析湿工况下,翅片管式换热器表面粉尘如何沉

房间空调器用换热器在历久运转历程中表面会积蓄大批的粉尘颗粒物。当换热器处于析湿工况时，翅片表面会产生析湿局势，大气中的粉尘颗粒物会粘附在翅片表面的冷凝水上而构成湿颗粒物污垢。析湿状况下的粉尘堆集量深切于枯燥状况时的堆集量，因而会严峻影响换热机能衰减。

0引言

对于干工况下的颗粒物堆集个性，方今已有较多的熟练与建模研讨。涵盖换热器表面析湿积灰历程的完结办法、湿颗粒物的散布个性、以及湿积灰层对调热器机能的影响三个方面。但未有可用的模子。

粉尘颗粒物在湿翅片表面堆集时，冷凝水首先捕集颗粒物并构成湿积灰层，后续颗粒物将继承粘附在湿积灰层上。颗粒物在湿翅片间的行动要紧受气流曳力影响，部份颗粒物行动至冷凝水表面时将即时被拿获，其余颗粒物有或者产生逃窜。

因而，模仿冷凝水捕集颗粒物的关键是计划颗粒物的行动轨迹，并判定其是不是会传输至冷凝水表面。后续颗粒物与湿积灰层碰撞时，部份入射颗粒物碰撞后既或者堆集在湿积灰层上、也或者从湿积灰层上反弹，而被入射颗粒物碰撞的已堆集湿颗粒物既或者从湿积灰层上移除、也或者坚持停止；影响颗粒物堆集或许移除的要紧要素是入射颗粒物的入射状况和湿积灰层的表面状况。

因而，模仿湿积灰层粘附颗粒物须要别离竖立入射颗粒物的堆集断定前提和已堆集湿颗粒物的移除断定前提。本文的目标是竖立析湿工况下翅片表面颗粒物堆集历程的展望模子，用于描写包含颗粒物被冷凝水捕集、湿积灰层粘附颗粒物这两个物理历程在内的湿颗粒物堆集举动。同时，经过开展湿颗粒物在翅片表面堆集的可视化熟练来考证模子。

1建模方针

析湿工况下粉尘颗粒物在翅片表面堆集的历程，是翅片表面析湿后，空气中的粉尘颗粒物行动传输至湿翅片表面被冷凝水捕集、以及后续的粉尘颗粒物与湿积灰层碰撞后被粘附的历程，如图1所示。为了计划湿翅片表面的粉尘颗粒物堆集原料，须要别离计划被冷凝水捕集的粉尘颗粒物数目、以及被湿积灰层粘附的颗粒物数目。

由于实践大气中的粉尘颗粒物形态多变，为了便于计划，假使颗粒物的形态为球形，且采纳平衡粒径来表征颗粒物的尺寸散布。则湿翅片单位上的颗粒物堆集原料也许用公式(1)来计划。

式中，M(t)是湿翅片上的颗粒物堆集原料，ρp是颗粒物密度，???p是颗粒物的平衡直径，Ndep是湿翅片上的颗粒物堆集总额。

在颗粒物堆集历程的初始阶段，湿翅片上的颗粒物堆集数目Ndep为被冷凝水捕集的颗粒物数目；当冷凝水捕集数目到达最大值时，含尘液滴转折为湿积灰层，后续的颗粒物将继承粘附在湿积灰层上，此时湿翅片上的颗粒物堆集数目Ndep为：

2冷凝水捕集颗粒物的模子

2.1被冷凝水捕集的颗粒物数目

当颗粒物行动至冷凝水表面时，颗粒物将被冷凝水捕集，此时颗粒物中央地方地位???p与冷凝水表面表面地位???w之间的间隔要小于或即是颗粒物的半径，如图2所示。此中，冷凝水表面表面地位???w是经过湿空气析湿模子来计划获得；其计划办法是首先经过该模子计划获得翅片单位表面的冷凝水原料，如公式(15)~(17)所示；而后将流场网格中同时含有液相温和相的网格中央坐标符号出来，便可获得冷凝水的表面表面地位???w。将满意这一前提的颗粒物数目加起来，就也许获得被冷凝水拿获的颗粒物数目Ncap(t)，如公式(3)~(4)所示。

颗粒物的地位???p与速率???p之间的相干如公式(5)所示。此中，颗粒物速率???p的改变是由颗粒物所遭到的气流曳力???D和重力???G所决议的，如公式(6)~(8)所示。此中，公式(8)中涌现的变量Rep和CD可经过Schiller–Naumann相干式来计划获得。

2.2被冷凝水捕集的最大颗粒物数目

冷凝水捕集的最大颗粒物数Ncap_max，表征的是当湿翅片单位上的冷凝水统统满盈颗粒物时所具备的颗粒物数目。为了能类似计划Ncap_max，假使颗粒物规矩陈设且不产生变形。图3给出了满盈颗粒物的冷凝水把持体中的颗粒物堆集方法。该排布下，空隙数与各个空隙内的冷凝水体积之乘积即是未拿获颗粒物的冷凝水体积，如公式(9)所示。

式中，Ni是颗粒物在规矩陈设下的统统颗粒物空隙的数目，Vi是单个颗粒物空隙的体积，mw是冷凝水的原料，ρw是冷凝水的密度。图3所示的单个空隙构造是由8个相邻颗粒物互相联触时组成的，将这8个相邻颗粒物的球心相接可组成一个六面体。此中，该六面体是边长均为???p的正六面体，其体积如公式(10)所示；颗粒物攻下的体积为8个1/8颗粒物体积之和，也即一个颗粒物体积，如公式(11)所示；空隙体积为正六面体的体积减去颗粒物攻下的体积，如公式(12)所示。

按照上述剖析可知，一个数目标颗粒物空隙对应于一个数目标颗粒物。将这类数目对应相干外推到统统满盈颗粒物的冷凝水中，也许类似以为统统颗粒物空隙的数目即是冷凝水中的最大颗粒物数目，如公式(13)所示。

3湿积灰层粘附颗粒物的模子

粘附在湿积灰层上的颗粒物数目即是堆集的入射颗粒物数目减去移除的已堆集湿颗粒物数目，如公式(18)所示：

3.1堆集在湿积灰层上的入射颗粒物数目

入射颗粒物与湿积灰层碰撞时产生反弹的缘故是：入射颗粒物碰撞前的动能较大，碰撞中扣除去能量花费后，也许大于湿积灰层的表面能，使得该入射颗粒物经碰撞后还残余有充裕的能量转折为动能，进而产生反弹。假使颗粒物为弹性体，入射颗粒物与湿积灰层之间的碰撞，可等效为具备原料mp和直径???p的第一个颗粒物球体与具备无限大原料和半径的第二个颗粒物球体之间的碰撞。入射颗粒物在碰撞反弹历程中的能量转折与其碰撞形变相关，如图4所示。

入射颗粒物首先产生弹性形变，其与来往面相联触的地区为弹性形变地区，部份动能转折为弹性势能。当形变超越弹性极限时，颗粒物会产生塑性形变，弹性形变地区转折为塑性形变地区，直至到达最大形变状况；此时颗粒物的动能会进一步转折为塑性势能，且部份动能会因塑性形变而耗散掉。随后颗粒物产生形变复原并从来往面反弹，在摆脱来往面时还会遭到来往面的粘附阻塞效用；此时颗粒物保存的弹性势能和塑性势能在对消掉来往面的表面能后残余的部份将转折为反弹时的动能。

入射颗粒物在碰撞反弹历程中坚持能量守恒。入射颗粒物碰撞前的动能，扣除耗散掉的能量以及来往面的自如能后，转折为反弹时的动能，其能量守恒方程如公式(19)所示。

式中，Qi是入射颗粒物的动能，Qp是入射颗粒物产生塑性形变时的耗散掉的能量，QA,r是湿积灰层的表面能，Qr是颗粒物反弹时的动能。入射颗粒物经碰撞后倘使不产生反弹，则颗粒物的反弹动能Qr为零。且在碰撞形变历程中，由于塑性形变地区的极值处境为入射颗粒物与来往面相联触的地区统统转折为塑性形变地区，因而入射颗粒物在塑性形变历程中的耗散能Qp将不大于统统来往地区全为塑性形变地区时的最大耗散能Qp,max。可获得入射颗粒物产生碰撞反弹时所须要满意的能量相干式前提，如公式(20)所示。

将满意方程(22)的入射颗粒物统统加起来，就也许获得入射颗粒物的堆集数目Nsti(t)，如公式(23)~(24)所示。此中变量vst_cri由方程(25)断定，是为了抒发便利，根据方程(22)所得。

公式(25)中，塑性形变的最大耗散能Qp,max可经过two-body碰撞理论计划获得[Abd-ElhadyMS,RindtCCM,WijersJG,etal.Modellingtheimpactionofamicronparticlewithapowderylayer[J].PowderTechnology,,(3):–.]，如公式(26)所示。湿积灰层的表面能QA,r是由颗粒物与湿积灰层的表面自如能引发的，表征的是来往面间的分子互相分散效用，如公式(27)所示。

式中，σ是表面张力，y是临界弹性载荷，E*是等效杨氏模量，Dfouling是积灰层曲率半径，Fel是临界弹性载荷下的来往力，h是颗粒物与来往面的间隔。

3.2从湿积灰层上移除的已堆集湿颗粒物数目

已堆集湿颗粒物遭到入射颗粒物碰撞时，若遭到的力足以使其摆脱湿积灰层，则将产生移除。因而断定已堆集湿颗粒物可否从湿积灰层上移除，须要剖析来流粒子与被碰撞的已堆集湿颗粒之间的做使劲，以及来流粒子速率的定量影响。单个入射颗粒物与被撞积的已堆集湿颗粒物产生对心碰撞时，入射颗粒物的来往力FC与碰撞历程中的形变相关。

图5示出了形变增大的历程：跟着形变堆叠量δ继承增大,入射颗粒物与已堆集湿颗粒物之间的相对速率Δv继承减小，来往力FC继承增大；当δ到达最大值δmax时，Δv减小为零，此时FC到达最大值FC(δmax)。FC与δ的相干如公式(28)所示，由弹性力学中对于两球来往压力的理论[RamadanA,SkalleP,JohansenST.Amechanisticmodeltodeterminethecriticalflowvelocityrequiredtoinitiatethemovementofsphericalbedparticlesininclinedchannels[J].ChemicalEngineeringScience,,58(10):–.]获得。

入射颗粒物在碰撞形变中满意的动能定理如公式(29)所示；碰撞前的速率vi可分解为法向速率vi,n和切向速率vi,t，如公式(30)~(31)所示。将公式(28)代入到公式(31)中，可得δmax的抒发式如公式(32)所示；再将公式(32)代入到公式(28)中，便可获得FC(δmax)与vi之间的相干式如公式(33)所示。

式中，η是泊松系数。已堆集湿颗粒移除断定前提为，唯有在法向或切向方位上该颗粒物遭到的最大来往力大于其余做使劲的协力，即满意公式(34)或(35)中的一个。

将公式(30)和(33)代入到公式(34)中，并将公式(31)和(33)代入到公式(35)中，可获得当已堆集湿颗粒物产生移除时，入射颗粒物的法向和切向碰撞速率须要满意的前提，如公式(36)~(37)所示。

将满意方程(36)或(37)的入射颗粒物的数目统统加起来，此数目即为已堆集湿颗粒物的移除量Nrem(t)，如方程(38)和(39)所示。此中变量vre_cri,n和vre_cri,t由方程(40)和(41)断定，是为了抒发便利，根据方程(36)和(37)所得。

式中，??jR是已堆集湿颗粒物移除的或者性，vre_cri,n是法向临界移除速率，vre_cri,t是切向临界移除速率。

公式(40)~(41)中，升力FL由积灰层内部滚动滞止区的速率梯度引发[28]，如公式(42)所示。液桥力FLB由湿颗粒间液桥的吸引效用引发，如公式(43)所示。气流曳力FD须要快要湿积灰层表面的气流速率散布的影响斟酌在内，如公式(44)所示。

式中，rw是颗粒物潮湿半径，由湿积灰层中的含湿量决议；dc是被液桥连结的相邻颗粒物之间的间隔；VLB是液桥体积。

4熟练考证及结局剖析

4.1熟练台与样件

模子考证在已有的熟练台长举行，该熟练台包含湿空气产生系统、粉尘喷发系统、可视化测试段以及称重系统。经过该可视化熟练台也许拍照换热器翅片表面湿积灰层的描写散布特点并衡量获得换热器翅片表面湿积灰层的分量。换热器样件拔取为涟漪翅片管式换热器测试样件，详细构造参数如表1所示。

换热器表面湿积灰层的分量可经过计划换热器样件积尘先后的分量改变来获得，其计划公式为：

式中，R是换热器样件表面的单位面积湿积灰层分量，mbefore是积尘前的换热珍视量，mafter是积尘后的换热珍视量，Aair是换热器的空气侧面积。

4.2模子考证

拔取与熟练测试样件具备一致构造参数的涟漪翅片管换热器做为模仿方针，并将本文模子嵌入到FLUENT软件中举行模仿。

模仿中的界线前提配置为：出口面为气流速率出口、并配置为颗粒物喷发口；出口面配置为压力出口界线。

模仿中的模子配置处境为：采纳RNGk-ε模子来模仿湿翅片间的流场；采纳多组分模子来配置湿空气的相对湿度；采纳曳力模子来计划颗粒物的行动轨迹；冷凝水捕集颗粒物的模子以及湿积灰层粘附颗粒物的模子则别离以用户自界说函数(UDF)方式导入到翅片界线前提上；颗粒物堆集原料的计划则是经过点窜宏函数DEFINE_DPM_EROSION来完结。

采纳的模仿工况和熟练工况参数涵盖相对湿度为RH=50%~90%、气流出口速率为vg=0.5~3.5ms-1、颗粒物浓度为c=2.1~10.8gm-3以及颗粒物喷发时光为0~10min。模仿历程中对于相对湿度参数的配置是经过配置多组分模子中的出口水气组分占近来完结的；对于颗粒物浓度参数的配置是经过配置颗粒物喷发出口界线前提中的颗粒物资量流量来完结的。颗粒物的属性选为要紧成份为SiO2的粉尘颗粒物，详细的物性参数如表2所示。

对模仿中的网格无关性举行了考证。对于界线层网格，取第一层网格巨细为0.mm，网格层数为6层，网格成长率为1.2，可充足反响翅片表面冷凝水和湿积灰层的成长。对于流场网格，顺次拔取了0.3mm、0.2mm、0.08mm和0.06mm这四种网格巨细来计划流场中的平衡Darcy磨擦因子；结局说明当流场网格巨细由0.08mm减小为0.06mm时，平衡Darcy磨擦因子的改变幅度小于1%，故拔取流场网格巨细为0.08mm。

图6给出了展望的翅片表面湿积灰层散布结局与熟练结局之间的对照，可知在三个不同时间下模仿结局与熟练结局之间的相符度较好。图7给出了展望的单位面积颗粒物堆集原料R与熟练结局之间的定量比较，也许看出本模子展望的单位面积颗粒物堆集原料与91%的熟练数据之间的过失在±20%之间，平衡过失为11.8%。上述模仿结局与熟练结局之间的比较说明，本文所开垦的模子也许用于展望析湿工况下翅片表面的颗粒物堆集历程，模子精度的实用规模涵盖相对湿度RH=50%~90%、气流出口速率vg=0.5~3.5ms-1、颗粒物浓度c=2.1~10.8gm-3以及颗粒物喷发时光0~10min。

5论断

（1）湿翅片表面的颗粒物堆集历程包含冷凝水捕集颗粒物、以及湿积灰层粘附颗粒物；经过统计被冷凝水捕集和被湿积灰层粘附的颗粒物数目，可计划获得湿翅片上颗粒物堆集原料。

（2）被冷凝水捕集的颗粒物数目可经过统计行动轨迹与冷凝水表面表面订交的入射颗粒物的数目来获得；入射颗粒物的行动轨迹由湿翅片间的曳力决议，可经过竖立颗粒物行动方程来计划。

（3）被湿积灰层粘附的颗粒物数目即是碰撞后产生堆集的入射颗粒物数目减去经碰撞后产生移除的已堆集湿颗粒物数目，由入射颗粒物堆集断定前提和已堆集湿颗粒物移除断定前提来获得。

（4）将湿的涟漪翅片上的颗粒物堆集历程数值模仿结局与熟练数据举行了比较，结局显示展望的湿积灰层形态与熟练相片之间的相符度较好，展望的单位面积颗粒物堆集原料与91%的熟练数据之间的过失在±20%之间，平衡过失为11.8%。

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