生长管中过饱和度在不同构建方式下的分布特性

于　燕　 徐俊超 　张　 军　孟 　强　 钟　辉

(东南大学太阳能技术研究中心, 南京 210096)



生长管中过饱和度在不同构建方式下的分布特性

于燕 徐俊超 张 军孟 强 钟辉

(东南大学太阳能技术研究中心, 南京 210096)

为了研究水汽相变中不同构建方式形成的细颗粒长大所需的过饱和环境,利用变物性参数传热传质模型对生长管中过饱和度水平进行了预测,并评价了2种过饱和构建方式:低温饱和气流与高温热水相接触(方式1)；高温饱和气流与低温冷水相接触(方式2)．同时分析了进气温度、管壁水温度、进气流速和压力对2种构建方式下所得过饱和度的影响．结果表明:变物性与定物性参数下预测过饱和水平有一定的差异性,最大差异性体现在生长管中心线处;方式2获得的过饱和分布较为均匀;气流与水温差较低时,方式1所得平均过饱和度大;温差较高时,方式2所得平均过饱和度大;温差相同时,较低的温度水平更有利于提高生长管中过饱和水平;压力和进气流速的增加有利于生长管过饱和水平均匀化．

过饱和度;传热传质;生长管;水汽相变

传统的除尘设备难以有效脱除细颗粒物,因此使细颗粒物通过物理或化学作用团聚并长大再进入传统设备除尘已成为当前PM2.5脱除技术研究领域的重要课题[1]．目前国内外正在研发的脱除技术有水汽相变、声团聚、电聚并等[2-4]．

水汽相变技术由于过程简单、颗粒长大效果明显,受到了国内外广泛关注．对于该技术,细颗粒物长大所需的水汽过饱和环境的构建至关重要.目前运用较为广泛的构建方式有:① 绝热膨胀;② 直接注入蒸汽;③ 低温饱和烟气与高温液体相接触;④ 高温含湿气体与低温液体相接触[5]．其中, 后2种过饱和构建方式由于装置简单、过程参数易于控制,在颗粒水汽相变凝结长大基础研究中被广泛采用[5-7]．过饱和度是影响细颗粒水汽相变凝结长大的重要因素,水汽只有在过饱和情况下才会在细颗粒上发生凝结,因此过饱和度及其分布是评价所构建过饱和环境性能的重要指标,但由于受到测量手段的限制,目前对生长管中的过饱和度只能采用数值模拟的方法进行计算分析．Hering等[8]在其建立的由气溶胶进口、凝结器、生长管和光电探测器组成的细颗粒异质核化长大装置中,采取在生长管中通入饱和冷气体和热水的方式构建过饱和环境,并采用传热传质方程的前20项级数解,计算分析了生长管中的温度和过饱和度水平．Tammaro等[9]建立了以乙烯燃烧为颗粒源的异质核化长大装置,利用低温饱和烟气与高温液体相接触获得过饱和环境,同时采用有限元方法计算分析了生长管中的过饱和水平．Fisenko等[10]在层流扩散细颗粒异质核化长大装置LFDC中,利用饱和热气体和冷液体相接触获得过饱和环境,将相变潜热加入到传热传质方程中,采用半离散线性方法计算分析了生长管中温度、蒸汽分压、过饱和度和颗粒形成的临界自由能,并分析了不同载气对过饱和度水平的影响．

上述研究均将反映传热性能的传热系数及反映传质性能的传质系数作为常数来处理,而且物质的传质系数和饱和蒸汽分压都与温度呈指数关系[11],因此,要获得生长管中过饱和场更为准确的计算数据,必须考虑温度和压力对传热、传质系数的影响．另外,不同构建方式形成过饱和气氛的原理不同,从而会导致不同方式下获得的过饱和场特性不同．因此,本文采用2种构建方式形成过饱和环境,并通过对传热传质方程中传热、传质系数的修正,对2种构建方式下生长管中的过饱和度分布进行了更加准确的分析,且对2种构建方式下所得过饱和度分布特性进行了对比研究,同时考察了不同初始参数对生长管中过饱和水平的影响．

1　过饱和度

(1)

2　模型及求解

细颗粒物的异质核化凝结长大在生长管中进行,其生长管如图1所示．生长管是直径为D、长度为L的玻璃管．气流进口和出口温度分别为Tin和Tout,管壁水温度为Tw．

图1　生长管示意图

本文采用二维传热传质模型来获得生长管中的过饱和度水平．该模型的建立需做以下假设:① 忽略生长管中的轴向热扩散和其他二次流的影响;② 生长管中进口气流为典型的抛物线层流流动;③ 生长管中进口气流的温度和蒸汽分压分布均匀;④ 生长管中管壁工作液体温度均匀不变;⑤ 忽略蒸汽相变释放的潜热对温度的影响．

在图1所示生长管中,通过热量平衡分析可以得到关于气体温度的偏微分方程,即

(2)

式中,U为气流的平均流速,m/s;R为生长管半径,m;r为径向坐标;z为生长管轴向位置,m;αt为随温度和压力变化的传热系数,m2/s;P为大气压力,Pa．

本文采用有限差分方法获得偏微分方程(2)的数值解．由于生长管的轴对称性,数值计算过程中可仅考虑生长管的上半区域．将生长管上半区域划分为X×Y的网格(见图2),网格径向和轴向长度分别是Δr和Δz．当Δr和Δz取值足够小时(径向X为200等分,轴向Y为1 000等分),通过有限差分方法获得生长管各位置处的气流温度T(r,z);将方程(2)中传热系数αt(T,P)由传质系数αv(T,P)代替,气体温度T由Pv代替,方程(2)则变为生长管中气体蒸汽分压的偏微分方程．采用同样的方法,可以获得生长管各位置处的蒸汽分压Pv(r,z)．根据过饱和度的定义,最终获得生长管中的过饱和度S(r,z)．

图2　生长管网格划分示意图

定义坐标x=r/R,y=z/R,参数fT=(T-Tw)/(Tin-Tw),则方程(2)可简化为

(3)

偏微分方程(3)的边界条件为

r=R,x=1,fT=0

z=0,y=0,fT=1

根据方程(3)计算出z处各径向位置的温度值,进而获得z+Δz处的传热系数αt(r,z+Δz)．生长管中各位置处的蒸汽分压计算与温度计算相似,定义参数fv=(Pv-Pv,w)/(Pv,in-Pv,w),其中Pv,in为进气饱和蒸汽分压.Pv,w为管壁液体温度Tw下的饱和蒸汽分压.αv(r,z)则由方程(3)计算出的各网格中的温度确定．

3　传热和传质系数选定

载气为空气(假定为理想气体),根据空气的热物理性质参数表[14],其传热系数αt可拟合成温度的线性函数;空气传热系数定义为αt=λ/(ρCp),其中λ为空气的导热系数,在2.67×10-3～2×103MPa范围内，不随压力发生改变[15],Cp为空气的定压比热容(与压力无关),因此传热系数可粗略地认为与压力成反比．最终将αt(T,P)拟合成如下函数:

(4)

管壁工作液体为水,水在空气中的传质系数由如下经验公式[11]获得：

(5)

4　模型计算和分析

为了便于研究生长管中过饱和度分布特性,参考水汽条件下细颗粒长大实验系统中生长管的相关设计[1],将本文生长管直径D设置为1.5cm,长度L为120cm．定物性参数下水的传质系数αv=0.265cm2/s,空气的传热系数αt=0.215cm2/s[8]．进气平均流速U=0.74m/s,工作压力P=100kPa．本文采用2种应用较为广泛的构建方式形成过饱和环境,构建方式1为低温饱和气流与高温热水相接触(Tin=298K,Tw=323K);构建方式2为高温饱和气流与管壁冷水相接触(Tin=323K,Tw=298K).

4.1变物性参数对饱和度计算结果的影响

为比较变物性和定物性参数对过饱和度计算结果的影响,本文分别采用变物性和定物性参数对生长管中的过饱和度进行了计算．

图3　变物性与定物性参数下构建方式1过饱和度分布

图4　变物性与定物性参数下构建方式2过饱和度分布

表1不同温差时变物性与定物性参数下平均过饱和度的相对误差 %

ΔT/℃δr/R=0r/R=0.5r/R=0.8δmax方式1方式2方式1方式2方式1方式2方式1方式2255.866.104.174.301.761.757.748.46358.358.535.985.732.542.0110.9412.364511.0211.127.937.033.401.8714.5617.23

4.2进气与管壁温度差对2种构建方式的影响

图5　2种构建方式在不同温差下的过饱和度分布(方式1下Tin=298 K,方式2下Tw=298 K

图6是ΔT分别为25,35和45 ℃时,构建方式1(管壁水温度不变,Tw=323 K)和构建方式2(进气温度不变,Tin=323 K)下生长管中平均过饱和度分布．从图6中可看出,生长管中过饱和度分布与图5相似,这是因为进气温度与管壁水温度的差值相同,气相和液相之间的传热传质过程相似,其过饱和度分布现象没有明显的差异性．

图6　2种构建方式在不同温差下的过饱和度分布(方式1下Tw=323 K,方式2下Tin=323 K

为进一步了解不同温差下进气温度与管壁温度分别对2种构建方式的影响,对生长管中平均过饱和度进行了计算,结果列于表2中．从表2可看出:构建方式1进气温度不变和方式2管壁水温度不变时,若ΔT偏低,构建方式1所得平均过饱和度较大,若ΔT偏高,方式2所得平均过饱和度较大．这是因为随着ΔT增加,构建方式2进气温度增加,有利于向液相传热,并且方式2是通过传热使气相温度降低来达到过饱和;同时在方式2下,因饱和蒸汽压与温度呈指数关系,进气温度高时,相同的温度降低导致饱和蒸汽分压降低的多;而构建方式1液相温度升高虽有利于向气相传热,但传热效果的增加反而不利于过饱和的形成．所以在温度水平较高时,传热给构建方式2形成过饱和环境带来更明显的优势,方式2构建的平均过饱和水平高．当构建方式1热水温度不变和构建方式2进气温度不变时,生长管中平均过饱和度值也出现上述现象,其原因与上述相似．

表2　2种构建方式在不同温差下的平均过饱和度

当ΔT相同时,构建方式1降低进气温度比增加管壁热水温度效果更好，构建方式2降低管壁温度比增加进气温度效果更好．这是因为虽然水蒸气在空气中传质系数比传热系数要大,但在过饱和环境的建立中传热导致的温度变化对过饱和度的影响更为显著．因此，生长管中较低的温度水平更有利于生长管中过饱和水平的提高．

4.3压强对2种构建方式的影响

图7　2种构建方式在不同压强下的过饱和度分布

从图7和计算结果可以看出,随着压强的增大,2种构建方式下生长管中过饱和水平提高,过饱和度峰值几乎不变,但峰值出现的轴向位置距离生长管的进口处越远,且峰值出现后过饱和度下降平缓;构建方式2所得过饱和度与方式1相比偏低．这是因为压强增大,传热、传质系数减小,但两者之间的差距并没有明显变化,所以峰值近似相等;传热、传质系数减小,传热传质过程变得缓慢,使得峰值出现较晚,并且出现峰值后过饱和度下降也较为平缓,使得过饱和整体水平得到明显提高．通过前文可知,在较小的温差ΔT下,因构建方式2在过饱和环境的形成上没有优势,所以在该温差(ΔT=25 ℃)下构建方式2所得过饱和水平与方式1相比偏低．

4.4气体平均流速对2种构建方式的影响

图8是2种构建方式下,进气平均流速U分别为0.5,0.7,0.9 m/s时生长管中的过饱和度分布．从图8中可看出,当平均流速增加时,2种构建方式所得过饱和度峰值不变,峰值出现的轴向位置距离生长管的进口处越远,过饱和水平越均匀．这是因为当平均流速增加,传热传质过程在本质上并没有发生改变,所以过饱和度峰值不变;但气体在生长管中停留时间变短,过饱和环境形成过程变得缓慢,使得峰值出现的位置向生长管尾部移动,同时整体过饱和水平也变得较为均匀．

图8　2种构建方式在不同进气流速下的过饱和度分布

5　结论

1) 对构建方式1，变物性参数下所得过饱和度值比定物性参数下低，而对于构建方式2，变物性参数下所得过饱和值比定物性参数下高.变物性与定物性参数下,进气与管壁水温差为45 ℃时,过饱和度相对误差绝对值为17.23%,随着温差增加,相对误差绝对值呈增大趋势．

2) 构建方式2获得的过饱和度分布较为均匀;ΔT偏低时,方式1所得平均过饱和度大; ΔT偏高时,方式2所得平均过饱和度大．

3) 当温差相同时,为了更有利于提高过饱和水平,构建方式1应采用降低进气温度的方法,而构建方式2则应采用降低管壁冷水温度的方法．

4) 随着压强和进气平均流速的增加,2种构建方式都可使得生长管中过饱和水平较为均匀,而且过饱和度峰值并没有显著变化,但峰值出现的轴向位置距离生长管的进口处越远．

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Distribution characteristics of supersaturation from different creating methods in growth tube

Yu YanXu JunchaoZhang JunMeng QiangZhong Hui

(Solar Energy Technology Research Center, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To study the supersaturation environment for fine particle enlargement in vapor phase transition, which is formed from different creating methods, the supersaturation level is predicted in the growth tube by the heat and mass transfer model with variable physical parameters. Two methods that saturated cooled air flow meets with warm water (method 1) and saturated warm air flow meets with cooled water (method 2) are estimated. The influences of the inlet flow temperature, the wall water temperature, the inlet flow rate and the pressure on the supersaturation by the creating methods are analyzed. The results demonstrate that there is a difference in the prediction of supersaturation level with variable and constant physical parameters, and the maximum difference is in the center of the growth tube. The supersaturation distribution obtained from method 2 is more uniform. With a small temperature difference between the inlet flow and the wall water, the average degree of the supersaturation obtained from method 1 is higher. With a large temperature difference, the average degree of the supersaturation obtained from method 2 is higher. With an equal temperature difference, low temperature is positive to promote the supersaturation level in the growth tube. The increase of the pressure and the inlet flow rate is in favor of homogenization of the supersaturation level in the growth tube.

supersaturation; heat and mass transfer; growth tube; vapor phase transition

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.010

2016-01-12.作者简介: 于燕(1990—),女,博士生;张军(联系人),男,博士,教授,博士生导师,junzhang@seu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(51576043)、国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2013CB228504).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.010.

TK16

A

1001-0505(2016)04-0733-06

引用本文: 于燕，徐俊超，张军，等.生长管中过饱和度在不同构建方式下的分布特性[J].东南大学学报:自然科学版,2016,46(4):733-738.