状态时的湿球温 度。 从是否需要填料角度.直接蒸发冷却可分为填料式和非填料式两种。填料式 是水在填料表面处形成均匀水膜.与流经其表面的空气进行热湿交换。填料由于 其具有较大的比表面积和良好的亲水性,使其成为比较关键的设备。非填料式是 将水雾与被处理空气混合接触,同时进行热湿交换,具有非常高的蒸发冷却效率 . 图.直接蒸发冷??和嘲体除湿蒸发冷却过稃焙熵图 对于直接蒸发冷却目前主要有两种方式用法:一是直接当做蒸发冷却段,应 用到空气处理机组中去:二是与风机联用,处理空气作为冷源。 直接蒸发冷却结构简单,易于实现,但是有两个缺陷:一是不能直接应用到 非干旱地区,受地区影响:二是空气只能降低到湿球温度,降温幅度小,同时考 虑到舒适度,加湿后的空气湿度又不能太大,进一步缩小了降温幅度。除湿蒸发冷却 除湿蒸发冷却制冷是基于蒸发冷却制冷的基础上新增了一套除湿装置,使得 其更能适应环境变化。除湿方法大概分为以下四种:第一种是利用冷却方法使水 蒸气在露点温度下凝结分离。第二种是使用液体吸瀣剂的方法。第三种是利用压 缩的方法,提高水蒸气的分压,使之超过饱和点,成为水滴后被分离出去。第四 种是使用吸附剂的方法。?? : 除湿蒸发冷却制冷的基本原理是利用除湿器对空气进行除湿处理,同时在除 湿的过程中利用冷空气或者冷却水对干燥剂进行降温,带走一部分吸附热,制 取干燥低温的空气,然后再对干空气进行蒸发冷却处理.使空气达到所需的温度 湿度要求,为空调房间提供高质量的送风空气?。 除湿加湿制冷系统是由风机、除湿装置、蒸发冷却器和水泵组成。其中,具 有两个循环:一是除湿装置中冷却液的循环,一是喷淋装置水的循环喷水循环 加湿系统。 综上所述,除湿蒸发冷却制冷系统的工作分为两个部分: 湿空气进入除湿器中除湿得到干燥空气,同时冷却液带走除湿后空气的 潜热。经过一定时间的除湿,除湿剂的除湿能力下降,然后启动再生装置再生。 干燥的空气进入蒸发冷却器加湿.利用循环水与空气充分接触,由于空 气中的水与水滴表面的存在着浓度差,这就成为了水蒸发的动力。车载引射加湿制冷装置原理及可行性分析 由于压缩式空调具有较大的制冷量,同时性能也相对来说比较稳定,技术成 熟,使得它成为了汽车空调的主打产品。但是随着世界性的能源危机,以及我国 同益倡导能源可持续利用.大力发展再生能源和节能能源成为了时代的心声。由 于压缩式车载空调特有的油耗大,另外国家大力提倡微型车,先天功率小得缺陷 就不适宜加装空调,所以新型节能车载空调代替压缩式车载空调将势不可挡?。 车载引射加湿装置是利用气刹泄气阀出来的干燥气体作为工作流体,工作流 体经引射装置引射超声波产生的水雾,在混合室中进行着蒸发冷 却降温,最后将 出来温度较低的湿空气直接送入车厢,达到降温消暑效果,如下图?所示。 。 词 , ?之刍革三毪三 幽卜干载引射加湿系统示意圈 气利泄气喇一波纹软管一引射装置超声波加湿器:?? 与此同时可以并联一个吸附式除温器,对环境空气进行除湿,增加千空气工 作流体的量,也增加了制冷系统的制冷量。吸附式除湿再生能源利用汽车发动机 的废热或发动机的冷却水的能量,这大大的碱少了汽车的燃料消耗量及尾气排放 量,真正的选到节能、环保的现代汽车要求。本系统只有风机和超声波加湿器消 耗一部分的电功。图.所示为车载除湿燕发冷却制冷系统示意图。 幽卜乖载除湿蒸发冷却制冷系统示意剀 卜化吸附床一切换阀引射加湿制冷装置乍厢 国内外研究现状 引射技术、蒸发冷却技术和除湿都是比较成熟的技术了。特别是 蒸发冷却技 术有着悠久的历史。早在公元前年,古埃及人就已经应用了水蒸发来获得 冷量,面对蒸发冷却技术的研究开展工作开始于上世纪年代。在、年代 美国、澳大利亚、加拿大等国家对它进行了多方面的研究,并取得一定成果。在 蒸发冷却技术的不断使用过程中,一些学者不始借助失端的研究手段来研究蒸发 冷却设备内部传热传质特性,从而加深了对理论机理的进一步认识,为蒸发冷却 技术的优化提供了理论和实践依据”。 我国对引射技术、蒸发冷却技术和除湿技术的研究起步较晚,但是近几年来 经济的发展和工业的发达,对其研究也阿益增多,特别是空调领域。以下将给出 国内外对它们的研究与应用。 引射器的基础研究 引射技术的研宄和应用已有多年的历史。世纪,人们已经发现引射 技术和两相流混合现象。直到世纪年代,德国学者佐伊纳和兰盒根据动量 定理,建立和比较完善了引射理论基础。但是,这个理论还有一定的缺陷.不能 完全解决引射器的计算问题。本世纪年代,随着空气动力学和流体力学的发小型货车用引射加湿制装置的研究 展.引射器的应用研究工作也得到了大幅的提高”。年德国的制造出 第一台公认的引射器。.和”】等人最先对引射器作了比较全面的 研究,认为引射器的混合过程是一种近似等压过程,第一次对引射器给出了完整 的理论分析和试验研究,形成了引射器的一维基本理论。和等人 ”通过试验提出等所没有考虑的结论,即引射系数跟流体的分子量密切 相关。“给出了比较完整的蒸汽喷射加热器一维计算模型,并分析了蒸 汽压力、压升、水汽比和温度对其出口参数的影响。之后在完善引射器的计算方 面,在引射器的接收室中流动过程的物理解释方面,在整理计算引射器合理的轴 向尺寸的工程关系式方面,起巨大作用的是自由流束理论。在阿勃拉莫维奇的著 作中,摄全面晶系统地介绍了这种理论。 年代初,我国开始引进国外先进的引射装置,并迅速地推广应用 到各行 各业中,已经取得了一些成绩。从年武汉酋局全国引射器学术讨论会到 年在杭州的第二届全国引射技术学术讨论会,我国引射技术理论和应用得到了大 力的推广。南京航空航天大学的姜正良】推导出引射器流动特性计算式,同时 利用数学论的方法进行引射器的优化设计。大连理工大学的沈胜强”建立了 气.液喷射器工作的一维稳态模型,运用数值计算方法对模型进行求解,计算了 水为工质时的气.液喷射器内轴向压力分布。 目前,引射器的发展必须充分发挥其结构简单,工作效率高等优点,具体措 施如下所述: 使用先进的测试殴备.深入研究引射器内部各种流动参数压力、流 速、温度和浓度等的变化规律,建立完善和台理的物理数学模型,特别是对多 相引射器提出合理的设计方法。 充分发挥引射器热质交换及混合反应等多种功能,采用合理的装置形 式及工艺流程,提高它们的传热传质效率.以获得尽可能高的综合经济效益。直接蒸发冷却的基础研究 目前,对直接蒸发冷却技术的研究主要是在基础理论方面和设备的歼发以及 试验研究方面。就填料式蒸发冷却的研究颇多,非填料式主要以喷雾降温研究为 主。粱洋钦等?对超声波雾化加湿系统进行了研究,并给出了设计参数及关键技 术解决方案。目前填料主要有木丝填料、刚性填料和合成填料。就填料的传热传小型货车用引射加制冷装置的研究 质问题研究,等人”对茎海绵、碎海绵、黄麻纤维及炭填料进行了测试, 试验结果表明,茎海绵的性能最好。由世俊等人”时金属填料表面上的传热传质 性能进行了理论与试验研究,通过建立了理论模型试验,得出填科表面水温和空 气温湿度的分布规律。杜鹃等人畔】把蒸发冷却空调与冷却塔的热质交换进行类比 分析,得到了蒸发冷却空调的热力计算方法,并分别对迎面风速、填料物性、空 气与填料表面之间的传热系数等影响热湿交换性能的各因素进行了详细的分析。 随后,进一步对直接蒸发冷却中的热质交换过程进行了数值模拟,井与试验值进 行了对比。得到了温度和湿度场的分布图,并绘出了迎面风速、空气入口状态参 数及填料厚度等因素对蒸发冷却效率及空气出口状态的影响关系曲线“。宣永梅 和杜鹃分别对无机填料蒸发冷却机组和蒸发冷却空调系统的热质交换过程 进行了数值模拟与试验研究。此外,国内外一些学者还对于填料的净化性能研究, 等人?随过对蒸发冷却系统的室内外可啦入颗粒物进行了鉴定,证明 了填料的净化效果与采用除尘系统的效果是一样的。孙贺江等人口研究出一种填 料型洗涤式空气过滤器,它能够同时完成过滤、脱离、灭菌消毒三个过程的。除湿蒸发冷却的研究 除湿蒸发冷却技术是蒸发冷却技术的一个发展。对于试验研究方面,早在 年,”】最早提出了溶液除湿蒸发冷却空调系统的思想并进行了试验研究, 他采用三甘醇干燥过的空气经过蒸发室冷却,随后除湿剂的再生是通过被太阳能 加热的空气进行再生:年 等”】用试验同时研究了堆积床式除湿机 和多抽屉式除湿机两种固定床式除湿机的除湿性能。年,等”叭 建造了一台竖直板内冷型除湿器,井利用溶液对该除湿器进行了试验研究; 年等”对填料塔再生器性能进行了部分试验研究.主要研究了空气 的含湿量、温度以及流量对再生器出口参数的影响。而在传热传质模型理论方面, 由于除湿器和再生器是这种系统的核心部件,因此非常多的专家对此做了大量的 工作, 年 对.在年提出的绝热型除湿器传 热传质模型进行丁完善,即现在被“泛应用的“微元控制体模型”””。 国内有关研究.邱钟明等人畔通过分析了吸附床的传热特性,提出了一种新 型的结构设计理念。赵云研制了一种内冷型隔扳式除湿器,并且对氯化钙的除 湿特性进行了试验研究。东南大学的张小松“】提出了除湿蒸发冷却系统,对利用小型货车用引射加制冷装置的研究 低位热源作为再生热源的典型系统进行了分析和热力计算,其理 论值达到 。黄云”提出液体除湿技术与蒸发冷却技术相结合可组成溶液除湿空调系统 并给出了除湿蒸发冷却系统流程图。来福元等介绍了船用氯化锂蒸发冷却空调 系统,利用蒸汽锅炉的余热为热源,分析了每一个原始参数对整个空调系统运行 费用的影响。调整各原始参数使空调系统运行费用达到最低,从而达到节能的目 的。李剐四设计了 种可利用低品位热能的溶液除湿蒸发冷却空调系统。对此 空谣系统进行了理论分析,得出了一套节能行之有效的方法。胡兴岩‘卅提出了汽 车尾气余热作为吸附一冷却式除湿制冷空调中的吸附剂的再生热源的构想,将该 系统与传统的压缩制冷系统进行了关于节能.环保的对比分析。 .本文的主要研究内容及技术路线 ..本文的主要研究内容 本课题主要的任务是怎么样利用蒸发冷却技术来实现降温.并将其应用到车 载制冷系统中。由于蒸发冷却技术一个缺陷,不能在非干燥地区有很好的效果, 同时考虑到车上气刹泄气口气体的相对湿度较低和除湿技术的结合,使得蒸发冷 却技术可以成为新型的车载制冷系统装置。为了更好利用车上气刹泄气口空气, 以及使得超声波水雾与空气充分混合,本文引入引射器作为主体结构。通过建立 和引射器物理和数学计算模型,探讨空气在引射器中的流动特性,为研究小型车 栽引射加温蒸发冷却靠冷系统提供设计依掘,并通过试验验证其可性。本课胚 主要进行以下几个方面的工作: 引射技术、除湿技术和蒸发冷却技术的理论研究。引射系数的确定,空 气与水接触时的热质交换,固体除湿吸附过程的热质交换,为试验提供必要的理 论基础。 引射器内部流体流动特性研究。建立引射物理模型和数学模型,并使用 】软件进行数值模拟,为试验设计提供预测性,节约研发周期。 引射加湿制冷装置试验研究。对车载小型制冷试验台进行试验研究,并 对其进行试验结果分析,得出各个进口状态下的加湿程度及降温 幅度。 引射加湿蒸发玲却技术与除湿技术结台的应用研究。探索除湿器的结构 设计与除湿效果,为蒸发冷却技术的发展提供更为广阔的空间。 其中主要包括以下两个方面的创新点::些塑业塑塑堕 一 运用引射器引射超声波水雾,使其在混台室内进行蒸发冷却。为无填料 式水雾加湿提供另一种途径。 首创性的利用气刹出口气体作为干空气能,使其与超声波水雾进行蒸发 冷却技术,制取了一定的制冷量,研制出原理样机,同时还提出与除湿技术相结 合的运行模式,为工程应用提供宝贵实践经验。 技术路线 方案提出 结构设计 改 试验台的措建 进 试验研究 冈 是否满足试验目的小女车月刀『日簧的研 车载引射加湿的理论基础研究 虽然引射器结构简单,但是对于一定尺寸的引射器来说,其引射系数受工作 流体的进口状态影响报大,而且在其混合室中存在着一个复杂气液两相流的过程, 不仅有着动量变化.同时进行着热质交换。同样在后续提出的与除湿技术运行相 结合的模式中,传热传质也是固体除湿过程中主要的问题。对于传热传质问题, 通过数学方法是难以得到的,时常需要借助于试验的方法来确定。本章将对相关 内容进行理论分析。为试验研究和试验数据提供理论依据。 引射系数的确定 目前,对于引射的分类还没有统一的说法。在不同的文献内,同一类的引射 器名称基本不一样。如引射器,压缩器,喷射器,混水器和泵等,其实部是引射 装置。本文所要研究应用的引射器属于空气引射水雾,属于气一液引射器。 引射器设计理论基础 不管是何种引射器,他们都都遵从如下三个定律: 能量畸:恒定律 ??“‘ 式中:‘??在引射器前工作流体的焓,/; ??在引射器前引射流体的焓,/ ??在引射器之后混合流体的焓,/: “,缉??引射系数。 质量守恒定律 ,十 式中:”、一工作流、体引射流体、混合流体的质量流量,/。 动量守恒定律 :?:“,卜“”’,只’矿耳:‘:一:: ‘ 式中:“、“肿??混合室入口截面上工作流体的速度、引射流体的 速度,/::堑业型??一 ”??混合室出截面上的混合流体的速度.如; %、晶:??混合室入口截面上的工作流体的压力、引射流体压力,; 只??混合室出口截面上的混合流体的压力,: 一,:、上工作流体、引射流体在混合室入口截面上所占的面积, 小二; 五??混合室截面积,”‘; 钝??混合室的速度系数。 引射系数 本文中应用的气一液引射器的工作流体和引射流体属于异相流动.而且属于 一个低速流动,在引射过程中可以认为它们的密度恒定。因此将通过经验公式求 的其引射系数。为了求的其引射系数,将引入以下几个性能参数:压力比,喉 嘴面积比,和密度比。 . 酬九糟; ? 喉嘴面积比:?璺 ? 密度比::盟。 , 式中:??等于喉嘴截面积:,、,.??引射流体密度、:【作流体密度 ? 引射器的摹本性能方程:』,。 当密度比;一定寸,在某一个喉啪面积比下.压力比与引射系数近 似为线性关系。随着的增大,直线由陡降变为平缓。基本性能方程可近似用 直接方程代替: 乓:堕‰一。一 听‘ . ? 。 “” 小型货车用引射加制冷鞋的研究 ? 一 “一. ? 一.。一 引射系数的确定能为下一步样机机组热力计算和结构设计提供设计基础。 空气与水直接接触时的热质交换过程 直接蒸拉冷却技术是整个系统制冷的核心部分,它是利用空气与水直接接触 时水蒸发吸热来制取冷量的,所以空气与水之削的热质交换机理是研究蒸发冷 却的理论基础。 本文通过研究空气与水雾的接触来阐述蒸发冷却过程。空气与水雾混合时, 便与微小水滴直接发生热质交换。空气与水的热湿交换过程可以视为主流空气与 边界层空气不断混合的过程。此时由于分子的不规则运动,空气中的水分子与水 蒸发的水分子不停的交换,如图所示.。 圈空气与水滴热质交换示意图 在水雾与处理空气接触时.质交换的驱动力是处理空气中的水蒸汽压力与边 界层中水蒸汽分压力之差。当存在着它们之间水蒸气压力梯度时,就会发生传质 现象吼 热交换有根据水温的不同存在着显热和潜热交换。显热交换是由于空气与水 之间存在温差导致的;而潜热交换是因为水蒸汽在空气中蒸发而吸收气化潜热导 致的。由文献删可知,总热交换量为: ? 坦,‘“一‘ 式中:,??空气的焓值,/: ??边界层处饱和空气的焓值,:小型贷乍用引射加湿制装置的研究 从?式可知,空气与水热质交换过程中,他们之间的焓差将是推动总热交 换的动力,总的热交换量与空气的湿球温度密切相关。 直接蒸发冷却的热质交换过程分析及性能评价节中把空气与水雾加湿过程近似看做等焓加湿过程,这是因为系统在 瞬间的引入的水雾量是很小的。由上节.可知,推动总热交换的动力室焓差, 从长期加湿过程来看,制冷系统必然是增焓过程。但是不管是那种过程,空气都 是得到潜热量,最终都是温度降低,理论上直接燕发降温到空气的湿球温度。 为了衡量直接蒸发挎却器的性能,将处理空气进出:温差与其进干、湿球 温度差之比定义为蒸发冷却效率,用公式表示即为: :盟×% ,,, 式巾: ,. ,, ,。??分别为人口、出口空气温度以及入口空气湿球温度,?; 蒸发冷却技术主要是利用干空气能,空气的干球温度与相对湿度决定这空气 的汛球温度。加湿越充分的话,处理空气的温降也越大,从上式可知,加湿 后的出口空气温度越低,蒸发效率也就越大。在进口空气干球温度不变的情况下, 出口空气温度变化与进口空气湿球温度变化成正比。 .固体除湿吸附过程的热质交换过程 在引射加湿制冷技术应用中,结合除湿技术已经是一种研究趋势。本文主要 介绍固体除湿技术巾的硅胶吸附除湿,在除湿过程中同样是关于传热传质交换过 程。固体除湿也称为吸附过程,同样其传质驱动力是浓度差。在吸附过程中,传 质速度是决定装置尺寸的一个重要的因素。吸附时的传质速度一般认为是由下列 机理决定的?。 在吸附剂粒子外的流体边界层内的传质速度; 吸附剂粒子内的被吸附分子的扩散速度: 在吸附点的吸附反应速度。 研宄硅胶动态吸附过程中一个重要参考是等温吸附曲线。兰米尔、弗雷德里 克和等公式是典型的吸附等温式中的著名公式。如下图所示,横坐标 为蒸汽压力,纵坐标为等温吸附量。小型货车用引射加%制装置的研究 罩 蔷 一图备种吸湿材料的等温吸附曲线图? 用固定吸附层进行吸附操作时,在吸附层的一端开始出现吸附质痕迹的点称 为“吸附透过点”。即吸附质的饱和带在吸附剂层中移动.饱和带的顶端到达吸 附层的另一端的点是吸附透过点。其后,如果仍然继续进行吸附,高浓度的吸附 质就会慢慢地从“柱”中出来,虽终流出来的事和入口浓度完全一样的气体。这 时吸附剂完全和入:浓度相平衡。图是吸附带模型的图示,随着时间的推移. 吸附带移向出口方向。图是处理空气经吸附层的浓度变化。 一 一 月日& 一&”?一 ? 豁擤 圈吸附带成长的模型【”】 图透过曲线” 在固定层吸附操作中,当流体流经吸附剂粒子的表面时,在粒予外面就会产 生一层流体边界层。对此边界层内粒子外面每单位面积的传质速度可用下式 表示。 ‘扛一‘珥一 式中:???单位面积的传质速度,: 。??流体边界层的传质系数,/;小型货乍用引射【潍制挎装的研 究 舡一固体边界层的传质系数,/‘; ??吸附质的浓度,/; 置??固体表面浓度,/; ??吸附量,‖吸附剂; 吼??表面的吸附量,‖吸附剂。 粒子外边界阻力、粒子内扩散阻力和向吸附点的反应速度阻力的 合力是决定 总传质速度的主要因素。因此有公式”: 弘 去去去 。。。一, 脚,宇 总传质容量系数,/: 式中:丘日 也??流体边界层容量系数,/: ??修正系数直线平衡时; 卢??吸附系数初浓度和与它平衡时的吸附量叮的比,/; ??固定层空隙率: ??粒子内传质系数,?: ??吸附层单位容积内的粒予表面积./。 ~ 伊克勒顿?对硅胶粒径 ,空隙率%除混试验得出总传质容 量系数砟.和固定层的传质系数,如下?式: ? 矸口”, 式中: ??质屠流通率,/?。 若吸附带长度为互.则动态吸附量可由下式?表示。 阳一匆 式中: 吼??入口浓度为%时的平衡吸附量,/;十?货车用‘射制玲《目的 研究 ??层高,; 乙??吸附带长度,。 硅胶的吸附等温线可近似的认为是直线,日本化学工学便览年版 中的公式可以作为计算。的近似式。 一 卅旌 式中:??填充层的长度.; ??流体在除湿器中的流速,/: 动态吸附法是让空气通过吸附荆的除湿方法。对于以上动态吸附热质基本计 算首先要知道瞰附剂的静态吸附量,而静态吸附是通过试验得出来的。对于动态 吸附中传质传热过程.只有理论与试验的结合才能更好的得出其中的一些关系。 小结 本章阐述了引射器的理论原理,给出了引射系数的计算经验公式.为工作流 体与引射流体加湿质量比控制提供理论设计。考虑到引射器中混合室的多相流动 与热质交换,而蒸发冷却技术同样是热质交换过程,从而引射器混合室可以为空 气与水雾的蒸发冷却提供热质交换场所。介绍了空气与水热质交换机理,显热的 交换是由于温差的存在引起的,而质交换以及由此引起的潜热交换取的动力是焓 差而不是温差,为直接蒸发冷却的研究打下了坚实的理论基础。同时引入蒸发冷 却效率”对直接蒸发冷却的性能进行评价,以加湿到空气湿球温度为极限状态。 奉文还对除湿技术的热质交换过程计算做了详细的介绍,得出了动态吸附量的计 算公式,为除湿器的设计提供理论基础,为下一步除湿蒸发冷却技术的研究应用 提供可能。小型赞车用引射加湿制十装口的研究 引射器内部流体流动特性研究 目前,引射器的应用非常广泛,在拄电厂,废气余热供暖装置方面制冷技 术方面,在自来水装置方面等承担着重要的角色。在制冷技术方面作为引射制冷 装簧的主要和辅助设备。本章将以引射器作为研究对象,对引射器中内部流体流 动进行数值模拟,并对其进行了试验分析。 .物理及数学模型 物理模型 由 节可知,引射器主要分为喷嘴、接受室、混合室和扩散管。由工作 流体经喷嘴,并把接受室中的空气带走,形成一个较小的负压,从而射流体被 带八接受室,在混合室中与于空气接触混合。为了加快设计步伐和设计的准确性, 本文主要模拟的就是空气在引射器内部的速度场、压力场、温度 场,并对各个可 能影响因素进行分析。 为了对馥特殊模式的引射加湿器有个定性的认识,对所模拟的对象进行了 以下台理假设: 进入喷嘴的空气为饱和湿空气; 湿空气和水蒸汽部为理想气体; 引射器内为一维稳态不可压缩无摩擦流动: 引射器壁而不与外界发生换热,属于绝热过程。 数学模型 本文模型属于不可压缩流体流动,为了节约时间以及减少计算机工作量,选 取非耦合求解。数值模拟过程中除了流动模型、能量方程、组分运输模型、离散 相模型,以及一个湍流模型。本文采用的是双方程模型, 数值模拟方法 具有先进的数值解法,主要是在流动特性基本方程质量、动量、 能量守恒方程控制下对流体的数值计算,适用于对从不可压缩到尚度可压缩范 围内的流体流动与热交换等复杂区域内问题的分析和模拟。 使用作为前处理软件,使得它具有超强组合建构模型能 力。具有强大的同格支持能力.而且还拥育多种基于解的网格自 适应技术十型货车用?射加制岭装?的研究 以及同格动态自适应技术,对于捕捉非常复杂的物理现象非常有利。拥有 众多的物理模型,可以满足用户精确地模拟无粘流、层流、湍流、热质交换、固 体与流体耦合传热、化学组分混合和反应、多相流、相变流、多孔介质等的需要 。同时具有用户自定义的模块,能够满足用户不同需求。 本文采用建立引射器的三维物理模型.然后进行合理的网格划分, 并对其设置边界条件,输出格式。通过输入的三位离散模型. 选择合理的求解器,并对区域材料及边界条件进行设置,再通过初始化流体参数. 最后通过求解器对所给出的控制方程进行迭代求解,得到引射器内部流体流动的 数值解。 ..控制方程 总的来说,对于控制方程来说,不外乎以下三个方程:质量守恒方程、动量 守恒方程和能量守恒方程。如果流动过程中含有不同的组分混合,则需要增加组 分守恒方程。而如果是湍流问题,还有需要求解相应的输运方程。 引射器内部流 体流动过程按三维稳态闻题处理,其控制方程?如下: , 质量守恒方程:詈 由于是稳态流动,空气质量守恒方程: 兰最 “ 式中:“??、、方向空气速度分量,/; 最??质量源项,即空气与水的质交换辜,/’。 上式中的质量源项的原因是因为水分蒸发进入空气中,并影响着 其他方程。 空气中水蒸汽质量守恒方程: 掣%窘蝇 式中:??空气含湿量; ,属于湍流换热; %??有效扩散系数,/ 空气动量方程‘”:小型货印用引射?湿制,装置的?咒 施掣嘞雾一警一鼠 施掣嘞筹一等, 旃掣峋窘一警一只 式中:,,厂湿空气的有效粘性系数,/ ,琅于湍流流动; ??湿空气的压力.: ?方向动量方程源项; ,??方向动量方程源项。 能量方程: 求解的能量方程形式如下: 鲁一目毒毒%筹一手‘七黾 引射器混合室中空气能量方程: 甜.. 下 骞一芑 式中:??湿空气温度,: : .??湿空气的定压比热,/ /,属于能量源项。 吼??空气与水滴的热交换率, 本章将主要模拟引射器内部流体流场,不涉及到空气与水雾混合 传质问题, 给出具有能量项的能量方程是为下步研究引射器的传热传质特 性研究做准备。 . 边界条件 本章模拟过程中,边界条件定义了物理模型中边界处空气的流动 参数。 入口边界条件设置:空气的密度,空气的速度、温度以及湍流强 度。 出口边界条件设置:压力出口 对于之后的传质传热特性研究中,将考虑水雾与空气之间的边界属于传热传 质耦台的热边界。遮类边界类型不存在,因此需要将这一类特殊定义。将通 过对存在的水蒸气的边界条件自定义。小型货年用引射栅冷装?研究 湍流模型 湍流流动是一种高度非线性的复杂流动,目前没有一个通用的湍流模型。总 体的来随,对湍流的数值模拟方法可以分为直接和非直接数值模拟。对于湍流模 型的选择目前主要是根据非直接数值模拟中的雷诺平均法来选择的。本文先初步 对模拟流动雷诺数初步确定,然后根据雷诺数来判定涡流情况.从而选出湍流模 型。 本章选用的是来源于严格的统计技术的吨模型,该模型是建立在 的上的湍流模型。而对于完全湍流状态下流动,分子粘性的影响可以忽略下的标 准女一模型如下所述: 一苦毒尝毒一一一% 一尝毒一剖妻卜.《。。。瓯卜:。一譬 :模型,由于其 方程中增加了一个附加项,并且考虑了旋转效应, 从而在对于计算梯度较大和强旋转流动功能方面强于标准女一模型。同时, ?模型还能对低雷诺数区域进行非常精确的计算。 一 模型中,其默认值常数有:;.,。 ,。。 .几何模型的建立及网格划分 . 模拟对象几何模型的描述 模拟引射器的结构详细描述如下:入口管外径巾,壁厚,长: 紧缩喷嘴长,紧缩入口外径巾。喉嘴处外径中,壁厚;扩散管出口 外径巾,壁厚衄,长。引射器总长?。这是因为模拟长 占用的电脑运算空间非常大,而且在扩散管外径为巾时,已经达到了大气 压力,在长 处时的压力也只不过比大气压大,所以为了方便起见, 采用总长为的模型。计算过程将在下章 详细给出,本文将对不同流量 工作流体进行了模拟,得出其各种流量下的引射情况,定性给出其工作流体参数 的变化的适应性。引射模型囤如下图所示:图引射器网格划分幽 空气物性参数:密度 /定压比热容/,热传导系数为 /?,粘度系数为 一/?。 边界设定条件有:人口速度边界、出口压力边界、引射器壁面以及对称面。 由于引射器内部工作流体运动认为足稳态不可压缩流体,操作压力为 .边界条件的定义 边界条件的设置是分析和解决问题中非常关键的部分之一,与模拟的 成败密切相关。 模拟中,引射器入口为速度入口边界边界图.,进口速度大小分别取 /、/、/,工作流体和引射流体的温度都设置为。 小型货车用引射加湿制冷装置的研究 盥速度入口边界条什 图压力出口边界条件 引射器出口为压力出口,环境压力为萝。 引射器的壁面都为绝热壁面,即热流密度为零图。在设置热流密度之 前,必须得选择能量方程图?。 图开启能量方程 图引射器壁面绝热设置 . 中求解控制参数设置 选择计算模型 拥有种解的格式:分离解、隐式耦合解、显式耦合解。这中解 法都有各自的优点。分离解和耦合解方法之间的不同点是求解连续方程、动量方 程、能量方程以及组分方程的解的步骤不一样,分离解是对各个方程逐一求解的, 而耦合解是同时对多个方程求解。对于隐式求解器,只有对结果要求很高并且符 合要求情况下才使用,这是因为它占用内存大,对计算机的配霞要求也高。一般 情况下.选样分离解和显式解就可以了?。圈.为计算器设置图,模拟对象为 模型,选择分离隐式求解器,稳态流动。图为湍流模型设置,选择 ?模型,参数设置都是默认值。小型货车用引蚶?湿制口的?咒 图.计算器设置对话框 图湍流模型设置对话框求解器控制参数的设置 在求解器控制求解方程中,亚松弛因子的设置将对收敛性起到重 要的作用。 本节由于采用算法,为了使计算收敛更快,更准确,将压力、动量、和 , 的亚松弛因子分别设置为., 和.。如下图所示: 图求解控制参数设置 对于初始化设置,如果初始场给的过于偏离实际物理场,就会出现计算很难 收敛。设置如下图?所示,并按图?迭代。 例 计算初始化 曰】,始选代计算 模拟结果及分析 进口空气平均速度为/时 引射器内部的压力场和速度场分布如下圈 .、 所示: 小型货车用引射加龌制岭装置的研究 图压力分布图 入口压力为,喷嘴喉部压力最小压为,出口压力 ~。 圈速度矢量分布圈 入口/,喷嘴喉部/,出口速度分布有点不均。但是不影响引射 加湿效果。 进口空气速度为/时,引射器内部流场如下图一所示: 圈进口空气速度为 /时的压力场和速度场矢量分布圈 此时进口压力~, 喷嘴喉嘴处压力~,出口 ~ 喷嘴喉嘴处速度为 /.出口速 一。入速度为/ 度沿壁面速度高。 小型货车月射加湿制挎菠口的研, /时,引射器内部流场如下图.所示 进口空气速度为 圈?进口空气速度为 /时的压力场和速度场分布 口压 此时进口压力~顺嘶喉嘴出压力 ~/,出口速度分布 /,喷晰喉嘴处速度为 力为大气压。入口速度为 有点不均。 从以上模拟数据来看,引射器对空气进口流量的适应性广,流量 为/ 至/时,喉嘴处都具有一定的负压。而且随着流量的增加,喉嘴处 的真空 度越大。 .引射器引射空气模拟 从以上模拟可知,空气作为工作流体在引射器内部的流场分布。在喉嘴处有 一定的真空度,只能说明该引射器具有引射的潜力,但不一定能顺利的引射空气。 所以引射器模拟引射空气是必要的,为下一步引射水雾提供理论基础。引射器引 射空气的物理模型如下图所示: 圈.引射器幽 即在喉嘴处加了一段引射入口,规格为外径为,壁厚为.,的引 射管。 对于边界条件设置,工作流体入口速度边界条件设置为/,引射流体入口 压力边界条件设置为叭,即引射入处有一定的漏风,压力出口设置为 。同.节所迷的设兄一样,得到引射器引射空气的压力场和引射流体 ,此时工作流体进口最大压力为,喉嘴处最大压力为,引 射入口压力为,出口最大压力为。通过图.可知,引射流 体空气被顺利的引入并混合。此时的工作流体质量流量为 ‖,引射流 。 体质量流量为 /,即引射系数为 本节引射入口压力边界条件的设置是高于喉嘴处压力的,引射结果及效果 是非常明显的。当引射入口压力边界条件设计为喉嘴处压力时,尽管喉嘴处有着 较大的负压,但是喉嘴处有工作流体进入引射管,使得引射流体难以进入,此时 的引射系数为负数。如下圈所示: 圉.引射口雕力设置为时的引射器侮部速度失量分布 当入口速度为/时,引射流体入口压力设置为。得到引射器 内部压力分布和速度场分布如下图、?所示: