蒸汽压缩蒸馏装置共轭传热过程的数值模拟*

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。

双星行星机构的装配条件与单星行星机构的装配条件推导方法相似,同样设沿圆周均布nb组行星齿轮,则相邻行星轮组之间间隔的角度应为δH=2π/nb.假设在Ⅰ-Ⅰ位置装入第1组行星轮,为了在间隔δH的角度装入第2组行星轮,需要固定齿圈,将行星架转过δH,则Ⅰ-Ⅱ占据了Ⅰ-Ⅰ的位置.此时,太阳轮也随之转过一个相应的角度αS,太阳轮的整数齿相位约束条件可表示为αS=2Nπ/ZS(N为整数),如图5所示.

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

其中：Ek为第k项的能量转移，为第k项的速度，hk为第k相的显焓；n为相数；T为温度；keff为有效热传导率；SE为体积热源。

  

图3 VCD装置网格模型

 

表1 尿液的物性参数

  

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

求解时运用离散的隐式方法，选取Realizable k-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。

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。

(ρm)+

(1)

(4)加强数据管理，实现信息共享。构建多级地下水数据库系统，包括：基础信息数据库、实时监测信息数据库、整编数据库、分析成果数据库、试验信息数据库、图形与空间数据库[14]等。同时考虑随着城镇化进一步加快，生态文明建设进一步推进，对地下水环境治理工作也必然会加快步伐，多部门间联动磋商机制正在形成，建立一个数据共享服务平台势在必行[15]，不仅服务于国土资源部门，也可以实现信息的共享，避免重复建设带来的浪费，更好地为政府管理决策提供科学支撑，也可为社会公众提供及时的信息服务。

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。

p+ρmg+F+[μm(vm+

(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。

三是提高防汛抗旱应急能力。加快推进国家防汛抗旱指挥系统二期工程建设，提高防汛抗旱现代化水平。抓好防洪减灾预案体系建设，进一步健全“防、抢、撤、救”各项预案，形成“纵向到底、横向到边”的预案体系，建立快速、高效、有序的应急响应机制。完善全国水文站网体系，加强雨情水情预测预报，建立旱情监测预警和决策支持系统，提高水旱灾害预报预警的超前性、准确性。加强防汛抗旱服务体系建设，完善专业防汛抗旱队伍、民防队伍和解放军、武警部队四位一体的防汛抗旱减灾机制，做好防汛抗旱物资储备，增强防汛抗旱应急保障能力。

2．2 病例组和对照组Gesell神经心理发育测查结果的比较 将两组Gesell测查各能区的测试结果按照“正常”、“边缘”和“轻度发育迟缓”进行分类比较，可见两组五个能区经χ2检验，差异无统计学意义（P值均＞0．05）。见表1。

(3) 能量方程：

(keffT)+SE.

其中：vm为质量平均速度；ρm为混合密度；为用户定义的质量源的质量传递。

(3)

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。

2.2 计算方法及边界条件

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：

(2) 动量方程:

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)。

近年来，随着纳米材料的日渐兴起，科学工作者利用其优良的理化性质及生物学特性，将功能化的纳米探针用于食源性致病菌的快速检测，使其具有广阔的应用前景。刘慧玲等(2017)[37]将二氧化硅磁纳米材料与肠炎沙门氏菌多克隆抗体相结合，制备纳米探针，将其与带有荧光标记的肠炎沙门氏菌相结合，并与荧光显微镜和流式细胞术相结合用来检测食源性肠炎沙门氏菌，结果表明荧光显微镜视野中探针捕获细菌浓度与肠炎沙门氏菌的浓度成正比，实现了肠炎沙门氏菌可视化及定性检测，增加了食源性致病菌快速检测的多样性。

(1) 连续方程：

  

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。

将脆弱性mvul的变换周期记为interval，根据定义3，interval=min{Δti}.将该脆弱性的变换空间记为W，根据笛卡尔积定义，W=P1×P2×…×Pn，将W大小记为|W|，则|W|=|P1|·|P2|·…·|Pn|，其中|Pi|(1≤i≤n)为第i个属性的值域空间大小.

  

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。

我们和孩子之间到底隔着多远的距离？我们有多久没俯下身子跟孩子好好说话？听孩子表达的时候有没有真正听懂？因为没听懂又给孩子贴错过多少标签？孩子的头上戴着我们多少“想当然”的帽子？

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.