热湿空气吹扫低温固体表面冷凝判断依据

陈达南，邓立生，陈捷超，车哲述，周友

（1.中国科学院广州能源研究所，广州，510640；2.东莞理工学院，东莞，523808；3.南方海洋科学与工程广东省实验室（广州），广州，511458; 4.北京低碳清洁能源研究院，北京，102211）

低温高湿环境下固体表面出现冷凝和结霜现象很常见，普遍存在于低温储存、制冷和低温工程、输电线路、航空航天等领域［1-2］。金属表面冷凝水和空气的共同作用，容易出现腐蚀和滋生细菌和微生物，影响设备的使用寿命，给设备的稳定安全运行带来隐患［3］。此外，水蒸汽凝结形成的露和霜会增加传热热阻，降低换热器的效率，从而浪费大量的能源［4］。近年来低温天气频发，包括中国在内的许多国家的基础设施遭受破坏，造成巨大损失。因此，如何有效地防止固体表面的冷凝和结霜成为了迫切的问题。

湿热空气冷凝是传热传质的过程，水蒸气分压力与液膜温度对应的饱和水蒸气压力之差就是凝结推动力［5］。

徐向华等人［6］通过建立凝结液膜厚度模型对载人航天器中空气冷凝换热器进行冷凝分析，获得了膜状凝结时液膜厚度和速度的分布，结果表明冷凝器存在最大去湿流量。

房正［7］对用于烟道气热回收的热管中冷凝传热过程进行实验研究，结果表明水蒸气的冷凝液量和对流冷凝传热系数随水蒸气体积分数及加湿热空气的雷诺数的增加而增加,随空气入口温度的增加而减小。朱峰等［8］在分析烟气冷凝换热器时采用了三种新型的防腐表面处理，结果表明，烟气在不同防腐表面上冷凝换热强弱不同，换热表面的改性可强化烟气冷凝换热。牛泽圣等［9］对采用抛光和镀铬两种竖直圆管进行了冷凝换热实验研究，实验发现，在纯蒸汽工况下，两种换热管冷凝换热系数均随过冷度的增大而降低，抛光管的冷凝换热系数随压力的增大而增大，镀铬管的冷凝换热系数随压力的增大而减小。

周梦等［10］采用Fluent软件分别对空气-水蒸气混合气体的冷凝换热进行了数值模拟，水蒸气冷凝的相变模型采用Knudsen相变系数模型，结果表明，传热系数随混合气体中空气质量分数的增加而降低，随混合气体流速的增大而升高。边浩志等［11］采用数值模拟的方法定量考察气体流速、壁面过冷度、换热面高度和气体压力对含空气蒸汽冷凝换热的影响，主流流速和壁面过冷度分别为0.1～3m/s和4 ℃～50 ℃，研究表明，在主流流速小于0.5m/s的自然对流主导区内，冷凝换热系数几乎不受速度的影响。

上述的研究结果分析了冷凝传热性能与各影响因素之间的量化关系，这对进一步认识含空气蒸汽冷凝现象有一定的指导意义。目前的研究中，对于膜状冷凝、珠状冷凝的形成原理研究较广泛［12］，对于冷凝起始的临界点的分析相对较少。本文通过分析固体壁面形状、空气温湿度、流速等因素，定量分析各因素改变是的冷凝临界判据。

1 物理数学模型

湿空气横掠低温圆管和正方形表面冷凝的物理模型如图1所示，为了简化模型，仅计算x对称轴上半空间。其中矩形湿空气区域左进右出，长为50cm，宽为20cm。为了简化分析作如下假定：（1）流动的流动为二维；（2）不考虑流体自身重力的影响；（3）流体不可压缩的牛顿性流体；（4）边界条件中上下边界为无滑移壁面；（5）粘性耗散产生的耗散热忽略不计；（6）系统内流体流动状态为湍流流动，假定系统内各处的流动均为完全湍流流动。

图1 湿空气横掠低温圆管(a)和正方形(b)表面物理模型

空气-水蒸气混合气体与液体水的两相流计算需遵循质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，而湿空气和液态水的物性量是温度的函数［13-14］，且速度分布与温度分布相互耦合，模拟冷凝相变传热传质需添加冷凝质量源项［15］：

固体表面温度用表达式为：

时长设定为20分钟，圆管表面冷凝开始的时刻对应的表面温度为冷凝临界点。雷诺平均方法可计算高雷诺数的复杂流动，但不能反映流场紊动的细节信息。本文研究对象为热湿空气吹扫固体表面的过程，不需要详尽的流场细节，因而采用RANS计算方法［16］。

为了验证网格的独立性，选用圆管直径为6 cm的模型，初始进口空气的相对湿度为0.8，进口温度为293.15 K，进口速度为1m/s。分别构建网格数为8452、13143和25684的三种网格。图2表明采用三种网格计算得到的冷凝情况非常接近，综合考虑计算时间成本和精度，选择网格数为13143进行后续模拟。

图2 三种网格精细度时圆管表面的冷凝情况

2 结果与分析

2.1 不同直径距圆管表面的冷凝情况

图3为在空气进口温度为293.150 K、进口速度为1m/s和进口相对湿度为80%情况下，各圆管直径距下通过探针图。由图可知，在圆管直径分别为3cm、6cm和9cm时，冷凝时长分别为12.935 min、12.980min和12.935min。结合式（2）可得，三种直径圆管表面冷凝临界点均为293.075K，说明圆管直径不是引起表面冷凝的主要因素。

图3 圆管表面的冷凝情况

图4为圆管直径6cm时，在冷凝开始前、后1分钟的温度、相对湿度云图及流线图，图中上下半部分别为温度和湿度云图。由图可知，在冷凝前后流场内的流线在圆形右半圆表面外形成两个对称的涡旋；越靠近圆管表面位置，温度和相对湿度越低。在相同区域，冷凝前的温度比冷凝后高，而冷凝前的相对湿度比冷凝后的低。

图4 时间为5.620 min和5.820 min时圆管表面温度、相对湿度云图及流线图

2.2 不同边长正方形表面的冷凝判据

由图5可知，进口温度均为293.150K、进口速度均为1m/s和进口相对湿度为80%情况下，正方形边长为3cm、6cm和9cm时冷凝时长分别为13.493min、13.483min和13.241min，结合式（2）可求出冷凝临界点分别为293.078K、293.078K和293.075K。临界点温度基本相同，说明正方形边长对冷凝临界点的影响很小，不是引起正方形表面冷凝的主要因素。

图5 正方形表面的冷凝情况

图6为正方形边长6cm时，在冷凝开始前、后1分钟的温度、相对湿度云图及流线图。由图可知，在正方形右边表面外形成堆成的大涡旋，且越靠近正方形表面位置的温度越低，在相同区域，冷凝前的温度比冷凝后高；而越靠近正方形表面位置的相对湿度越低，在相同区域，冷凝前的相对湿度比冷凝后的相对湿度低。

图6 正方形表面冷凝云图

2.3 进口相对湿度

对进口温度为293.150K、进口速度为1m/s和直径为6cm圆管进行冷凝分析。进口相对湿度分别为70%时圆管表面不出现冷凝。而在进口相对湿度分别为75%、80%、85%和90%时，它们圆管表面冷凝开始时间分别为9.120min、5.720min、3.920min和2.520min，冷凝结束时间分别为11.700 min、18.700min、16.520min和17.920min。结合式（2），可得表1所示的各进口空气相对湿度冷凝临界点。由表1可得知，进口相对湿度为75%、80%、85%和90%时它们冷凝临界点分别为293.031K、293.075K、293.099K和293.117K，因为它们冷凝临界点温度差异较大，所以说明进口相对湿度对冷凝临界点的影响较大。

表1 进口相对湿度对冷凝临界点的影响

2.4 进口湿空气温度

对七组进口空气温度为进行冷凝分析，结果表明，进口温度为288.150K、290.150K、291.150 K时圆管表面不出现冷凝。进口温度为288.150 K时冷凝探针值为0；而290.150K时的冷凝探针出现一个值小于1的波峰，如图7（a）。当进口空气温度分别为292.150K和293.150K时，圆管表面冷凝时长分别为4.780min、13.180min，其中，进口空气温度为292.150K的冷凝探针曲线如图7（b）所示；而当进口空气温度大于298.150K时，圆管表面持续出现冷凝，探针直为1。

图7 不同进口空气温度时圆管表面的冷凝情况

对于进口空气温度低于291.15K时或高于298.15K时圆柱表面不冷凝，因为冷凝临界点不在固体表面温度变化区间内。综上，进口空气温度是引起固体表面冷凝的主要因素之一。

3 结论

本文采用COMSOL软件分析了固体表面湿空气冷凝的临界点，分析了固体表面的形状尺寸、进口空气相对湿度和温度对固体表面冷凝情况的影响，得出结论如下：在进口温度、相对湿度和速度相同情况下，不同直径距的圆管表面和不同边长的正方形表面的冷凝临界点相差很小，固体表面的形状尺寸不是影响表面冷凝的主要因素。空气的相对湿度和温度是影响表面冷凝的主要元素，空气相对湿度越大冷凝临界点越高，反之越低；进口温度越大冷凝临界点越高，反之越低。