基于柴油机废热的淡化装置蒸发器的数值模拟

许攀， 朱从容

（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022）

基于柴油机废热的淡化装置蒸发器的数值模拟

许攀， 朱从容

（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022）

为了有效利用中小型渔船柴油机的废热，设计了一种海水淡化装置，该装置能够满足船员的日常饮用水需要，改善船员的生活品质。运用FLUENT软件对海水淡化系统中的蒸发器进行了数值模拟，为船用柴油机废热淡化系统蒸发器的设计提供科学的理论依据。

柴油机废热；海水淡化装置；蒸发器；数值模拟

0 引言

我国南海、东海、黄海及渤海拥有几十万艘200匹马力以上的机动渔船［1］。目前，这些渔船由于没有适用的海水淡化设备，生活起居都在船上，对船上淡水依赖更高，为了提高人们的生活品质及淡水的需求量，研发一种渔船用海水淡化设备，解决渔船海上作业过程中新鲜淡水的供应问题，显得极为必要。

海水淡化技术能够有效地解决中小型渔船在海水作业需要的淡水量。其原理是柴油机在工作时尾气排出的废热经管道引入到壳管式蒸发器中，高温的废气在蒸发器中与海水热质交换形成水蒸汽，蒸汽经板式冷凝器冷却冷凝成淡水［2-3］。壳管式蒸发器是海水淡化装置中重要元件。本文应用FLUENT软件对壳管式蒸发器进行数值模拟，为海水淡化设备的蒸发器的设计与优化提供重要的理论依据［4］。

1 壳管式蒸发器的模型建立与网格生成

图1 壳管式蒸发器管束布置图

图2 壳管式蒸发器CAD模型

蒸发器根据被冷却介质的不同分为冷却液体载冷剂的蒸发器和冷却空气的蒸发器两大类型；目前常用的海水蒸发器有 4种形式：卧式壳管式、干式氟利昂、立管式、螺旋管式［5］。根据柴油机的废热提供热源，蒸发器采用U型壳管式海水蒸发器，能够确保废热的充分利用及提高海水蒸发器的热效率。WANG CC等［6］研究表明：通过改变蒸发器的管路流程布置来强化换热，提高蒸发器的性能。柴油机排气流量为0.1 m3/s，蒸发器中废气进口温度T1=200℃，废气出口温度T2=120℃，壳体内部为液态水，海水的进口温度t1=25℃,壳管式海水蒸发器的管束排列如图1所示，30根U型管采用正三角形分布。管束为直径25 mm的U型管，壁厚2 mm，管间距为10 mm，蒸发器的整体外形长宽高为1 035 mm×360 mm×800 mm，外板厚度为3 mm，材料为不锈钢。用UG软件设计壳管式蒸发器CAD模型如图2所示。利用ICEM软件对蒸发器的物理模型网格划分，得到壳管式蒸发器的网格图如图3所示。

图3 壳管式蒸发器模型网格图

2 蒸发器的数学模型

2.1 控制方程

壳管式海水蒸发器内部流体的流动必须遵守质量、动量、能量等物理守恒定律，用数学方程组表示为［7］：

质量守恒方程：

式中：p为压力；u为速度；ρ为密度；T为温度；Cp为定压比热容；k为传热系数；E为流体微团的总能；h为焓；Sh为包括了化学反应热及其他用户定义的体积热源项。

2.2 湍流模型

对于壳管式蒸发器，因湍流对流动和传热有影响，故湍流模型选用标准的k～ε湍流模型，而湍流的动能方程k与扩散方程ε表示为［8］：

式中：Gk为由平均速度梯度引起的湍流动能；Gb为由浮升力引起的湍流动能；YM为过渡扩散产生的波动动能；Sk、Sε为用户自定义项；C1ε、C2ε、C3ε为常数；σk、σε为k方程和ε方程的普朗特数；ui-湍流黏度，ui=ρCμk2/ε。

2.3 设置边界条件

冷海水进入蒸发器时，入口边界设置为流体速度，出口边界设置为压力。其中冷海水流入蒸发器流速为1.2 m/ s，U型管壁面的平均温度为150℃。把冷海水和U型管的交界面选定为流热耦合壁面条件，蒸发器的壳体边界条件设置为绝热且无滑移。

3 模拟结果

1）壳管式海水蒸发器内部壳程流体在X、Y、Z方向上的速度矢量图如图4所示。由图4可以看出，蒸发器进口速度增大，之后随着海水与管束接触，壳体四周海水温度逐渐增高流速变大，海水从底端到出口处流速逐渐增大。

图4 壳程流体速度矢量图

图5 壳管式蒸发器温度分布云图

2）壳管式海水蒸发器在X、Y、Z方向上温度分布图如图5所示。由图5可以看出，海水在蒸发器中的温度变化情况。海水温度在壳体的四周温度较低，随着海水与高温管壁接触海水温度逐渐增高，在中心截面处温度达到最大。

4 结论

通过对柴油机废热海水淡化循环系统蒸发器的数值模拟，得到了壳管式海水蒸发器内部流体流动的速度矢量图以及温度分布图，分析模拟的结果符合设计的基本要求，为中小型渔船海水淡化装置蒸发器的设计提供理论依据。

［1］ 汪杰明，薛野，刘婷，等.一种利用发动机排气管尾气余热进行海水淡化方法：中国，CN200610019183［P］.2007-07-25.

［2］ 许攀，朱从容.基于太阳能与尾气废热利用的渔船用海水淡化装置设计［J］.渔业现代化，2013，40（6）：63-67.

［3］ 朱从容，许攀.太阳能与废热结合的渔船用海水淡化装置：中国，201320393338.9［P］.2013-12-11.

［4］ 靳文博，蔡玉强.蒸汽压缩蒸馏装置蒸发器温度场FLUENT数值模拟［J］.河北联合大学学报，2013，35（1）：31-37.

［5］ 汪波，茅靳丰，耿世彬，等.国内换热器的研究现状与展望［J］.制冷与空调，2010，24（5）：61-65.

［6］ Wang C C，Jang J Y，Lai C C，et al.Effect of circuit arrangement on the performance of air-cooled condensers［J］.International Journal of Refrigeration，1999，24：272-282.

［7］ 朱红钧，林元华，谢龙汉，等.FLUENT12流体分析及工程仿真［M］.北京：清华大学出版社，2011：6-18.

［8］ 周碧，朱从容.柴油机废气再循环系统冷却器的数值模拟［J］.机械工程师，2011（12）：62-63.

（编辑启 迪）

Numerical Simulation of Water Desalination Device Evaporator Based on Diesel Engine Waste Heat

XU Pan， ZHU Congrong
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316022，China）

In order to efficiently harness the use of small and medium-sized fishing vessel diesel engine waste heat,a desalination device is designed.The device can meet the daily drinking water of the crew to improve the living quality of the crew.FLUENT software is used for numerical simulation of evaporator in seawater desalination.The simulation results can help heat circulation evaporator design to provide the scientific basis.

diesel engines waste heat；seawater desalination device；evaporator；numerical simulation

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0083－02

许攀（1987—），男，硕士研究生，研究方向为现代渔船与捕捞装备；朱从容（1969—），男，教授，硕士生导师，研究方向为渔业机械装备自动化、超精密加工技术与装备等。

2014-02-25

浙江省科技厅资助项目（2010C33053）