蒸汽压缩蒸馏装置共轭传热过程的数值模拟*

蔡玉强，李亚丛

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210)

0 引言

蒸汽压缩蒸馏装置(VCD)是国际空间站从尿液废水中回收纯净水的重要装置[1]，具有重量轻、体积小、废水回收率高、产水水质好、散热少、能耗小等优点[2]，是我国未来空间站建设研究的主要方向之一。

近年来，国内学者对微重力环境下的气液两相流动、分离、相变传热分别进行了数值模拟[3-6]，并取得了一定的成就，然而缺少对复杂装置涉及耦合问题的研究。本文针对蒸汽压缩蒸馏装置的运行，将离心力及微重力环境共同作用下的气液两相流动、动态分离、相变传热等问题耦合在一起，利用Fluent多相流混合模型，结合自定义函数(UDF)模拟了蒸汽压缩蒸馏装置共轭换热的相变过程，比较真实地反映了VCD装置内两相流的流动、气液相变以及两相分布情况，为以后蒸汽压缩蒸馏装置的整体设计提供可靠的参考。

1 VCD三维模型的建立及网格划分

1.1 三维模型及简化

根据美国宇航局(NASA)公开的蒸汽压缩蒸馏装置的结构设计参数及相关文献的研究[7]，初步设计的VCD三维模型如图1所示。该装置主要有两个重要部分：蒸发器和冷凝器。尿液流入蒸发器内，吸收冷凝潜热蒸发，变成水蒸汽，在离心力的作用下，实现气液初步分离，分离后的水蒸汽经过压缩机压缩提高饱和温度，进入冷凝器内遇冷液化成水，释放潜热，潜热由冷凝器冷凝表面传到蒸发器蒸发表面，使其等质量的废水蒸发，实现流固共轭换热。

在分析时，为了使问题简化，先抛开压缩机部分，简化三维模型，得到VCD几何简化模型(如图2所示)，重点对蒸发器(液相流体域)、冷凝器(气相流体域)及其共用金属壁(固体域)进行研究以定性分析装置内的相变过程。

图1 VCD三维模型

图2 VCD几何简化模型

1.2 网格划分

数值模型创建后，在ICEM CFD中建立蒸汽压缩蒸馏装置的网格模型。为了提高计算精度、加快收敛速度，对3个计算区域网格的建立均采用三维六面体网格，同时根据蒸汽压缩蒸馏装置的结构特点，创建4层O-block[8]，网格总数为415 296个，网格划分结果如图3所示。

2 数值分析

尿液作为VCD装置的工作介质，在进入蒸汽压缩蒸馏单元之前，需要添加H2SO4、CrO3预处理剂以防止尿液变质，经处理后尿液的物理特性如表1所示。

图3 VCD装置网格模型

参数数值密度(kg/m3)1.012×103比热容[J/(kg·℃)]4.135×103黏度(Pa·s)0.968×10-3

2.1 控制方程

数值模拟选用两相流混合模型，该模型允许各相以不同速度运动，求解混合相各特征方程[9]如下：

(1) 连续方程：

(1)

(2) 动量方程:

(2)

其中：F为体积力；μm为混合黏度；vdr,k为第k相的飘移速度；αk为第k相的体积分数；ρk为第k相的密度；g为重力体积力；p为压力。

(3) 能量方程：

(3)

2.2 计算方法及边界条件

求解时运用离散的隐式方法，选取Realizablek-ε模型，打开能量方程。定义壁面温度恒定为300 K，设置流体域内部的流动状态为旋转流动，同时定义内外转鼓壁为转动“滑移”壁面。压速耦合方法采用的是SIMPLE算法；压力离散方法采用PRESTO！格式；对动量方程采用二阶迎风差分格式进行离散。

使用速度进口作为入口边界条件；拟定尿液进口、水蒸汽进口位于X轴正方向，速度分别为8.5 mm/s(温度恒定为36 ℃)和14 mm/s(温度恒定为50 ℃)；定义操作环境为8 036 Pa，设置操作密度为0.554 2；出口为压力出口。

3 计算结果与分析

目前，Fluent两相流混合模型还不能实现不同相之间的质量传输，因此，拟采用自定义函数(UDF)来定义从液体相到蒸汽相的质量传输问题，将相变潜热嵌入能量方程，实现传输过程中总质量、能量守恒[10-11]。得出不同时刻(当转鼓转速为360 r/min时)冷凝器内的气、液两相分布图(如图4、图5所示)，以及蒸发器内的气、液两相分布图(如图6、图7所示)。

由图4、图5可看出：过热水蒸汽进入冷凝器后，与温度较低的换热壁面接触，冷凝形成大量小液滴，释放潜热，表明蒸汽已经开始冷凝；小液滴不断长大、凝聚、形成大水滴直至脱落。由于蒸汽流动产生压强差，使得冷凝水沿X轴负向流动，形成新液膜在离心力的作用下紧贴冷凝器外壁面向外流出。

图4 不同时刻冷凝器内的气相分布

图5 不同时刻冷凝器内的液相分布

图6 不同时刻蒸发器内的气相分布

如图6、图7所示，尿液进入内转鼓后，与冷凝器的共用金属壁接触吸收潜热，温度逐渐升高并超过饱和温度(316 K)，从而蒸发产生大量的水蒸汽；在离心力的作用下，密度较小的水蒸汽泡向内转鼓移动，通过除雾器进入内转鼓内部然后逸出。

图7 不同时刻蒸发器内的液相分布

为了更加清楚地了解气液两相沿轴向方向不同位置的整体分布情况，截取距离入口位置40 mm、80 mm、120 mm处的切面气液两相分布云图，如图8～图10所示。

由图8～图10可知：靠近蒸发器入口处液体的体积分布较少，远离入口液体的体积分数较大，并形成一定厚度的液膜紧紧地包裹在壁面上。这是因为尿液进入蒸发器内迅速蒸发，形成水汽混合物，使得接近入口处液体的体积分数偏小，但仍有一部分水由于没有达到其饱和温度而沿轴线方向向外流动。在流动过程中，旋转转鼓产生的离心力将密度较大的液体抛向壁面形成较为均匀的液膜，密度较小的水蒸汽则向转鼓的轴心方向运动。过热水蒸汽进入气相流体域后快速冷凝，在入口处形成液滴，向外流出。

图8 40 mm处气、液两相分布云图

图9 80 mm处气、液两相分布云图

图10 120 mm处气、液两相分布云图

为了验证其过程的正确性，查阅相关文献，提取不同进口流量下的产水率值，采用上述模拟操作对蒸汽压缩蒸馏装置换热模型进行数值模拟，得出的模拟结果与文献[7]进行对比，如图11所示。由图11可知：数值模拟结果与文献提供的数据偏差均小于5%，可以认定数值模拟数据可靠。

4 结论

(1) 通过开发自定义函数，将相变潜热嵌入能量方程实现了VCD装置共轭换热的相变过程，得到的不同时刻下蒸发器、冷凝器内气液两相体积分布状态及气液相变过程的传热特性、流动状态与装置实际工作情况相符。

(2) 在蒸汽压缩蒸馏装置的结构参数及运动参数不变前提下，改变尿液的进口流量，模拟得出相应流量下的产水率值与国外文献资料中的数据相对比，结果表明偏差均小于5%，可以认定数值模拟可靠，并总结出当进口流量为5.5 kg/h时产水率最高，为3.256 kg/h。

图11 模拟数据平均值与文献[7]数据对比

参考文献：

[1] 杨祺，张文瑞，于锟锟.空间站尿液处理技术研究及进展[J].真空与低温,2014(6):315-318.

[2] Hutchens C F.A description and comparison of US and Russian urine processing hardware for the international space station[J]. SAE Paper 941251.

[3] 周云龙，黄娜.微重力环境下水平方管内气液两相流动特性的数值研究[J].中国电机工程学报,2014,34(26):4500-4507.

[4] 杨飞，张永健.微重力下气液分离特性的数值模拟[J].北京交通大学学报,2014,38(4):14-19.

[5] 黄娜.不同流场环境影响下管内气(汽)液两相流动与传热特性的数值研究[D].保定:华北电力大学,2016:1-5.

[6] 张文伟，柯鹏.微重力动态水气分离器性能仿真与理论分析[J].航空学报,2016,37(9):2646-2658.

[7] Cindy F Hutchens, Results of the vapor compression distillation flight experiment (VCD-FE)[C]//34 th International Conference on Environmental Systems (ICES).Colorado Springs:[s.n.],2004：19-22.

[8] 纪兵兵，陈金瓶.ANSYS ICEM CFD网格划分技术实例分析[M].北京：中国水利水电出版社,2012.

[9] 宁静红，刘敬坤，刘圣春，等.水平管内水蒸汽冷凝换热特性的数值模拟[J].流体机械,2014(11):73-78.

[10] Alberto Cavallini,Davide Del Col,Luca Doretti,et al.Condensation in horizontal smooth tubes:A new heat transfer model for heat exchanger design[J].Heat Transfer Engineering,2006,27(8):31-38.

[11] 孙东亮，徐进良，王丽.求解两相蒸发和冷凝问题的气液相变模型[J].西安交通大学学报,2012,46(7):7-11.