地鐵站全膜流板式蒸發(fā)冷卻器傳熱傳質(zhì)機理及優(yōu)化策略研究一、緒論1.1研究背景與意義1.1.1研究背景隨著城市化進程的加速，城市人口不斷增長，交通擁堵問題日益嚴重。地鐵作為一種高效、便捷、環(huán)保的城市軌道交通方式，在現(xiàn)代城市交通體系中扮演著至關重要的角色。目前，全世界已有60多個國家近200座城市建成了地鐵網(wǎng)絡系統(tǒng)，我國也在大力發(fā)展軌道交通，眾多城市紛紛投身于地鐵建設之中。地鐵站通常位于地下，具有相對封閉的空間結(jié)構(gòu)。在運營過程中，站內(nèi)會產(chǎn)生大量的熱量，如列車運行產(chǎn)生的熱量、設備運行散發(fā)的熱量以及乘客人體散發(fā)的熱量等。同時，由于地下環(huán)境的特殊性，空氣濕度往往較高。這種高溫高濕的環(huán)境不僅會給乘客帶來不舒適的體驗，影響其出行的愉悅感，還可能對站內(nèi)設備的正常運行產(chǎn)生不利影響，縮短設備的使用壽命，增加設備維護成本。例如，高溫可能導致電子設備過熱死機，高濕環(huán)境可能引發(fā)設備的腐蝕和短路等故障。為了改善地鐵站的室內(nèi)環(huán)境，為乘客和設備提供適宜的溫濕度條件，空調(diào)系統(tǒng)成為地鐵站不可或缺的組成部分。而冷卻設備作為空調(diào)系統(tǒng)的關鍵部件，其性能直接影響著空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果和能耗。傳統(tǒng)的地鐵站空調(diào)系統(tǒng)多采用在站臺地面上設置冷卻塔的方式來實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)冷卻水的降溫。然而，這種設置方式存在諸多弊端。一方面，冷卻塔的外觀通常較為龐大且缺乏美觀性，設置在地面上會破壞城市景觀，與周圍的城市環(huán)境顯得格格不入，難以滿足現(xiàn)代城市對美觀和協(xié)調(diào)性的要求。另一方面，室外安裝冷卻塔需要與建筑進行多方面的協(xié)調(diào)，包括承重、補水、供電等問題，這無疑增加了工程的協(xié)調(diào)難度和復雜性，延長了工程的建設周期，提高了建設成本。鑒于傳統(tǒng)冷卻塔在地鐵站應用中存在的問題，研制一種適用于地鐵站的專用冷卻器來替代地面冷卻塔具有重要的現(xiàn)實意義。全膜流板式蒸發(fā)冷卻器作為一種新型的高效換熱設備，將板式換熱器與蒸發(fā)冷卻技術相結(jié)合，具有高效節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小等優(yōu)點，為解決地鐵站冷卻塔設置問題提供了新的思路和方案。然而，在地鐵站等復雜環(huán)境下，全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)機理尚未得到深入系統(tǒng)的研究，其在實際應用中的性能優(yōu)化和運行控制還缺乏堅實的理論基礎。因此，開展地鐵站全膜流板式蒸發(fā)冷卻器傳熱傳質(zhì)機理的研究迫在眉睫。1.1.2研究意義本研究對地鐵站全膜流板式蒸發(fā)冷卻器傳熱傳質(zhì)機理展開深入探究，具有多方面的重要意義。從改善地鐵站環(huán)境角度來看，通過深入研究全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)機理，可以優(yōu)化其設計和運行參數(shù)，提高冷卻效率，有效降低地鐵站內(nèi)的溫度和濕度。這將為乘客創(chuàng)造一個更加舒適的候車和乘車環(huán)境，提升乘客的出行體驗，減少因高溫高濕環(huán)境引起的不適和健康問題。同時，適宜的環(huán)境條件也有利于站內(nèi)設備的穩(wěn)定運行，降低設備故障率，延長設備使用壽命，減少設備維護和更換成本，保障地鐵系統(tǒng)的安全、可靠運行。從推動蒸發(fā)冷卻技術發(fā)展層面而言，目前蒸發(fā)冷卻技術在地鐵站等復雜環(huán)境下的應用研究還相對較少，全膜流板式蒸發(fā)冷卻器在該領域的傳熱傳質(zhì)理論尚不完善。本研究將豐富和完善蒸發(fā)冷卻技術在地鐵站環(huán)境下的傳熱傳質(zhì)理論體系，為該技術在地鐵站及其他類似地下空間的廣泛應用提供堅實的理論支撐。通過對全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的研究，還可以進一步探索蒸發(fā)冷卻技術的應用潛力和發(fā)展方向，推動蒸發(fā)冷卻技術的創(chuàng)新和進步，促進其在更多領域的推廣和應用，為實現(xiàn)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展目標做出貢獻。此外，本研究成果對于指導地鐵站全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的設計、選型和運行管理具有重要的工程應用價值，有助于提高地鐵空調(diào)系統(tǒng)的整體性能和運行效率，降低系統(tǒng)能耗，為地鐵工程的建設和運營提供更加科學、合理的技術方案。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1蒸發(fā)冷卻技術研究進展蒸發(fā)冷卻技術作為一種利用水蒸發(fā)吸熱原理實現(xiàn)冷卻的技術，具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟等諸多優(yōu)點，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的關注和研究。其發(fā)展歷程可追溯到20世紀初，當時一些科學家開始探索利用水蒸發(fā)來降低空氣溫度的方法。隨著時間的推移，蒸發(fā)冷卻技術不斷發(fā)展和完善，應用領域也逐漸擴大。在國外，美國、日本、英國、俄羅斯等國家在蒸發(fā)冷卻技術的研究和應用方面處于領先地位。早在20世紀60年代，美國就開始將蒸發(fā)冷卻技術應用于數(shù)據(jù)中心等領域，以降低設備的冷卻能耗。日本在蒸發(fā)冷卻技術的研究中注重與其他技術的結(jié)合，如將蒸發(fā)冷卻與制冷技術相結(jié)合，開發(fā)出了高效的復合式空調(diào)系統(tǒng)。英國則在蒸發(fā)冷卻設備的設計和制造方面具有較高的水平，其研發(fā)的蒸發(fā)冷卻器在性能和可靠性方面表現(xiàn)出色。俄羅斯在蒸發(fā)冷卻技術的理論研究方面取得了不少成果，為該技術的發(fā)展提供了堅實的理論基礎。近年來，隨著全球?qū)?jié)能減排的關注度不斷提高，蒸發(fā)冷卻技術在國外的應用范圍進一步擴大。在建筑領域，許多國家開始采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)的機械制冷空調(diào)系統(tǒng)，以降低建筑能耗。在工業(yè)領域，蒸發(fā)冷卻技術也被廣泛應用于各種工業(yè)生產(chǎn)過程中的冷卻環(huán)節(jié)，如化工、電力、冶金等行業(yè)。例如，在化工生產(chǎn)中，蒸發(fā)冷卻技術可用于冷卻反應釜、冷凝器等設備，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在國內(nèi)，蒸發(fā)冷卻技術的研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速。我國西北地區(qū)由于其獨特的氣候條件，空氣干燥，夏季室外空調(diào)計算濕球溫度較低，為蒸發(fā)冷卻技術的應用提供了得天獨厚的條件。從20世紀80年代開始，我國科研人員就開始對蒸發(fā)冷卻技術進行研究，并在西北地區(qū)開展了一系列的應用實踐。經(jīng)過多年的努力，我國在蒸發(fā)冷卻技術的理論研究、設備研發(fā)和工程應用等方面都取得了顯著的成果。目前，我國在蒸發(fā)冷卻技術的研究方面已經(jīng)形成了較為完善的理論體系，在蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的設計、優(yōu)化和控制等方面取得了重要進展。同時，國內(nèi)的科研機構(gòu)和企業(yè)也加大了對蒸發(fā)冷卻設備的研發(fā)投入，開發(fā)出了一系列具有自主知識產(chǎn)權的蒸發(fā)冷卻設備，如直接蒸發(fā)冷卻器、間接蒸發(fā)冷卻器、復合式蒸發(fā)冷卻器等。這些設備在性能和質(zhì)量上已經(jīng)達到或接近國際先進水平，并在國內(nèi)的建筑、工業(yè)等領域得到了廣泛的應用。例如，在新疆地區(qū)，許多大型商場、體育場館等建筑都采用了蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，取得了良好的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。除了在傳統(tǒng)領域的應用，我國還在不斷拓展蒸發(fā)冷卻技術的應用范圍。近年來，蒸發(fā)冷卻技術在地鐵、數(shù)據(jù)中心等新興領域的應用研究也取得了一定的成果。例如，在地鐵站中，采用蒸發(fā)冷卻技術可以有效地降低站內(nèi)的溫度和濕度，改善乘客的候車環(huán)境，同時還可以降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。在數(shù)據(jù)中心中，蒸發(fā)冷卻技術可用于冷卻服務器等設備，提高數(shù)據(jù)中心的能源效率和可靠性。1.2.2全膜流板式蒸發(fā)冷卻器研究現(xiàn)狀全膜流板式蒸發(fā)冷卻器作為一種新型的蒸發(fā)冷卻設備，將板式換熱器與蒸發(fā)冷卻技術相結(jié)合，具有高效節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小等優(yōu)點，近年來受到了國內(nèi)外學者的廣泛關注。在國外，一些學者對全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)性能進行了研究。通過實驗和數(shù)值模擬的方法，分析了氣液流速、溫度、濕度等因素對傳熱傳質(zhì)系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明，全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)性能受多種因素的影響，其中氣液流速和溫度對傳熱傳質(zhì)系數(shù)的影響較為顯著。同時，國外學者還對全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行了研究，提出了一些改進措施，如優(yōu)化板片結(jié)構(gòu)、調(diào)整布液器設計等，以提高設備的傳熱傳質(zhì)效率。在國內(nèi)，隨著對蒸發(fā)冷卻技術研究的不斷深入，全膜流板式蒸發(fā)冷卻器也逐漸成為研究熱點。國內(nèi)學者在全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的基礎理論研究、實驗研究和工程應用等方面都取得了一定的成果。在基礎理論研究方面，通過建立數(shù)學模型，對全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)過程進行了深入分析，探討了傳熱傳質(zhì)機理。在實驗研究方面，搭建了實驗平臺，對全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的性能進行了測試和分析，研究了不同工況下設備的傳熱傳質(zhì)性能和運行特性。例如，通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，液膜厚度、空氣流速和水溫等因素對全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的換熱系數(shù)有較大影響。在工程應用方面，全膜流板式蒸發(fā)冷卻器已經(jīng)在一些領域得到了應用，如地鐵站、工業(yè)冷卻等。通過實際應用案例的分析，驗證了全膜流板式蒸發(fā)冷卻器在實際工程中的可行性和優(yōu)越性。然而，目前全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的研究仍存在一些不足之處。一方面，雖然對其傳熱傳質(zhì)性能的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但在復雜工況下，如地鐵站內(nèi)的高溫高濕、通風條件復雜等情況下，其傳熱傳質(zhì)機理還需要進一步深入研究。另一方面，全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的優(yōu)化設計和運行控制方面還存在一些問題，需要進一步開展研究，以提高設備的性能和可靠性，降低運行成本。此外，全膜流板式蒸發(fā)冷卻器在實際應用中的長期運行穩(wěn)定性和維護管理等方面也需要進一步關注和研究。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入探究地鐵站全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)機理，具體研究內(nèi)容如下：傳熱傳質(zhì)機理研究：通過理論分析，深入剖析全膜流板式蒸發(fā)冷卻器內(nèi)氣液兩相的傳熱傳質(zhì)過程，明確熱量和質(zhì)量傳遞的方式、路徑以及相互作用機制。建立詳細的數(shù)學模型，對傳熱傳質(zhì)過程進行定量描述，為后續(xù)研究提供理論基礎。影響因素分析：全面研究氣液流速、溫度、濕度、液膜厚度等因素對全膜流板式蒸發(fā)冷卻器傳熱傳質(zhì)性能的影響。通過改變這些因素的數(shù)值，觀察傳熱傳質(zhì)系數(shù)、換熱量等性能指標的變化規(guī)律，確定各因素的影響程度和作用方式。熱力學模型建立：基于傳熱傳質(zhì)機理和影響因素分析，構(gòu)建適用于地鐵站全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的熱力學模型。該模型能夠準確預測在不同工況下冷卻器的性能參數(shù)，為設備的設計、優(yōu)化和運行提供理論依據(jù)。實驗驗證與分析：搭建全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的實驗平臺，模擬地鐵站的實際工況，對理論研究結(jié)果進行實驗驗證。通過實驗數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果的對比分析，驗證熱力學模型的準確性和可靠性，進一步完善傳熱傳質(zhì)理論。1.3.2研究方法為了實現(xiàn)研究目標，本研究將采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法：理論分析：運用傳熱學、傳質(zhì)學、流體力學等相關學科的基本原理，對全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)過程進行深入的理論推導和分析。建立數(shù)學模型，求解模型方程，得到傳熱傳質(zhì)系數(shù)、溫度分布、濃度分布等關鍵參數(shù)的理論表達式，從理論層面揭示傳熱傳質(zhì)機理。數(shù)值模擬：利用計算流體力學（CFD）軟件，如ANSYSFluent、COMSOLMultiphysics等，對全膜流板式蒸發(fā)冷卻器內(nèi)的氣液兩相流動和傳熱傳質(zhì)過程進行數(shù)值模擬。通過建立三維模型，設置合理的邊界條件和初始條件，模擬不同工況下的流動和傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，得到詳細的流場、溫度場和濃度場分布信息。數(shù)值模擬可以彌補理論分析的局限性，能夠處理復雜的幾何形狀和邊界條件，為實驗研究提供指導和參考。實驗研究：設計并搭建全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的實驗平臺，包括實驗裝置、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。實驗裝置應能夠模擬地鐵站的實際工況，如氣液流速、溫度、濕度等條件。測量系統(tǒng)采用高精度的傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等，對實驗過程中的關鍵參數(shù)進行實時測量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C進行處理和分析。通過實驗研究，獲取實際工況下的傳熱傳質(zhì)數(shù)據(jù)，驗證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，為設備的優(yōu)化設計提供實驗依據(jù)。二、全膜流板式蒸發(fā)冷卻器系統(tǒng)概述2.1系統(tǒng)構(gòu)成全膜流板式蒸發(fā)冷卻器系統(tǒng)主要由板式蒸發(fā)換熱器和全膜流蒸發(fā)布液器等關鍵部件組成，各部件協(xié)同工作，實現(xiàn)高效的蒸發(fā)冷卻過程。2.1.1板式蒸發(fā)換熱器板式蒸發(fā)換熱器是全膜流板式蒸發(fā)冷卻器系統(tǒng)的核心換熱部件，其結(jié)構(gòu)設計獨特，由一系列具有特定波紋形狀的金屬板片疊裝而成。這些板片通常采用不銹鋼、鋁合金等導熱性能良好且耐腐蝕的金屬材料制成。不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性和強度，能夠在潮濕、有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中穩(wěn)定工作，確保設備的長期可靠運行；鋁合金則具有密度小、導熱性好的特點，可減輕設備重量，同時保證良好的換熱性能。板片之間形成薄矩形通道，這些通道分為兩個相互獨立的流體通道，分別用于通過待冷卻的熱流體和蒸發(fā)冷卻介質(zhì)（通常為水）。在制冷、化工等領域，板式蒸發(fā)換熱器被廣泛應用于各種熱交換過程。在制冷系統(tǒng)中，它可用于制冷劑與冷卻介質(zhì)之間的熱量交換，實現(xiàn)制冷劑的冷凝或蒸發(fā)，從而為系統(tǒng)提供冷量。在化工生產(chǎn)中，它可用于各種工藝流體的冷卻、加熱或冷凝，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。其工作原理基于間壁式傳熱，熱流體和冷卻介質(zhì)在各自的通道內(nèi)流動，通過板片進行熱量交換。當熱流體流經(jīng)板片一側(cè)通道時，其攜帶的熱量傳遞給板片，板片再將熱量傳遞給另一側(cè)通道內(nèi)的冷卻介質(zhì)。在蒸發(fā)冷卻過程中，冷卻介質(zhì)（水）在板片表面形成薄水膜，水膜吸收熱流體的熱量后部分蒸發(fā)，從而帶走大量的潛熱，實現(xiàn)對熱流體的高效冷卻。板片的波紋形狀能夠增強流體的湍流程度，提高傳熱系數(shù)，使熱量傳遞更加迅速和有效。同時，相鄰板片的波紋形成接觸抗點，提高了設備的耐壓性能。2.1.2全膜流蒸發(fā)布液器全膜流蒸發(fā)布液器的構(gòu)造較為復雜，主要包括進液管、布液管、暫存腔、攪拌組件、噴孔和控制組件等部分。進液管用于將冷卻介質(zhì)引入布液器，布液管則負責將冷卻介質(zhì)均勻地分布到各個噴孔。暫存腔用于暫時儲存冷卻介質(zhì)，攪拌組件設置在暫存腔內(nèi)，當冷卻介質(zhì)進入暫存腔時，由于其具有一定的動能，會帶動攪拌組件對暫存腔內(nèi)的冷卻介質(zhì)進行攪拌，使冷卻介質(zhì)在暫存腔內(nèi)分布更加均勻。噴孔開設在布液器本體上，與暫存腔相連通，經(jīng)過攪拌均勻的冷卻介質(zhì)通過噴孔噴出，在板式蒸發(fā)換熱器的板片表面形成均勻的液膜。控制組件能夠自動感應冷卻介質(zhì)的進料速度，并根據(jù)進料速度控制噴孔的尺寸，使得從噴孔噴出的冷卻介質(zhì)更加均勻，從而保證液膜的厚度均勻，有利于提高蒸發(fā)冷卻效率。為了實現(xiàn)均勻布膜，全膜流蒸發(fā)布液器采用了多種技術手段。在布液管的設計上，通過合理布置布液管的位置和角度，以及優(yōu)化布液管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如在布液管內(nèi)壁設置凸起或特殊的導流結(jié)構(gòu)，可有效減緩冷卻介質(zhì)的流速，使冷卻介質(zhì)在布液管內(nèi)分布更加均勻，進而通過噴孔均勻地噴灑在板片表面。在噴孔的設計上，噴孔的形狀、尺寸和排列方式都經(jīng)過精心設計。噴孔通常呈環(huán)形或均勻分布的小孔陣列，并且由上自下呈傾斜狀，底部貫穿至布液器本體的外部，這樣可以保證冷卻介質(zhì)通過噴孔噴出時，能夠準確地在板片表面形成均勻的液膜。控制組件的作用也至關重要，它能夠根據(jù)冷卻介質(zhì)的進料量自動調(diào)節(jié)噴孔的開度，確保在不同的工況下都能實現(xiàn)均勻布膜。2.2工作原理全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的工作原理基于水的蒸發(fā)潛熱特性，通過氣液之間的傳熱傳質(zhì)過程實現(xiàn)對熱流體的冷卻。其核心在于利用水蒸發(fā)時吸收大量熱量的原理，將熱量從熱流體傳遞到空氣中，從而達到冷卻的目的。在全膜流板式蒸發(fā)冷卻器中，待冷卻的熱流體在板式蒸發(fā)換熱器的一側(cè)通道內(nèi)流動，而冷卻介質(zhì)水在另一側(cè)通道的板片表面形成均勻的液膜。當熱流體流經(jīng)通道時，其攜帶的熱量通過板片傳遞給另一側(cè)的水膜。由于水膜表面的水蒸氣分壓力低于周圍空氣的水蒸氣分壓力，水膜中的水分子會不斷地蒸發(fā)到空氣中，這個過程需要吸收大量的熱量，這些熱量主要來自于熱流體通過板片傳遞過來的熱量以及水膜本身的顯熱。隨著水膜的蒸發(fā)，熱流體的溫度逐漸降低，從而實現(xiàn)了冷卻的效果。從傳熱傳質(zhì)的角度來看，傳熱過程主要包括熱流體與板片之間的對流換熱、板片內(nèi)部的導熱以及板片與水膜之間的對流換熱。熱流體在通道內(nèi)流動時，與板片內(nèi)壁發(fā)生對流換熱，將熱量傳遞給板片。板片具有良好的導熱性能，熱量迅速通過板片傳導到另一側(cè)。水膜在板片表面流動，與板片外壁進行對流換熱，吸收板片傳遞過來的熱量。傳質(zhì)過程則主要是水膜表面的水分子蒸發(fā)進入空氣的過程。水分子從水膜表面逸出，進入空氣邊界層，在濃度差的作用下，不斷向空氣主體擴散。在這個過程中，空氣的濕度逐漸增加，而水膜的溫度則由于蒸發(fā)吸熱而降低。例如，在一個實際的地鐵站全膜流板式蒸發(fā)冷卻器應用場景中，假設熱流體為地鐵站空調(diào)系統(tǒng)的回水，溫度較高。當回水進入板式蒸發(fā)換熱器的通道后，其熱量通過板片傳遞給另一側(cè)的水膜。水膜在全膜流蒸發(fā)布液器的作用下，均勻地分布在板片表面。水膜吸收熱量后，部分水分子蒸發(fā)進入空氣，使得回水的溫度逐漸降低。經(jīng)過冷卻后的回水再回到空調(diào)系統(tǒng)中，繼續(xù)吸收地鐵站內(nèi)的熱量，從而實現(xiàn)了對地鐵站內(nèi)環(huán)境的冷卻。而蒸發(fā)后的水蒸氣隨著空氣流動排出，帶走了大量的熱量。2.3在地鐵站的應用優(yōu)勢與挑戰(zhàn)2.3.1應用優(yōu)勢節(jié)能節(jié)水：全膜流板式蒸發(fā)冷卻器利用水的蒸發(fā)潛熱實現(xiàn)冷卻，相比傳統(tǒng)的機械制冷冷卻方式，無需消耗大量的電能用于壓縮制冷劑，大大降低了能源消耗。在一些應用案例中，采用全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的空調(diào)系統(tǒng)，其能耗比傳統(tǒng)機械制冷空調(diào)系統(tǒng)降低了30%-50%。在水資源利用方面，雖然水在蒸發(fā)過程中有一定的消耗，但相較于傳統(tǒng)冷卻塔的大量補水和排污，其用水量明顯減少。例如，傳統(tǒng)冷卻塔在運行過程中，由于風吹損失、蒸發(fā)損失和排污等原因，每冷卻1000kW的熱量，大約需要消耗5-10m3/h的水；而全膜流板式蒸發(fā)冷卻器每冷卻相同熱量，用水量僅為1-3m3/h。這對于水資源日益緊缺的城市來說，具有重要的意義，有助于實現(xiàn)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的目標。占地面積?。浩浣Y(jié)構(gòu)緊湊，將板式換熱器與蒸發(fā)冷卻功能集成在一起，體積小巧。與傳統(tǒng)的冷卻塔相比，不需要龐大的塔體和復雜的配套設施，占地面積可大幅減少。以一個中等規(guī)模的地鐵站為例，傳統(tǒng)冷卻塔占地面積通常在50-100平方米左右，而全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的占地面積僅為10-20平方米。這對于空間有限的地鐵站來說，具有很大的優(yōu)勢，可以節(jié)省寶貴的空間資源，用于其他設施的布置或乘客活動區(qū)域的拓展。改善室內(nèi)環(huán)境：能夠有效地降低地鐵站內(nèi)的溫度和濕度，為乘客和工作人員創(chuàng)造一個更加舒適的環(huán)境。通過精確控制冷卻過程，可以將站內(nèi)溫度維持在24-26℃的舒適范圍內(nèi)，相對濕度控制在40%-60%之間。這樣的環(huán)境條件不僅能提高乘客的出行體驗，減少因高溫高濕引起的不適和疲勞感，還有利于站內(nèi)設備的正常運行，降低設備故障率，延長設備使用壽命。例如，在高溫高濕環(huán)境下，電子設備容易出現(xiàn)過熱、短路等故障，而適宜的溫濕度條件可以顯著提高設備的可靠性和穩(wěn)定性。降低設備運行成本：由于節(jié)能節(jié)水，全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的運行成本相對較低。減少了電費和水費的支出，同時其結(jié)構(gòu)簡單，維護保養(yǎng)相對容易，維護成本也較低。與傳統(tǒng)冷卻設備相比，其維護工作量減少了約30%-40%。此外，其使用壽命較長，一般可達15-20年，進一步降低了設備的全生命周期成本。這對于地鐵運營企業(yè)來說，可以有效降低運營成本，提高經(jīng)濟效益。2.3.2面臨的挑戰(zhàn)適應復雜環(huán)境的難度：地鐵站內(nèi)環(huán)境復雜，存在列車運行產(chǎn)生的振動、電磁干擾，以及大量乘客帶來的人員流動和各種污染物等。全膜流板式蒸發(fā)冷卻器需要具備良好的抗振性能，以確保在長期振動環(huán)境下設備的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性，避免部件松動、損壞影響正常運行。同時，要采取有效的電磁屏蔽措施，防止電磁干擾對設備的控制系統(tǒng)和傳感器等造成影響，保證設備的控制精度和可靠性。對于站內(nèi)的污染物，如灰塵、油污等，需要合理設計設備的過濾和防護裝置，防止其進入設備內(nèi)部，堵塞通道或影響傳熱傳質(zhì)性能。例如，灰塵積累可能會降低傳熱效率，油污可能會影響水膜的均勻性和蒸發(fā)效果。設備維護要求較高：雖然全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的維護相對簡單，但仍需要專業(yè)的技術人員進行定期維護和保養(yǎng)。在設備運行過程中，需要定期檢查板片的腐蝕情況，及時發(fā)現(xiàn)并處理板片的泄漏問題。對于布液器等關鍵部件，要檢查其布液均勻性，確保水膜的質(zhì)量。同時，還需要對設備的水路系統(tǒng)、風路系統(tǒng)進行維護，保證水和空氣的正常流通。例如，水路系統(tǒng)中的管道可能會出現(xiàn)結(jié)垢、堵塞現(xiàn)象，需要定期清洗；風路系統(tǒng)中的風機可能會出現(xiàn)故障，需要及時維修或更換。此外，由于地鐵站的運營時間長，設備維護需要在有限的非運營時間內(nèi)完成，這對維護工作的效率和質(zhì)量提出了更高的要求。與現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性問題：在將全膜流板式蒸發(fā)冷卻器應用于地鐵站時，需要考慮其與現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等的兼容性。不同廠家生產(chǎn)的設備在接口尺寸、控制方式、通信協(xié)議等方面可能存在差異，這給設備的集成和系統(tǒng)的協(xié)同運行帶來了困難。例如，在控制方面，可能需要對現(xiàn)有控制系統(tǒng)進行升級或改造，以實現(xiàn)對全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的有效控制。在通信方面，需要建立統(tǒng)一的通信協(xié)議，確保設備之間能夠?qū)崟r、準確地進行數(shù)據(jù)傳輸和交互。此外，還需要考慮設備安裝位置與現(xiàn)有系統(tǒng)管線的布局，避免出現(xiàn)空間沖突和管線連接困難等問題。初投資成本較高：盡管全膜流板式蒸發(fā)冷卻器在長期運行中具有成本優(yōu)勢，但其初投資成本相對較高。這主要是由于其技術含量高，制造工藝復雜，關鍵部件如板式蒸發(fā)換熱器、全膜流蒸發(fā)布液器等的成本較高。對于一些地鐵建設項目來說，較高的初投資成本可能會成為應用該設備的障礙。為了推廣全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的應用，需要進一步降低設備的生產(chǎn)成本，提高其性價比。例如，通過技術創(chuàng)新和規(guī)模化生產(chǎn)，降低關鍵部件的制造成本；同時，政府和相關部門可以出臺一些扶持政策，如補貼、稅收優(yōu)惠等，鼓勵地鐵建設和運營企業(yè)采用節(jié)能、環(huán)保的新型冷卻設備。三、傳熱傳質(zhì)理論基礎3.1傳熱基本理論3.1.1導熱理論導熱是指在物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間，由于分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。其基本定律為傅里葉定律，該定律由法國科學家讓?巴普蒂斯?約瑟夫?傅里葉于1822年提出。傅里葉定律表明，在導熱過程中，單位時間內(nèi)通過給定截面的導熱量，正比于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。其數(shù)學表達式為：q=-\lambda\frac{\partialT}{\partialn}其中，q為熱流密度，單位為W/m^2，表示單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量；\lambda為導熱系數(shù)，單位為W/(m\cdotK)，是表征材料導熱性能的物性參數(shù)，\lambda越大，導熱性能越好；\frac{\partialT}{\partialn}為溫度梯度，是指在等溫面法線方向上的溫度變化率，單位為K/m，負號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反。在直角坐標系中，溫度梯度可表示為\nablaT=(\frac{\partialT}{\partialx},\frac{\partialT}{\partialy},\frac{\partialT}{\partialz})，此時傅里葉定律的一般形式為q=-\lambda\nablaT。例如，在一塊均勻的平板中，若平板兩側(cè)存在溫度差，熱量就會從高溫側(cè)通過平板傳導到低溫側(cè)。假設平板的導熱系數(shù)為\lambda，厚度為\delta，兩側(cè)溫度分別為T_1和T_2（T_1>T_2），則通過平板的熱流密度q=\frac{\lambda(T_1-T_2)}{\delta}。這表明，導熱系數(shù)越大、溫度差越大，熱流密度越大；平板厚度越大，熱流密度越小。不同材料的導熱系數(shù)差異很大，金屬材料如銅、鋁等具有較高的導熱系數(shù)，通常在幾十到幾百W/(m\cdotK)之間，因此金屬常用于制造傳熱設備，如散熱器、熱交換器等部件，能夠快速有效地傳遞熱量；而隔熱材料如巖棉、泡沫塑料等的導熱系數(shù)則非常小，一般小于0.1W/(m\cdotK)，常用于建筑物的保溫隔熱、管道的保溫等，以減少熱量的散失。3.1.2對流換熱理論對流換熱是指流體與所流經(jīng)的固體表面間的熱量傳遞現(xiàn)象，它是由熱對流和導熱共同作用的復合換熱形式。對流換熱的基本計算公式為牛頓冷卻公式，由牛頓于1702年提出。牛頓冷卻公式可表示為：\varPhi=hA(t_w-t_f)或q=h(t_w-t_f)其中，\varPhi為熱流量，單位為W；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為W/(m^2\cdotK)，它反映了對流換熱的強弱程度；A為換熱面積，單位為m^2；t_w為固體表面的平均溫度，單位為^{\circ}C或K；t_f為流體溫度，對于外部繞流，t_f取遠離壁面的流體主流溫度，對于內(nèi)部流動，t_f取流體的平均溫度，(t_w-t_f)為對流換熱溫差。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小受到多種因素的影響。首先，流體流動的起因會影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。自然對流是由于流體各部分溫度不同而引起的密度差異所產(chǎn)生的流動，其流速相對較低，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)一般在5-12W/(m^2\cdotK)之間，例如房間內(nèi)暖氣片表面與空氣之間的換熱，主要是自然對流換熱；強制對流是由外力（如泵、風機、水壓頭）作用所產(chǎn)生的流動，流速較高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)通常在12-100W/(m^2\cdotK)以上，像空調(diào)系統(tǒng)中冷媒水在管道內(nèi)的流動換熱，就屬于強制對流換熱，其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比自然對流大得多。流體的流動狀態(tài)及流速也對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有顯著影響。層流流動時，流體質(zhì)點的運動軌跡光滑而有規(guī)則，各部分分層流動互不摻混、擾動，熱量傳遞主要為垂直于流動方向的導熱，h的大小取決于流體的熱導率，數(shù)值相對較??；湍流流動時，流體質(zhì)點做復雜無規(guī)則的運動，除層流底層內(nèi)以導熱傳熱外，湍流主體以熱對流傳熱為主，h較大，對流換熱效果好。并且，同一流態(tài)下，流體流速增加時，傳熱速率加快，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也會增大。流體的物理性質(zhì)同樣是重要影響因素。熱導率\lambda越大，流體與壁面間的熱阻就越小，換熱就越強烈；密度\rho和比定壓熱容c_p越大，單位質(zhì)量攜帶的熱量越多，傳熱能力越大；動力黏度\mu越大，黏滯力越大，加大了層流底層的厚度，不利于對流換熱。此外，流體有無相變以及換熱表面的幾何因素也會影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。有相變時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)要比無相變時的大，例如水沸騰時，液體中汽泡的產(chǎn)生和運動增加了液體內(nèi)部的擾動，從而強化了對流換熱，其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可達600-50000W/(m^2\cdotK)；蒸汽膜狀凝結(jié)時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在4500-18000W/(m^2\cdotK)之間。換熱表面的形狀、大小、狀況（光滑或粗糙程度）以及相對位置等幾何因素影響了流體的流態(tài)、流速分布和溫度分布，從而影響了對流換熱的效果。例如，熱面朝上時，氣流擾動比較激烈，換熱強度大；而熱面朝下時，氣流擾動相對較弱，換熱強度較小。3.1.3輻射換熱理論輻射換熱是指物體之間通過電磁波進行的熱量傳遞過程，它是傳熱學的重要研究內(nèi)容之一。自然界中的各個物體都在不停地向空間散發(fā)出輻射熱，同時又在不停地吸收其他物體散發(fā)出的輻射熱，這種在物體表面之間由輻射與吸收綜合作用下完成的熱量傳遞就是輻射換熱。與導熱和對流換熱不同，輻射換熱不需要任何介質(zhì)，可在真空中進行，并且具有強烈的方向性。只要物體的溫度高于0K，就會不停地把熱能變?yōu)檩椛淠?，向周圍空間發(fā)出熱輻射；同時物體也不斷地吸收周圍物體投射到它上面的熱輻射，并把吸收的輻射能重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽薀彷椛溥^程的熱量傳遞過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化。輻射換熱的基本概念包括吸收比、反射比、透射比。當熱輻射投射到物體表面上時，一般會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射、透射。在外界投射到物體表面上的總能量為Q中，一部分被物體吸收，記為Q_{\alpha}；一部分被物體反射，記為Q_{\rho}；其余部分透過物體，記為Q_{\tau}。按照能量守恒定律有Q=Q_{\alpha}+Q_{\rho}+Q_{\tau}，或1=\alpha+\rho+\tau，其中\(zhòng)alpha=\frac{Q_{\alpha}}{Q}、\rho=\frac{Q_{\rho}}{Q}、\tau=\frac{Q_{\tau}}{Q}分別為該物體對投入輻射的吸收比、反射比、透射比。把吸收比\alpha=1的物體稱為絕對黑體；把反射比\rho=1的物體稱為鏡體或白體；把透射比\tau=1的物體稱為透明體。黑體輻射遵循普朗特定律、斯忒藩-波爾茲曼定律和蘭貝特定律。普朗特定律揭示了黑體輻射能按照波長的分布規(guī)律，即它給出了黑體光譜輻出度與波長和溫度的依變關系。斯忒藩-波爾茲曼定律表明黑體輻出度正比例與熱力學溫度的四次方，其數(shù)學表達式為E_b=\sigmaT^4，其中E_b為黑體輻出度，單位為W/m^2；\sigma=5.67\times10^{-8}W/(m^2\cdotK^4)為斯忒藩-波爾茲曼常數(shù)；T為黑體的熱力學溫度，單位為K。蘭貝特定律描述了輻射能量按空間方向分布的規(guī)律，黑體輻射在空間不同方向的分布是不均勻的，法向方向最大，切線方向為零。對于實際物體之間的輻射換熱，其換熱量的計算較為復雜。兩物體之間的輻射換熱量可通過以下公式計算：Q_{1-2}=\sigma\varepsilon_1\varepsilon_2A_1X_{1,2}(T_1^4-T_2^4)其中，Q_{1-2}為物體1與物體2之間的輻射換熱量，單位為W；\varepsilon_1、\varepsilon_2分別為物體1和物體2的發(fā)射率，發(fā)射率反映了實際物體的輻射能力與黑體輻射能力的接近程度，其值在0到1之間；A_1為物體1的輻射面積，單位為m^2；X_{1,2}為物體1對物體2的角系數(shù)，角系數(shù)是一個無量綱數(shù)，表示表面1發(fā)出的輻射能中落到表面2上的分額，其值與物體的形狀、大小和相對位置有關；T_1、T_2分別為物體1和物體2的熱力學溫度，單位為K。例如，在工業(yè)爐中，爐內(nèi)高溫物體與爐壁之間的換熱就包含了輻射換熱，通過上述公式可以計算出它們之間的輻射換熱量，從而為工業(yè)爐的設計和運行提供依據(jù)。3.2傳質(zhì)基本理論3.2.1擴散傳質(zhì)理論擴散傳質(zhì)是指由于分子的熱運動而產(chǎn)生的物質(zhì)遷移現(xiàn)象，在全膜流板式蒸發(fā)冷卻器中，水膜表面水分子的蒸發(fā)以及水蒸氣在空氣中的擴散都涉及到擴散傳質(zhì)過程。擴散傳質(zhì)的基本理論主要基于費克定律。費克第一定律描述了穩(wěn)態(tài)擴散的情況，即單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截面積的擴散物質(zhì)流量（擴散通量J）與該截面處的濃度梯度成正比，數(shù)學表達式為：J=-D\frac{dC}{dx}其中，D為擴散系數(shù)，單位為m^2/s，它反映了物質(zhì)擴散的難易程度，擴散系數(shù)越大，物質(zhì)擴散速度越快；\frac{dC}{dx}為濃度梯度，單位為kg/m^4，表示擴散物質(zhì)在空間的濃度變化率，負號表示擴散方向與濃度梯度方向相反，即物質(zhì)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴散。例如，在一個密閉容器中，若一側(cè)氣體濃度較高，另一側(cè)濃度較低，氣體分子會在濃度差的作用下，從高濃度側(cè)通過擴散向低濃度側(cè)遷移，直至容器內(nèi)氣體濃度均勻分布。在全膜流板式蒸發(fā)冷卻器中，水膜表面的水分子處于高濃度狀態(tài)，而周圍空氣主體中的水蒸氣濃度相對較低。根據(jù)費克第一定律，水分子會在濃度梯度的作用下，從水膜表面向空氣主體擴散，形成擴散通量。擴散系數(shù)D受到多種因素的影響，如溫度、壓力、物質(zhì)種類等。溫度升高時，分子熱運動加劇，擴散系數(shù)增大，擴散通量也隨之增加；壓力的變化會影響分子間的間距和相互作用，從而對擴散系數(shù)產(chǎn)生影響；不同物質(zhì)的分子大小和結(jié)構(gòu)不同，其擴散系數(shù)也存在差異。費克第二定律則適用于非穩(wěn)態(tài)擴散過程，它指出在非穩(wěn)態(tài)擴散中，在距離x處，濃度隨時間的變化率等于該處的擴散通量隨距離變化率的負值。其數(shù)學表達式為：\frac{\partialC}{\partialt}=D\frac{\partial^2C}{\partialx^2}其中，\frac{\partialC}{\partialt}為濃度隨時間的變化率，單位為kg/(m^3\cdots)；\frac{\partial^2C}{\partialx^2}為濃度對距離的二階導數(shù)，單位為kg/m^5。在全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的運行初期，水膜表面水分子的擴散過程屬于非穩(wěn)態(tài)擴散。隨著時間的推移，系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定，擴散過程逐漸接近穩(wěn)態(tài)擴散。在非穩(wěn)態(tài)擴散階段，通過費克第二定律可以分析水分子濃度在空間和時間上的變化規(guī)律，為研究蒸發(fā)冷卻過程提供理論依據(jù)。例如，在蒸發(fā)冷卻器啟動時，水膜表面水分子迅速向空氣擴散，導致水膜表面水分子濃度快速下降，而周圍空氣層中的水蒸氣濃度逐漸升高。通過求解費克第二定律的方程，可以得到不同時刻水膜表面和空氣層中水蒸氣濃度的分布情況，從而深入了解擴散傳質(zhì)的動態(tài)過程。3.2.2對流傳質(zhì)理論對流傳質(zhì)是指在流體流動的作用下，物質(zhì)在流體中的傳遞過程。在全膜流板式蒸發(fā)冷卻器中，空氣的流動會帶動水蒸氣在空氣中的傳遞，這就是對流傳質(zhì)的過程。對流傳質(zhì)的原理與對流換熱類似，都是通過流體的宏觀運動來實現(xiàn)物質(zhì)或熱量的傳遞。對流傳質(zhì)過程中，傳質(zhì)系數(shù)是一個重要的參數(shù)，它反映了對流傳質(zhì)的強度。傳質(zhì)系數(shù)的大小受到多種因素的影響。流體的流動狀態(tài)是影響傳質(zhì)系數(shù)的關鍵因素之一。層流流動時，流體質(zhì)點的運動軌跡較為規(guī)則，主要以分子擴散的方式進行傳質(zhì)，傳質(zhì)系數(shù)相對較小。例如，在流速較低的空氣流動中，水蒸氣分子主要通過分子擴散在空氣中緩慢傳遞。而在湍流流動時，流體質(zhì)點的運動雜亂無章，形成了強烈的混合和擾動，大大增強了傳質(zhì)效果，傳質(zhì)系數(shù)明顯增大。在地鐵站全膜流板式蒸發(fā)冷卻器中，通常通過合理設計空氣的流動通道和流速，使空氣處于湍流狀態(tài)，以提高傳質(zhì)系數(shù)，增強蒸發(fā)冷卻效果。流體的物理性質(zhì)也對傳質(zhì)系數(shù)有顯著影響。例如，流體的密度、黏度、擴散系數(shù)等都會影響傳質(zhì)過程。密度較大的流體，其分子間的相互作用較強，可能會對傳質(zhì)產(chǎn)生一定的阻礙作用；黏度較高的流體，流體內(nèi)部分子間的摩擦力較大，會減緩流體的流動速度，從而降低傳質(zhì)系數(shù)；而擴散系數(shù)越大，物質(zhì)在流體中的擴散速度越快，傳質(zhì)系數(shù)也會相應增大。在全膜流板式蒸發(fā)冷卻器中，空氣的物理性質(zhì)會隨著溫度、濕度等條件的變化而改變，進而影響傳質(zhì)系數(shù)。例如，當空氣溫度升高時，其密度減小，黏度降低，擴散系數(shù)增大，這些變化都會導致傳質(zhì)系數(shù)發(fā)生改變。此外，換熱表面的幾何形狀和粗糙度也會影響對流傳質(zhì)。不同的幾何形狀會導致流體在表面的流動特性不同，從而影響傳質(zhì)系數(shù)。例如，平板表面和曲面表面的對流傳質(zhì)情況就存在差異。平板表面上，流體的流動相對較為規(guī)則；而在曲面表面，如圓形管道內(nèi)壁，流體在流動過程中會受到離心力等因素的影響，流態(tài)更加復雜，傳質(zhì)系數(shù)也會有所不同。表面粗糙度會增加流體與表面之間的摩擦，促進流體的湍流程度，從而提高傳質(zhì)系數(shù)。在全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的板片設計中，可以通過優(yōu)化板片的幾何形狀和表面處理，來提高對流傳質(zhì)效果。例如，采用波紋狀的板片表面，增加板片的表面積和表面粗糙度，有利于增強空氣與水膜之間的對流傳質(zhì)。3.3氣液界面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)理論在全膜流板式蒸發(fā)冷卻器中，氣液界面作為熱量和質(zhì)量交換的關鍵區(qū)域，其傳熱傳質(zhì)過程極為復雜且至關重要。氣液界面處的傳熱傳質(zhì)過程主要涉及熱量從熱流體通過板片傳遞到水膜，以及水膜表面水分子的蒸發(fā)和水蒸氣在空氣中的擴散。從傳熱角度來看，氣液界面處的熱量傳遞主要通過三種方式實現(xiàn)。首先是熱傳導，熱流體的熱量通過板式蒸發(fā)換熱器的板片傳導至氣液界面處的水膜。板片的導熱性能對熱傳導過程起著關鍵作用，導熱系數(shù)高的板片能夠更快速地傳遞熱量，減少熱阻，提高傳熱效率。例如，采用不銹鋼材質(zhì)的板片，其良好的導熱性能使得熱量能夠迅速從熱流體傳遞到水膜。其次是對流換熱，水膜表面與空氣之間存在對流換熱，空氣的流動不斷帶走水膜表面的熱量，促進水膜的蒸發(fā)?？諝饬魉偈怯绊憣α鲹Q熱的重要因素之一，流速增加，對流換熱系數(shù)增大，熱量傳遞速率加快。在實際應用中，通過合理設計空氣流動通道，提高空氣流速，可以有效增強對流換熱效果。最后是輻射換熱，雖然在氣液界面處輻射換熱的影響相對較小，但在某些情況下也不可忽略。例如，當氣液界面溫度較高時，輻射換熱的作用會相對增強。在傳質(zhì)方面，氣液界面處主要發(fā)生的是水分子的蒸發(fā)和水蒸氣的擴散。水膜表面的水分子由于獲得足夠的能量，克服水分子之間的內(nèi)聚力，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，進入到空氣中，這就是蒸發(fā)過程。蒸發(fā)過程的速率與水膜表面的溫度、水蒸氣分壓力以及空氣的濕度等因素密切相關。水膜表面溫度越高，水分子的動能越大，越容易蒸發(fā)；水蒸氣分壓力越高，與周圍空氣的水蒸氣分壓力差越大，蒸發(fā)速率也越快；空氣濕度越低，對水蒸氣的容納能力越強，有利于蒸發(fā)的進行。水蒸氣在空氣中的擴散則遵循擴散傳質(zhì)理論。根據(jù)費克定律，水蒸氣會從高濃度區(qū)域（氣液界面處）向低濃度區(qū)域（空氣主體）擴散。擴散系數(shù)是描述水蒸氣擴散能力的重要參數(shù)，它受到溫度、壓力以及空氣的物理性質(zhì)等因素的影響。溫度升高，擴散系數(shù)增大，水蒸氣擴散速度加快；壓力變化會影響分子間的相互作用，從而改變擴散系數(shù)。在全膜流板式蒸發(fā)冷卻器中，通過優(yōu)化氣液界面的結(jié)構(gòu)和流動條件，可以增加水蒸氣與空氣的接觸面積和接觸時間，促進水蒸氣的擴散，提高傳質(zhì)效率。例如，采用特殊的板片結(jié)構(gòu)，使水膜在板片表面形成均勻的薄液膜，增加了氣液接觸面積，有利于水蒸氣的擴散。氣液界面處的傳熱和傳質(zhì)過程并非孤立進行，而是相互關聯(lián)、相互影響的。傳熱過程為水膜的蒸發(fā)提供了所需的熱量，促使水分子獲得足夠的能量從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，從而推動傳質(zhì)過程的發(fā)生。而傳質(zhì)過程中水蒸氣的擴散又會帶走氣液界面處的熱量，進一步影響傳熱過程。這種傳熱傳質(zhì)的耦合作用使得氣液界面處的過程變得更加復雜，需要綜合考慮各種因素，深入研究其內(nèi)在機理，以實現(xiàn)全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的高效運行。四、傳熱傳質(zhì)機理分析4.1層流液膜傳熱傳質(zhì)特性4.1.1數(shù)學模型建立在全膜流板式蒸發(fā)冷卻器中，層流液膜的流動與傳熱傳質(zhì)過程較為復雜，為了深入研究其特性，需要建立相應的數(shù)學模型。假設液膜為不可壓縮牛頓流體，且流動為二維穩(wěn)定層流，忽略液膜的慣性力和熱輻射的影響。基于上述假設，根據(jù)質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，建立層流液膜的流動與傳熱方程。質(zhì)量守恒方程：\frac{\partialu}{\partialx}+\frac{\partialv}{\partialy}=0其中，u和v分別為液膜在x方向和y方向的速度分量，x為液膜流動方向，y為垂直于液膜表面方向。動量守恒方程在x方向：\rho(u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy})=-\frac{\partialp}{\partialx}+\mu(\frac{\partial^2u}{\partialx^2}+\frac{\partial^2u}{\partialy^2})+\rhog_x在y方向：\rho(u\frac{\partialv}{\partialx}+v\frac{\partialv}{\partialy})=-\frac{\partialp}{\partialy}+\mu(\frac{\partial^2v}{\partialx^2}+\frac{\partial^2v}{\partialy^2})+\rhog_y式中，\rho為液膜的密度，\mu為液膜的動力黏度，p為壓力，g_x和g_y分別為x方向和y方向的重力加速度分量。由于液膜流動為二維穩(wěn)定層流，且假設忽略慣性力，\rho(u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy})和\rho(u\frac{\partialv}{\partialx}+v\frac{\partialv}{\partialy})項可忽略。在液膜流動方向x上，主要受力為黏性力和重力在x方向的分量，壓力梯度\frac{\partialp}{\partialx}相對較小可忽略；在垂直于液膜表面方向y上，壓力梯度\frac{\partialp}{\partialy}與重力在y方向的分量\rhog_y相平衡，黏性力相對較小可忽略。則動量守恒方程簡化為：在x方向：0=\mu\frac{\partial^2u}{\partialy^2}+\rhog_x在y方向：0=-\frac{\partialp}{\partialy}+\rhog_y能量守恒方程：\rhoc_p(u\frac{\partialT}{\partialx}+v\frac{\partialT}{\partialy})=\lambda(\frac{\partial^2T}{\partialx^2}+\frac{\partial^2T}{\partialy^2})+q_r其中，c_p為液膜的定壓比熱容，T為液膜溫度，\lambda為液膜的導熱系數(shù)，q_r為熱源項，由于忽略熱輻射影響，q_r=0。同樣，因為液膜流動為二維穩(wěn)定層流，\rhoc_p(u\frac{\partialT}{\partialx}+v\frac{\partialT}{\partialy})項可簡化為只考慮x方向的對流項\rhoc_pu\frac{\partialT}{\partialx}，\lambda(\frac{\partial^2T}{\partialx^2}+\frac{\partial^2T}{\partialy^2})項簡化為只考慮y方向的導熱項\lambda\frac{\partial^2T}{\partialy^2}，則能量守恒方程簡化為：\rhoc_pu\frac{\partialT}{\partialx}=\lambda\frac{\partial^2T}{\partialy^2}對于傳質(zhì)方程，假設水蒸氣在空氣中的擴散遵循費克定律，且忽略水蒸氣在液膜中的擴散阻力。在液膜表面，水蒸氣的質(zhì)量擴散通量J為：J=-D\frac{\partial\rho_v}{\partialy}其中，D為水蒸氣在空氣中的擴散系數(shù)，\rho_v為水蒸氣的密度。在液膜表面，還存在傳熱傳質(zhì)的耦合邊界條件。根據(jù)能量守恒，液膜表面的蒸發(fā)潛熱通量等于通過液膜表面的導熱通量，即：h_{fg}J=-\lambda(\frac{\partialT}{\partialy})_{y=\delta}其中，h_{fg}為水的蒸發(fā)潛熱，\delta為液膜厚度。同時，液膜表面的水蒸氣分壓力與液膜溫度滿足克勞修斯-克拉珀龍方程：\ln(\frac{p_v}{p_{v0}})=\frac{h_{fg}}{R_v}(\frac{1}{T_0}-\frac{1}{T})式中，p_v為液膜表面的水蒸氣分壓力，p_{v0}為參考溫度T_0下的飽和水蒸氣分壓力，R_v為水蒸氣的氣體常數(shù)。4.1.2模型求解與結(jié)果分析對于上述建立的層流液膜流動與傳熱傳質(zhì)數(shù)學模型，采用合適的數(shù)值方法進行求解。常用的數(shù)值方法包括有限差分法、有限元法和有限體積法等。這里以有限差分法為例，對模型進行離散求解。將液膜的計算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，在每個網(wǎng)格節(jié)點上對控制方程進行離散。對于動量守恒方程在x方向0=\mu\frac{\partial^2u}{\partialy^2}+\rhog_x，采用中心差分格式對二階導數(shù)進行離散，得到關于速度u的代數(shù)方程。對于能量守恒方程\rhoc_pu\frac{\partialT}{\partialx}=\lambda\frac{\partial^2T}{\partialy^2}，同樣采用中心差分格式對導數(shù)進行離散，結(jié)合邊界條件，求解得到溫度T在網(wǎng)格節(jié)點上的值。對于傳質(zhì)方程，根據(jù)費克定律離散求解得到水蒸氣密度\rho_v的分布。通過求解模型，得到層流液膜的速度分布、溫度分布和水蒸氣濃度分布等結(jié)果。分析這些結(jié)果，可以研究雷諾數(shù)、界面剪切力等因素對液膜傳熱傳質(zhì)的影響。雷諾數(shù)Re=\frac{\rhou\delta}{\mu}是描述流體流動狀態(tài)的重要參數(shù)。當雷諾數(shù)較小時，液膜流動為層流，流速較低，液膜內(nèi)的熱量和質(zhì)量傳遞主要通過分子擴散進行，傳熱傳質(zhì)系數(shù)較小。隨著雷諾數(shù)的增大，液膜流動逐漸向湍流過渡，流速增加，液膜內(nèi)的擾動增強，熱量和質(zhì)量傳遞效率提高，傳熱傳質(zhì)系數(shù)增大。例如，當雷諾數(shù)從100增加到500時，傳熱系數(shù)可能會增大2-3倍。界面剪切力是指氣液界面處氣體對液膜的作用力。界面剪切力會影響液膜的速度分布和厚度。當界面剪切力較大時，液膜表面的流速增加，液膜厚度減小。這會導致液膜與氣體之間的接觸面積增大，傳熱傳質(zhì)效率提高。但如果界面剪切力過大，可能會導致液膜不穩(wěn)定，出現(xiàn)波動甚至破裂，反而降低傳熱傳質(zhì)效果。在一定范圍內(nèi)，界面剪切力增加10%，傳質(zhì)系數(shù)可能會提高15%-20%。此外，通過模型求解還可以分析液膜厚度、溫度差等因素對傳熱傳質(zhì)的影響。液膜厚度增加，液膜內(nèi)的導熱熱阻增大，傳熱系數(shù)減?。粶囟炔钤龃?，傳熱傳質(zhì)的驅(qū)動力增大，傳熱傳質(zhì)系數(shù)增大。4.2湍流液膜傳熱傳質(zhì)特性4.2.1數(shù)學模型建立在全膜流板式蒸發(fā)冷卻器的實際運行中，液膜流動常呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，相較于層流，湍流液膜的傳熱傳質(zhì)過程更為復雜，涉及到流體的強烈脈動和混合。為深入理解其特性，需構(gòu)建相應數(shù)學模型。假設液膜為不可壓縮牛頓流體，忽略液膜的慣性力和熱輻射影響，同時考慮到湍流流動的隨機性和復雜性，引入湍流模型來描述湍流特性。采用雷諾平均Navier-Stokes（RANS）方程來描述湍流液膜的平均流動，將瞬時物理量分解為平均量和脈動量。例如，瞬時速度u_i可表示為平均速度\overline{u_i}與脈動速度u_i'之和，即u_i=\overline{u_i}+u_i'。質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）：\frac{\partial\overline{\rho}}{\partialt}+\frac{\partial(\overline{\rho}\overline{u_i})}{\partialx_i}=0式中，\overline{\rho}為平均密度，t為時間，x_i為空間坐標，i=1,2,3分別對應x、y、z方向。該方程表明在湍流液膜中，單位時間內(nèi)流入和流出控制體的質(zhì)量差為零，體現(xiàn)了質(zhì)量守恒原理。動量守恒方程（雷諾方程）：\frac{\partial(\overline{\rho}\overline{u_i})}{\partialt}+\frac{\partial(\overline{\rho}\overline{u_i}\overline{u_j})}{\partialx_j}=-\frac{\partial\overline{p}}{\partialx_i}+\frac{\partial}{\partialx_j}(\overline{\tau_{ij}}-\overline{\rhou_i'u_j'})+\overline{\rho}g_i其中，\overline{p}為平均壓力，\overline{\tau_{ij}}為平均粘性應力張量，\overline{\rhou_i'u_j'}為雷諾應力張量，g_i為重力加速度在i方向的分量。雷諾應力張量\overline{\rhou_i'u_j'}描述了湍流脈動對動量傳遞的影響，它是由于湍流脈動速度的相關性產(chǎn)生的。為了封閉該方程，需要引入湍流模型來確定雷諾應力與平均速度之間的關系。這里選用k-ε雙方程湍流模型，該模型通過求解湍動能k和湍流耗散率\varepsilon的輸運方程來確定雷諾應力。湍動能k的輸運方程：\frac{\partial(\overline{\rho}k)}{\partialt}+\frac{\partial(\overline{\rho}k\overline{u_j})}{\partialx_j}=\frac{\partial}{\partialx_j}(\frac{\mu_t}{\sigma_k}\frac{\partialk}{\partialx_j})+G_k-\overline{\rho}\varepsilon式中，\mu_t為湍流粘度，\sigma_k為湍動能k的湍流普朗特數(shù)，G_k為湍動能生成項，由平均速度梯度產(chǎn)生，\overline{\rho}\varepsilon為湍動能耗散項。湍動能生成項G_k的表達式為G_k=\mu_t(\frac{\partial\overline{u_i}}{\partialx_j}+\frac{\partial\overline{u_j}}{\partialx_i})\frac{\partial\overline{u_i}}{\partialx_j}，它反映了平均流動的能量向湍動能的轉(zhuǎn)化。湍流耗散率\varepsilon的輸運方程：\frac{\partial(\overline{\rho}\varepsilon)}{\partialt}+\frac{\partial(\overline{\rho}\varepsilon\overline{u_j})}{\partialx_j}=\frac{\partial}{\partialx_j}(\frac{\mu_t}{\sigma_{\varepsilon}}\frac{\partial\varepsilon}{\partialx_j})+C_{1\varepsilon}\frac{\varepsilon}{k}G_k-C_{2\varepsilon}\overline{\rho}\frac{\varepsilon^2}{k}其中，\sigma_{\varepsilon}為湍流耗散率\varepsilon的湍流普朗特數(shù)，C_{1\varepsilon}和C_{2\varepsilon}為經(jīng)驗常數(shù)。這些常數(shù)通過大量實驗數(shù)據(jù)擬合得到，在不同的研究中取值略有差異，但一般C_{1\varepsilon}=1.44，C_{2\varepsilon}=1.92。能量守恒方程：\frac{\partial(\overline{\rho}\overline{h})}{\partialt}+\frac{\partial(\overline{\rho}\overline{h}\overline{u_j})}{\partialx_j}=\frac{\partial}{\partialx_j}(\frac{\lambda}{\overline{c_p}}\frac{\partial\overline{T}}{\partialx_j}+\frac{\mu_t}{\sigma_h}\frac{\partial\overline{h}}{\partialx_j})+\overline{S_h}式中，\overline{h}為平均焓，\lambda為導熱系數(shù)，\overline{c_p}為平均定壓比熱容，\overline{T}為平均溫度，\sigma_h為焓的湍流普朗特數(shù)，\overline{S_h}為熱源項。在全膜流板式蒸發(fā)冷卻器中，熱源項主要來自于熱流體通過板片傳遞給液膜的熱量以及液膜蒸發(fā)吸收的潛熱。對于傳質(zhì)方程，假設水蒸氣在空氣中的擴散遵循費克定律，考慮湍流擴散的影響，引入湍流擴散系數(shù)D_t。水蒸氣的質(zhì)量擴散通量\overline{J}為：\overline{J}=-(\rhoD+\rhoD_t)\frac{\partial\overline{\omega}}{\partialy}其中，\rho為混合氣體密度，D為分子擴散系數(shù)，\overline{\omega}為水蒸氣質(zhì)量分數(shù)，y為垂直于液膜表面方向。湍流擴散系數(shù)D_t與湍流粘度\mu_t相關，通常通過經(jīng)驗公式確定，如D_t=\frac{\mu_t}{\rho\sigma_D}，\sigma_D為湍流施密特數(shù)。在液膜表面，同樣存在傳熱傳質(zhì)的耦合邊界條件。液膜表面的蒸發(fā)潛熱通量等于通過液膜表面的導熱通量與對流換熱通量之和，即：h_{fg}\overline{J}=-\lambda(\frac{\partial\overline{T}}{\partialy})_{y=\delta}+h(\overline{T}_s-\overline{T}_a)其中，h_{fg}為水的蒸發(fā)潛熱，\delta為液膜厚度，h為氣液界面的對流換熱系數(shù)，\overline{T}_s為液膜表面溫度，\overline{T}_a為空氣主體溫度。同時，液膜表面的水蒸氣分壓力與液膜溫度滿足克勞修斯-克拉珀龍方程：\ln(\frac{p_v}{p_{v0}})=\frac{h_{fg}}{R_v}(\frac{1}{T_0}-\frac{1}{\overline{T}_s})式中，p_v為液膜表面的水蒸氣分壓力，p_{v0}為參考溫度T_0下的飽和水蒸氣分壓力，R_v為水蒸氣的氣體常數(shù)。4.2.2模型求解與結(jié)果分析針對上述建立的湍流液膜傳熱傳質(zhì)數(shù)學模型，運用數(shù)值計算方法進行求解。常用的數(shù)值求解方法包括有限差分法、有限元法和有限體積法等。有限體積法由于其守恒性好、對復雜幾何形狀適應性強等優(yōu)點，在求解此類問題中得到廣泛應用。將計算區(qū)域劃分為一系列控制體積，對每個控制體積應用守恒定律，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程。在離散過程中，對對流項、擴散項和源項等進行合理的離散處理。對于對流項，可采用二階迎風格式、QUICK格式等，以提高計算精度和穩(wěn)定性。二階迎風格式能夠較好地捕捉流動的方向性，減少數(shù)值擴散；QUICK格式則在精度上更具優(yōu)勢，尤其適用于復雜流場的計算。對于擴散項，通常采用中心差分格式，以保證離散后的方程具有較好的精度和收斂性。對源項進行離散時，需根據(jù)其具體形式進行處理，確保在數(shù)值計算中能準確反映其物理意義。通過迭代求解離散后的代數(shù)方程組，得到各控制體積內(nèi)的物理量分布，如速度、溫度、湍動能、湍流耗散率和水蒸氣質(zhì)量分數(shù)等。在迭代過程中，設置合理的收斂準則，如殘差小于一定閾值，以確保計算結(jié)果的準確性和可靠性。殘差反映了數(shù)值解與精確解之間的差異，當殘差足夠小時，表明數(shù)值解已收斂到滿足精度要求的結(jié)果。分析求解結(jié)果，可深入研究渦旋粘性、速度分布等因素對傳熱傳質(zhì)的影響。渦旋粘性（即湍流粘度\mu_t）在湍流液膜傳熱傳質(zhì)中起著關鍵作用。渦旋粘性與湍動能k和湍流耗散率\varepsilon相關，其表達式為\mu_t=\overline{\rho}C_{\mu}\frac{k^2}{\varepsilon}，其中C_{\mu}為經(jīng)驗常數(shù)，一般取值為0.09。渦旋粘性反映了湍流脈動對動量傳遞的阻礙作用，它的大小直接影響著流體的流動特性和傳熱傳質(zhì)效率。當渦旋粘性增大時，流體內(nèi)部的動量交換增強，使得速度分布更加均勻，同時也增強了熱量和質(zhì)量的傳遞。例如，在液膜流動中，較大的渦旋粘性會使液膜表面的速度梯度減小，降低了液膜表面的剪切應力，從而減少了液膜的波動和破裂，有利于維持穩(wěn)定的液膜流動和高效的傳熱傳質(zhì)。但渦旋粘性過大也會導致流動阻力增加，能耗增大。速度分布對傳熱傳質(zhì)的影響也十分顯著。在湍流液膜中，速度分布呈現(xiàn)出復雜的形態(tài)，靠近壁面處存在速度邊界層，速度梯度較大；而在液膜核心區(qū)域，速度分布相對均勻。速度分布影響著熱量和質(zhì)量的傳遞路徑和速率。較高的流速會增強對流換熱和對流傳質(zhì)，提高傳熱傳質(zhì)系數(shù)。在液膜流動方向上，流速的增加會使熱流體與液膜之間的接觸時間縮短，但同時也會增強兩者之間的擾動和混合，從而提高傳熱傳質(zhì)效率。在垂直于液膜表面方向上，速度分布的不均勻性會導致溫度和濃度分布的不均勻，進而影響傳熱傳質(zhì)的效果。例如，當液膜表面存在速度波動時，會引起局部的溫度和濃度變化，增加了傳熱傳質(zhì)的驅(qū)動力，有利于熱量和質(zhì)量的傳遞。此外，還可以分析其他因素對傳熱傳質(zhì)的影響，如液膜厚度、氣液界面的剪切應力、空氣流速和溫度等。液膜厚度的增加會導致傳熱熱阻增大，傳熱系數(shù)減?。粴庖航缑娴募羟袘绊懸耗さ姆€(wěn)定性和表面更新率，進而影響傳熱傳質(zhì)；空氣流速的增大可以增強對流傳熱傳質(zhì)，但過大的流速可能會導致液膜被吹離板片，降低冷卻效果；空氣溫度的變化會改變氣液之間的溫差，從而影響傳熱傳質(zhì)的驅(qū)動力。4.3濕空氣外掠二維降膜流動傳熱傳質(zhì)4.3.1物理與數(shù)學模型建立在全膜流板式蒸發(fā)冷卻器中，濕空氣外掠二維降膜的流動傳熱傳質(zhì)過程較為復雜，涉及到氣液兩相的相互作用以及熱量和質(zhì)量的傳遞。為了深入研究這一過程，需要建立合理的物理與數(shù)學模型。物理模型：假設在一個二維平板上，水膜在重力作用下沿平板表面向下流動，濕空氣以一定速度平行于平板表面流動。水膜與濕空氣之間存在熱量和質(zhì)量的交換，水膜表面的水分子不斷蒸發(fā)進入濕空氣中，同時濕空氣將熱量傳遞給液膜。忽略平板的熱阻，認為平板溫度均勻且等于液膜與平板接觸處的溫度。假設濕空氣為理想氣體，不考慮其壓縮性和粘性耗散。數(shù)學模型：基于上述物理模型，根據(jù)質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律以及傳質(zhì)基本理論，建立濕空氣外掠二維降膜流動傳熱傳質(zhì)的數(shù)學模型。質(zhì)量守恒方程：對于濕空氣相：\frac{\partial(\rho_au_a)}{\partialx}+\frac{\partial(\rho_av_a)}{\partialy}=0對于水膜相：\frac{\partial(\rho_lu_l)}{\partialx}+\frac{\partial(\rho_lv_l)}{\partialy}=0其中，\rho_a和\rho_l分別為濕空氣和水膜的密度，u_a、v_a和u_l、v_l分別為濕空氣和水膜在x方向和y方向的速度分量。動量守恒方程：在x方向，對于濕空氣相：\rho_a(u_a\frac{\partialu_a}{\partialx}+v_a\frac{\partialu_a}{\partialy})=-\frac{\partialp_a}{\partialx}+\mu_a(\frac{\partial^2u_a}{\partialx^2}+\frac{\partial^2u_a}{\partialy^2})對于水膜相：\rho_l(u_l\frac{\partialu_l}{\partialx}+v_l\frac{\partialu_l}{\partialy})=\rho_lg\sin\theta-\frac{\partialp_l}{\partialx}+\mu_l(\frac{\partial^2u_l}{\partialx^2}+\frac{\partial^2u_l}{\partialy^2})在y方向，對于濕空氣相：\rho_a(u_a\frac{\partialv_a}{\partialx}+v_a\frac{\partialv_a}{\partialy})=-\frac{\partialp_a}{\partialy}+\mu_a(\frac{\partial^2v_a}{\partialx^2}+\frac{\partial^2v_a}{\partialy^2})對于水膜相：\rho_l(u_l\frac{\partialv_l}{\partialx}+v_l\frac{\partialv_l}{\partialy})=-\frac{\partialp_l}{\partialy}-\rho_lg\cos\theta+\mu_l(\frac{\partial^2v_l}{\partialx^2}+\frac{\partial^2v_l}{\partialy^2})式中，p_a和p_l分別為濕空氣和水膜的壓力，\mu_a和\mu_l分別為濕空氣和水膜的動力黏度，g為重力加速度，\theta為平板與水平方向的夾角。能量守恒方程：對于濕空氣相：\rho_ac_{p,a}(u_a\frac{\partialT_a}{\partialx}+v_a\frac{\partialT_a}{\partialy})=\lambda_a(\frac{\partial^2T_a}{\partialx^2}+\frac{\partial^2T_a}{\partialy^2})-h_{fg}\rho_aD\frac{\partial\omega}{\partialy}對于水膜相：\rho_lc_{p,l}(u_l\frac{\partialT_l}{\partialx}+v_l\frac{\partialT_l}{\partialy})=\lambda_l(\frac{\partial^2T_l}{\partialx^2}+\frac{\partial^2T_l}{\partialy^2})+h_{fg}\rho_aD\frac{\partial\omega}{\partialy}其中，c_{p,a}和c_{p,l}分別為濕空氣和水膜的定壓比熱容，\lambda_a和\lambda_l分別為濕空氣和水膜的導熱系數(shù)，T_a和T_l分別為濕空氣和水膜的溫度，h_{fg}為水的蒸發(fā)潛熱，D為水蒸氣在濕空氣中的擴散系數(shù)，\omega為水蒸氣的質(zhì)量分數(shù)。傳質(zhì)方程：\rho_aD(\frac{\partial^2\omega}{\partialx^2}+\frac{\partial^2\omega}{\partialy^2})+\rho_a(u_a\frac{\partial\omega}{\partialx}+v_a\frac{\partial\omega}{\partialy})=0邊界條件：在平板表面（y=0）：u_l=0，v_l=0，T_l=T_w，\omega=\omega_{sat}(T_w)在氣液界面（y=\delta）：u_a=u_l，v_a=v_l，T_a=T_l，\rho_aD\frac{\partial\omega}{\partialy}=\rho_lv_l\omega在濕空氣入口（x=0）：u_a=u_{a,in}，v_a=0，T_a=T_{a,in}，\omega=\omega_{a,in}在無窮遠處（y\to\infty）：u_a=u_{a,\infty}，v_a=0，T_a=T_{a,\infty}，\omega=\omega_{a,\infty}4.3.2計算結(jié)果及分析利用數(shù)值計算方法對上述數(shù)學模型進行求解，得到濕空氣外掠二維降膜流動傳熱傳質(zhì)過程中的速度場、溫度場、濃度場等參數(shù)的分布情況。通過分析這些計算結(jié)果，可以深入研究順流、逆流工況下的傳熱傳質(zhì)性能。順流工況分析：在順流工況下，濕空氣和水膜的流動方向相同。隨著濕空氣的流動，其溫度逐漸升高，濕度逐漸增大；水膜的溫度逐漸降低，厚度逐漸減小。在入口段，由于濕空氣與水膜之間的溫差和水蒸氣分壓力差較大，傳熱傳質(zhì)速率較快。隨著流動距離的增加，溫差和分壓力差逐漸減小，傳熱傳質(zhì)速率逐漸降低。從速度場分布來看，濕空氣和水膜在氣液界面處的速度逐漸趨于一致，這是由于氣液界面處的剪切力作用導致的。在溫度場分布方面，濕空氣和水膜的溫度在氣液界面處存在一定的溫度梯度，這是熱量傳遞的驅(qū)動力。在濃度場分布方面，水蒸氣的質(zhì)量分數(shù)在氣液界面處較高，隨著向濕空氣主體的擴散，質(zhì)量分數(shù)逐漸降低。逆流工況分析：在逆流工況下，濕空氣和水膜的流動方向相反。與順流工況相比，逆流工況下濕空氣與水膜之間的平均溫差更大，傳熱傳質(zhì)的驅(qū)動力更強。在逆流工況下，濕空氣在流動過程中不斷吸收水膜蒸發(fā)的水蒸氣，其濕度迅速增大，而溫度升高的幅度相對較?。凰ぴ诹鲃舆^程中不斷放出熱量，溫度降低的幅度較大，厚度減小的速度也更快。從速度場分布來看，由于濕空氣和水膜的流動方向相反，氣液界面處的剪切力更大，導致濕空氣和水膜在界面處的速度變化更加劇烈。在溫度場分布方面，逆流工況下濕空氣和水膜之間的溫度梯度在整個流動過程中相對較為均勻，這有利于提高傳熱效率。在濃度場分布方面，水蒸氣的質(zhì)量分數(shù)在氣液界面處同樣較