HDH海水淡化系统
为了开始解决前一章提出的研究问题，需要了解HDH海水淡化循环以及每个组分的贡献。在这方面，需要开发系统的数学模型。借助该模型，可以评估操作参数的影响以及气候条件的变化对整体性能的影响。还可以识别系统的相对益处和缺点，因此可以改善系统能量性能。
如第1章所述，系统配置的选择主要取决于系统的环境条件。对于这项研究，考虑了新西兰典型夏季的气候条件。假设平均辐射量为1000WW / m 2，平均风速为5m / s，压力为1个大气压，平均海水温度（海水淡化）为15°C，环境空气温度为20° C ，相对湿度为50％。另外，假设纯水的性质适用于脱盐的海水。
2.2。HDH海水淡化系统开发
为了实现高效的HDH海水淡化系统，选择了“露天/开放水，5个循环。如图19所示，提出的主要组成部分
21
太阳能HDH海水淡化系统是太阳能热水器，加湿器，冷凝器和省煤器。水被加热并且为了简单起见，加湿器被认为是具有逆流空气和水流模式的长通道。这种配置将减少沉降对加湿器性能的影响，同时减少循环空气和水所需的能量。提出了一种用于冷凝器的气液单通壳和双通管换热器，其在空气和水流上具有小的压降，因此降低了输入系统的能量。
| 图19.建议的太阳能加热HDH海水淡化装置考虑到海水作为冷却液并假设冷凝器中的湿空气有效冷却，预计排气的能量和水分含量低于环境空气的能量和水分含量。在此基础上，空气流的开放循环似乎适合于该系统。包括空气和水流的强制循环。 |
22
在冷凝器中产生饮用水，其中来自加湿器的湿空气被冷却流体冷却。如图20所示？穿过冷凝器的空气比湿度的变化决定了产生的淡水量。
| （S> 1/3 ^^} PF-HsnK ^ nosqv | |
| 10 20 30 40 50
干球温度（°C） 图20.加湿除湿脱盐过程的湿度循环 | |
2.3。模型开发
如图19所示，拟议的HDH海水淡化系统包括四个主要部分：太阳能集水器，冷凝器，加湿器和节能器。以下部分详细介绍了为每个组件开发的数学模型。
2.3.1。太阳能集热器
平板太阳能集热器已广泛用于HDH和其他海水淡化方法[71-741。一个简单的双层玻璃平板太阳能集热器是选择并建模为加热器。
集电极总热损失系数（U Ç〇ⅰ）是底部，边缘和顶部的热损失系数的总和。底部和边缘热损失系数可以分别从等式8和9计算。
冷凝器被建模为气液单通壳和双通管热交换器。这些热交换器以前曾用作HDH海水淡化系统中的除湿机[15,77]。对于管壳式换热器，有效性NTU方法可用于确定出口流体的条件，如公式13和14 [78]所示。冷凝器和省煤器都被认为是绝热的。
（14）
实际传热速率Qntu 是有效性和最大可能能量增益的乘积，如公式15所示。
（15）
等式16可用于计算所获得的最大可能能量。
（16）
现在，冷凝器的总传热系数可以通过公式19 [78]确定。
（19）
类似的液 – 液热交换器用作节热器。再一次，有效性 – NTU方法用于确定来自省煤器的流体的出口条件。方程式20用于确定节能器的有效性，因为没有相变。
其中，c是容量比，如公式21所示。
并且（mcpjmax 是空气和水的热容率中的较大者。
选择一个简单的加湿器，包括一个矩形横截面的水平长管道，如图21所示。在这个加湿器中，水沿着通道的底部流动，在水面上方有一个反气流。由于加湿器在中等温度下运行，因此将其建模为绝热系统。
28
| 盐水温暖的海水
图21.具有矩形横截面的长通道加湿器的示意图 |
质量和能量守恒以及热量和质量传递的相关性决定了空气和水流的出口条件。能量守恒由公式22给出。
（25）
对于矩形管道内的流动，特征长度是管道的水力直径，空气 – 水系统的质量扩散速率（/ l a – w）可以从公式26 [80]确定。
（26）
其中，压力（P）在大气压（atm），温度（7）在开尔文（K）。为了确定舍伍德数，我们首先需要利用我们对传热过程的理解。在这方面，空气和水之间的总传热速率是对流，蒸发和辐射传热的总和。由于系统在中等温度下运行，辐射传热可以忽略不计。对流和蒸发传热速率可分别由方程式27和28确定。
（28）
对流传热系数（h cv）可以确定为等式29中给出的努塞尔数的函数。
（29）
对于流过水面的气流，考虑了不对称加热矩形通道的条件。因此，对于模型的纵横比，
在湍流条件下，Nusselt数由方程式30 [79]给出，假设通道内流动的临界雷诺数为2300 [79]。
（30）
假设HDH海水淡化系统在低温和大气压下运行，Chilton-Coburn类比适用于本研究的条件[79]。因此，等式24和25中提到的传质系数（/）可以从等式31 [81]中给出的类比确定。
（31）
（32）
由于传热和传质是类似的，因此湍流条件下的舍伍德数可由公式32定义。
SH = ？0.023 / E° – 8 5C 1 / 3
2.4。计算解决方案
本章的目的是模拟HDH海水淡化系统，分析其对运行和气候条件的产量敏感性，并确定可能改进的领域。工程方程求解器（EES）[82]用于确定流体属性并解决前几节中开发的方程组。
为此，模型的输入是操作参数，如海水温度，环境空气温度和湿度，空气和水流量，风
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速度和总入射辐射。如图22所示，使用迭代方法为系统开发解决方案。为了达到解决方案，该模型估计离开加湿器的空气和水的温度，并检查出口空气和水的估计值之间的差异。温度和迭代后的计算值。当它们之间的差异小于0.01℃时，实现了解决方案。
对于冷凝器和节热器的出口条件求解方程式13至21。随后，该模型通过同时求解太阳能热水器的出口条件的等式1至12来确定加湿器的入口条件。
32
| 图22.用于模型的算法的流程图 |
33
在加湿器内部，传热和传质系数随蒸汽压力和温度而变化。为了对此进行建模，将加湿器分成一系列有限元，如图23所示。假设条件在每个区间内是恒定的。
| 潮湿的空气 |
温暖的海水
需要迭代解决方案来确定来自加湿器的出口空气和水的条件。为了实现这一点，该模型首先将排出的水温估计为入口空气的湿球温度，然后针对每个间隔的出口条件求解方程式22至32。为该迭代定义的收敛标准是离开太阳能水收集器的水的温度与加湿器的入口水的计算温度之间的差值，其被认为是0.01℃。
图23.沿加湿器的每个区间的条件变化很明显，较短的区间将导致计算结果的更好准确性。然而，这增加了间隔的数量并且显着增加了计算时间。测试了间隔大小（以及间隔数）的影响，并且该分析的结果显示在图24中。基于此，确定lw的间隔将产生足够的精确度用于该工作。
间隔长度（m）
图24.间隔长度对加湿器计算结果精度的影响
2.5。模型的结果
为基准溶液，它被假定HDH模型将使用两个双层玻璃的太阳能热水器，提供4的吸收体区域米2，以提供所需的热输入。加湿器将提供1:1的总蒸发面积米2。两个管壳式换热器，每一个都提供1.6的转印区域米2，被认为是除湿器和节能器。设计参数的更多细节如表1所示。
| 表1.设计参数 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 为了理解某些参数如何影响系统的性能， | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
进行了敏感性分析。饮用水生产对海水和环境空气温度，空气和水流速，总辐射的敏感性，
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加湿和冷凝区域进行了评估。表2给出了这些变量的范围及其标称值。
| 表2.灵敏度分析的自变量的范围和名义值 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| 。9 。8 。7 。6 。5 。4 。3.2
（Jll.u.213n 力oj j |
如图25所示，增加总辐射线性地增加了系统的产量。增加总辐射导致更高温度的水进入加湿器，因此导致加湿器中更有效的加湿。
0.1 0
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
总辐射，G t（W / m 2）
图25.饮用水的生产率与总辐射的关系在图26中，给出了改变入口海水温度对饮用水生产的影响。增加入口海水温度会增加系统的总输入能量，但海水也必须冷凝来自加湿器的潮湿空气。结果表明，增加进水海水温度会降低海水温度
36
生产率。此外，太阳能收集器中较高的水温会增加对环境的能量损失。
| 0.9
。8 。7 。6 。5 。4 。3.2 0.0.0.0.0.0.0。 （Jqs / ^）JpnlJOJ j |
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0.1 0
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
入口水温，T Wyin（°C）
图26.饮用水的生产率与进水温度的关系如图27所示，增加水流量会降低饮用水的产量。这是因为供给系统的水量较大，降低了太阳能集热器的温度变化。因此，水在较低温度下进入加湿器，并且导致较少的蒸发并因此产生较低的淡水。
| OI
1 。9 。8 。7 。6 。5 。4 。3.2 （Jn ^ m / 351）uojpn 力oj j | |
| Ø
1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 -5 水流量，V w（m 3 / s） 图27.饮用水的生产率与水的体积流量的关系 ×10 | |
37
在较高的水温下，预计超出饱和状态的明显加热，而为了发生冷凝，需要将过热的空气冷却至露点以下，这意味着可能需要额外的冷凝区域。
如图28所示，将气流速率增加到0.02 m 2 / s会导致产量显着增加，但超过此范围，产量增加不明显。这可以通过以下事实来解释：增加气流速率通过连续供应新鲜空气来增加水分承载能力，但也减少了加湿器和冷凝器中的空气的温度变化。因此，通过增加气流速率，湿气温度在加湿器的出口处下降，而来自冷凝器的排气的温度增加。这些最终会降低淡水生产率。
空气流量，V a（m 3 / s） xl ° 20 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2
图28.饮用水的生产率与空气的体积流量的比率现在在图29中可以看出，随着环境空气温度的升高，饮用水的产量会增加。这是由于在较高温度下空气的较高的水分承载能力，并且还由于水流的显着加热而改善了蒸发过程。这种明显的加热也增加了
38
排出水的温度，由经济器中的入口水回收。结果，增加了加湿器入口水的温度，这也增加了蒸发速率并增强了系统的生产。
| .7i.5.4 0.0.0.0。
（Jq.m / ^）u.2t3IH} OJ j | |
| 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
进气温度，T ttf i n（°C） 图29.饮用水的生产率与环境空气温度的关系 | |
以前注意到冷凝器面积可能是一个重要因素。在图30中，可以看出，将冷凝面积增加到2m 2会导致饮用水产量的增加，然而，超过该值，产量没有显着增加。提供更大的冷凝区域允许水和空气流之间的更多热传递，但来自冷凝器的排出空气的温度以及因此冷凝速率受到冷凝器入口水温的限制。
39
0.9
• 8 – 7 – 6 – 5 – 43 – 2 l。° – 0 – 0 – 0 – 0 – 0 – 0 – 0 –
（Jn.m /§>！）u.2pnI> OJplh
| V 一个 =0.02米3 / s的V 瓦特 = 3XL 〇– 5米3 /式T 瓦特，在 = 15 〇（C T）一个，在 = 20 〇C G 吨 = 1000瓦/米2 甲HMD = LM 2 |
0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6
冷凝器表面积，A con（ i （m 2）
| 。9 。8 。7 。6 。5 。4 。3 。2.1 （Jq.m / ^）u.2pnl> OJplh |  |
| 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
加湿器表面积，（m 2） 图31.饮用水的生产率与蒸发面积的比率这通过保持液体表面和本体流之间的蒸汽压差来增加蒸发速率。然而，明显的加热是有限的 | |
40
图30.饮用水的生产率与冷凝面积的关系加湿器尺寸的影响如图31所示。将加湿面积增加到1.4 m 2会导致产量显着增加，超过该值，生产率仅略有增加。增加加湿面积允许通过水更加明智地加热气流。
通过入口水温到加湿器。因此，增湿区域的增加导致产量的增加减少。
| V 一个= 0.02米3 / s的V 瓦特 = 3XL 〇– 5米3 /秒
T w，in = 15°CT a，in = 20°C G t = 1000 W / m 2 A con d = 1.6 m 2 |
现在对于简单的HDH海水淡化系统，长通道加湿器是一个很好的解决方案。然而，需要大面积的加湿来实现合理的饮用水生产率。这增加了总尺寸并因此增加了单元的成本。相反，通过改善传热和传质系数，可以增强加热和加湿过程并最终提高系统的产量。如图32所示，对于相同的加湿区域，如果在假想的加湿器中传热系数和质量传递系数可以增加50％，则饮用水的产量将显着增加。这表明需要探索实现转移系数增加的方法。
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
加湿器表面积，（m 2）
图32. HDH产生与增强的传热和传质系数的比较
2.6。章节结论
在本章中，开发了使用长管道加湿器的太阳能HDH海水淡化的简化模型。评估了系统产水的灵敏度
41
在气候条件和操作参数方面。结果表明，加湿器中的空气和水温较高，蒸发面积增大，传热传质强度提高，加热和加湿过程得到改善，从而改善了系统的生产。另一方面，增加冷凝面积以及具有较低的海水温度增强了冷凝过程，这也增加了系统的产量。模型的结果表明，生产率主要受加热和加湿过程而不是除湿过程的影响，特别是加湿器中的传热和传质。
因此，为了开发一种有效的太阳能HDH海水淡化系统，第1章中提出的研究问题被改进为：
如何开发一种简单的加湿器，以有效的方式混合空气和水，以增强传热和传质现象？
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第3章：在交叉流动的空气流中降低水页■表征流量
制度下
3.1。介绍
在前一章中已经表明，改善加湿器中的传热和传质过程有可能显着改善HDH海水淡化系统的性能。考虑到热量和质量交换器中液体和气体流的有效混合增加了热量和质量传递的强度，许多研究已经检验了填充床和喷雾塔的有效性[83-92]。这些增加了蒸发面积并提供了改进的气体和液体混合，然而，它们通常需要相当大的功率输入以将空气吹过填充材料并在加湿器上喷水。在HDH系统中，水流通常是温暖和咸的，这可能会产生沉积物并阻塞填充床的孔隙或喷雾塔的喷嘴[70]。第2章介绍的长通道加湿器是解决沉淀问题的好方法。然而，由于空气和水之间缺乏有效的相互作用，热量和质量传递的强度很弱。因此，需要开发一种加湿器，其能够以低功率输入更好地混合空气和水，并且对沉降不太敏感。
为了解决这个问题，建议空气和水的相互作用应该以交叉流动配置发生，其中水平管道的气流穿过垂直的落水板。
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在这方面，在图33中示意性地示出的级联加湿器，其中下落的水片间歇地与水平流动的空气流混合，可以显着改善转移现象。这将构成对该要求的非常简单的解决方案并且可能消除加湿器中的沉降问题，因为在托盘表面上可能发生任何可能的沉降，这不会影响传热现象。Kraft等人[93]介绍了一种与此类似的级联加湿器？增加海水淡化系统的加湿面积，但在他们的研究中没有考虑下降水的影响。
| 图33.具有横流和逆流的级联加湿器的建议示意图
互动 |
如图33所示，所提出的级联加湿器中存在两种主要的相互作用类型; 逆流和横流。逆流相互作用实际上与矩形管道中的相互作用相同，矩形管道在第2章中进行了建模和讨论。但是，对于空气与下落的水流的横流接触似乎做的很少，从概念上讲，它似乎是一种非常有效的相互作用方式，可以改善传热和传质。
静止和移动气流中的液体下降具有多种不同的应用，包括幕涂，喷雾和雾化，曝气和液体介质中的气体吸收。大量研究已经研究了液体下降的行为，没有任何气体交叉流[94-100]。同样，许多研究也有
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检查了气体共流的液体薄片的行为以及横流中的环形射流[101-103]。Bolanos-Jimenez等。[104]对平行流动情况下的空气和水板的行为进行了理论和实验研究。他们报告了一种“冒泡”状态，导致气片周期性破裂，以及“喷射”状态，两种薄片都在下游缓慢进化而没有破裂。他们认为，这两种制度的形成取决于两个参数，即：水的韦伯数和空气与水之间的速度比。
Ng等人。[105]对他们称之为“带有气体横流的圆形非湍流液体射流的袋子破裂”进行了实验研究。他们发现，由于气体交叉流，在射流中会形成一系列柱状波。并且可变波频率引起不稳定性。据报道，主要的分裂过程是由于横流的空气动力学效应，而不管液体射流内的初始干扰。
Brown [106]将其扩展到液体薄片流，研究了一个薄片液体离开槽并撞击移动的固体表面的行为。据报道，除非槽外的液体速度大于2 y // m，否则液体板在靠近槽的区域会不稳定，其中y / 是液体的表面张力，m 是水质量流量率。发现该片材对于韦伯数大于1的稳定性。Becerra等。[107]还对粘弹性液体薄片的稳定性进行了实验研究，并报告说，对于低于0.94的韦伯数，液体薄片将不稳定。
尽管已经开始研究降低液体薄片流和圆形液体射流的交叉流，但似乎没有研究评估
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当液体薄片落下时，热量和质量传递强度暴露在气体交叉流中。
因此，决定研究和理解交叉流相互作用对热量和质量传递强度的影响，以提高HDH系统的产量。在这样做时，预期当改变系统中的空气和水的速度时会发生各种流动状态。在其他两相流中，这些流动状态导致不同的传热和传质特性，并且认为这可以通过这种流动组合发生。本章介绍了这些流态的调查，识别和评估，以便更深入地分析其传热和传质特性。
3.2。实验方法：流动方案的表征
开发了一项实验研究来表征交叉流配置中的流动行为。在这些实验中，将一片水注入矩形空气通道，如图34所示。使用宽度等于空气通道宽度的开槽喷嘴产生水板，因为它提供了对水的控制。片材的厚度和方向。虽然这不是通过堰上的级联流产生的薄片，如图33所示，但它提供了更好的实验控制并反映了流动相互作用。开槽喷嘴是由两个精细研磨的不锈钢板形成，提供0.5的均匀厚度毫米穿过喷气机出口。选择不锈钢是因为它的热膨胀系数低，确保喷射器的厚度在一定的水温范围内保持合理的恒定。升高的蓄水池用于为喷射器提供恒定的压头，其中该贮存器的高度是可调节的，以便提供一系列流速。水流量是
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通过测量已知质量的水通过喷嘴所花费的时间来确定。为了提供横流，通过变速轴流式风扇将空气引导通过管道，最大容量为280rr / hr。管道的尺寸为100 毫米的宽度，高度可在30和100 毫米之间调节。通道高度是可调节的，因此也可以评估下降高度对流动状态的影响。对于每次测试，气流速率是通过使用穿过管道的皮托管静态探针和差压计进行的测量来确定的。附录A详细说明了与实验中测量结果相关的不确定性。
该实验的主要目的是检查和表征横流配置中水板的行为，因此，使用两个相机（Nikon D300和Nikon D3300）来捕获空气和水相互作用的图像。如图34所示，安装第一个（摄像机1）以捕获侧视图像，而第二个（摄像机2）用于捕获水板的剖面图像。
为了理解水和空气相互作用的行为，决定自己研究掉水的行为。因此，实验是
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分两步进行; 首先，通过在没有交叉气流（静止空气）的情况下改变水流速，其次通过改变各种水流速下的气流速率。
3.3。结果：静止空气中的水床
水片材在暴露于空气的静态行为进行了研究两个下降高度（36和48 MM）与来自0.75xl改变水流速率〇-5至5×10 〇-5 米8 /秒。选择该流速范围以证明在停滞空气中下降的水流的所有可能的流动状态。水的性质在平均水温下测定。表3中给出了实验条件。
表3.观察静止空气流动状态的实验条件_
| 喷嘴宽度（W Ñ〇z）的 | （所） | 0.1 |
| 喷嘴厚度（TH Ñ〇z）的 | 〇） | 0.0005 |
| 水流量（V W） | （m 3 / s） | 0.75xl 〇– 5 TO5 ^ 10〜5 |
| 水温（T W） | CQ | 15 |
| 坠落高度（Hf） | 〇） | 0.036; 0.048 |
注意到在这些条件下，水板的几何形状取决于通过喷嘴的水流速以及通道中的下落高度。重力和阻力在垂直方向上起作用，使得重力将加速流动，而阻力试图减缓壁上的下落液体。沿着喷嘴的宽度，粘度影响速度分布，并且表面张力起作用以最小化流动的能量状态。
值得注意的是，在静止空气中，无论水流量如何，水板都是稳定的。根据落下高度和通过喷嘴的流量，稳定的板材本身提供五种不同的几何形状。首先，如图35a所示，通过提供高水流量，在没有气流的情况下形成液体薄片。
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速率，从而形成一个跨越管道整个宽度的稳定板材。随着流速降低，对于固定的喷嘴宽度和管道高度，流量通过另外四种方式转变，称为“梯形”（图35b，c和d）？ C V sheef（图35e）？ 5 Y片5（图35f），最后是’手指流5（图35g和h）。为了捕获这些图像，将摄像机（Nikon D3300）沿管道轴向安装。
| 图35.水流状态从全宽片到手指流的变化（在秋天高度0.036米处）; 一）全宽片材（V.9 ^ 1（T 5米3 /秒）中，b）梯形片（V 瓦特 = 3.35×10′ 5米3 /秒），c）中的梯形片（V 瓦特 = 3> <1 （/ 5米3 /秒），d）梯形片（VW = 2.8 ^ 10′ 5米3 /秒）中，e）V 片（V ^ JY-LCR 5米3 /秒）中，f）Y片（V w ^ 2xl（X 5 m 3 / s），g）手指流（V w = 1.2 ^ 1（y 5 m3 / s），h）手指流量（V w = 0.75 ^ ia 5 m 3 / s） |
考虑图35中的流量状况？很明显，在高流速下，液体的惯性支配着流动的形成。对于这些条件，射流出口处较高的液体速度产生足够的惯性以将片材的边缘保持在
通道的墙壁。此时，液体和壁之间的粘附力起作用
49
将流体“附着”到墙壁上。因此，壁的边界，固定的喷嘴宽度和管道高度限制了流向跨越管道的整个宽度的片材的流动。
然而，随着流量减小（或管道高度以固定的流速增加），流体保持附着在墙壁上并保持连续性的能力变得更加困难，特别是当板材由于降低水流速而“变薄”时。由于必须保持连续性并且壁上的粘附力相对较弱，它们最终会被表面张力所取代，以使横截面的周长最小化。这最终导致流动从壁上脱离并产生“梯形”状态，如图36所示。
粘着
降低水流速度甚至进一步继续减小相对于表面张力的动量，因此片材宽度减小，直到片材的边缘在管道的底部相遇。这首先导致V形片材并最终导致Y形片材，其中片材的边缘在水落在管道底部之前相遇。
进一步降低水流速度，片材开始破裂并沿喷嘴宽度形成平行指状物。这又可以通过流动维持来解释
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连续性，表面张力试图使表面区域的周长最小化。图37说明了这一点，表明在低水速下，表面张力将流分成多个流。这导致所谓的“手指流4”状态，留下喷嘴，沿其长度具有干斑。这种流动行为先前由K / Iarston等人研究过。[99]。
| 图37.插槽内的速度曲线 |
3.4。结果：水板与空气横流
在横流结构落下的水的片材的行为在各种流率进行了研究（2×1 〇‘ 5至5倍升〇“ 5 米3 /秒）的范围内的气流速率（0.42xl的〇‘ 2至2XL 〇’ 2 米3 /秒）。从0.036增加下落高度的效果米-0.048 米也进行了评价。在这一系列测试中，相同的喷嘴尺寸是用作与静态空气中进行测试。表4示出的实验条件。
51
| 喷嘴宽度 | 〇） | 0.1 |
| 喷嘴厚度 | 〇） | 0.0005 |
| 水流量 | （m 3 / s） | 2×10′ 3至5×10 〇– 5 |
| 空气流量 | （m 3 / s） | 0.42×10” 2 2倍] 〇〜2 |
| 水温 | （C） | 15 |
| 气温 | （C） | 20 |
| 空气湿度 | （ – ） | 0.50 |
| 坠落高度 | 〇） | 0.036; 0.048 |
通过改变水流速，在各种气流速率下，对于所测试的条件，发现了四种不同的相互作用模式，如图38所示。图38（ab）9中所示的“断片” 在较高流速下形成。空气和低流速的水。在较低的气流速率，无论水的流速的，观察到水片为4稳定9如在图38（CD）看出。高流速的空气和水导致形成“扑动片”，如图38所示（e_f）。如图38（gh）所示，在较高的水流速下进一步增加气流导致形成稳定的提升的牛肉。
52
凸轮
| d） | |
| Cam 2 | >’
– N. |
凸轮
凸轮
图38. 空气横流中的水流状况; a 和b）破碎板（V w = 2.4 ^ l（f 5 m 3 / s 和V a = 0.9 ^ l（fm 3 / s）; c 和d）稳定板（V w = 3.9 ^ 10 5 m 3 / s 和V a = 0.71 x JO 2 m 3 / s）; e 和j）Jlcq>平板（V w = 3.9 ^ 10 5 m 3 / s 和V ^ O 9 ^ 10 2 m3 / s）; g 和h）破片（V w = 5 × IQ 5 m 3 / s
cmd V a = J.8x JO 2 m 3 / s）;
将空气横流引入通道导致横跨板的压力差以及空气动力阻力，其取决于空气流的速度和水板的面积。纸张上的压力差导致纸张弯曲，推出中心并在侧面拖动。而且，取决于阻塞率（片材面积与通道的横截面积的比率），一部分空气通过片材，对水流状态没有显着影响，如图39所示。
53
| 图39.与相对较小的水板接触的气流的行为 |
增加气流会增加阻力，这使水板与水平面保持一定角度。另一方面，水的惯性和重量试图“保持”垂直流动。然而，增加水流量会增加水板的面积和质量，结果增加了作用在水板上的重量和阻力。在水片内，表面张力试图将片材保持在一起，但是一旦阻力主导内部内聚力，水片就会断裂。已经发现，如果片材中的速度分布和因此水片的厚度是均匀的，则片材在片材的尾端破裂，如图38（ef）所示。或者，如图38（ab）所示，如果模具速度分布不均匀，则垂直分解。
取决于坠落高度和在喷嘴处的水的速度，稳定板的几何形状被看作是’Y 5，三角形或梯形形状，只要空气不足以破碎或翻转水。片。在相对较低的水流速和较高的下降高度下，板的边缘在底部上方彼此相遇
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创建Y表的通道，如图35f所示。通过增加稳定板材上的空气横向流动，由于空气引起的阻力最初使落下的水板倾斜并在板材的中间产生凹形拱形。进一步增加气流，这些条件增加了拱的凹度。图40通过显示稳定的Y片说明了这一点。
| 图40.稳定的YSheet（V v = 2 ^ 1（T 5 tri / s和V a = 0.42> ^ ld 2 n ^ / s） |
增加水射流速度增加了水流的惯性，这通过使纸张的边缘远离中心而增加了纸张面积。增加出水速度也会增加水流的动量，从而将拱道推向空气隧道的底部。在相当高的水流动力的情况下，在片材坚固的情况下，拱壁变成水隧道。在不同的水流速下，拱的位置具有恒定的气流速率，并且转变为水隧道，如图41-a至41-f所示。由于Y片材的阻塞率小，这些片材上的阻力相对较小，因此需要更高的气流速率来破碎片材。
然而，三角形和梯形几何形状的较大阻塞比导致较高的阻力。因此，在较高的水流速度下，板壁随着管道中较低的空气流速而改变其模式。在这方面，片材的倾斜角度取决于阻塞率和阻力，因此在较小的阻塞比率下
倾角较小。另一方面，增加水流速度会增加水在垂直方向上的动量，从而试图减小倾斜角。与此相反，增加管道中的空气速度具有由于阻力而使板变薄的效果，从而增加凹拱的尺寸直到其最终破裂或移动到扑动模式。
| 图41.位置afd。在ifTcreased水JL拱的形状〇-v？速度和公共空气流量 |
0.9 ^ l（fm 3 / s，在下降时的平均值为0.036 m; a）I（T J m 3 / s，b）V w = 3。55x Im 3 / s，
c）V w = 3.9 ^ 1G 5 m 3 / s，d）V W = 4.35 ^ 1G 5 m 3 / s，e）V W = 4.74 ^ 1G 5 m 3 / s，J）V w = 5y-ICF 5 m 3 / s
通过在低水流速下增加空气速度或在高气流速率下减少水流，可以从拍打或稳定的片材产生破碎的片材。由于壁效应，空气的速度在中心处较高，从而在片材上产生剪切应力。同时，在较低的水流速下，在喷射出口附近发生变薄。因此，一旦板材相对较薄并且由于气流引起的剪切应力足够强以克服表面张力和水的惯性
如图42（af）所示，纸张将垂直分解成手指或较小的纸张。
在破碎之后，表面张力用于将这些脱离的流的边缘拉向它们的中心，以便最小化水板的表面积。这最终使每个单独的流动变稠以形成指状物，这减小了空气和水片之间的接触面积。结果，水流上的阻力将更小并且导致更小的倾斜角。
通过以固定的水流速度进一步增加气流或以固定的气流速率减小水流量，手指将破裂成液滴。这可以通过由于重力和阻力而在倾斜方向上加速的水流来解释。随着水的加速，水指的横截面由于连续性而减小，并且最终，表面张力将手指破碎成液滴，以使水流进入其最小能量状态。
图42.在恒定水流下将三角形片材分成手指
（V w = 2.4y-1 m 2 / s）通过增加气流; a和b）V 一个 = 0.41 ^ 10′ 2米3 /秒，
Ç以及d）V 一个 = 0-7xl0′ 2米2 / S，E和j）在Va = 1.21xlU 2米3 /秒
一旦在喷嘴处的水流的速度足够高，使得片材在其下落时仅稍微变薄，则片材倾向于抵抗垂直断裂。在这些条件下，如果气流中有足够的动量，则片材上的压力差能够整体提升片材，如图43和图44所示。一旦片材被抬起，片尾端由于近水平面中水的持续加速，薄片破裂成液滴。片材的提升解除了通道的阻塞，从而减小了片材上的压降，因此，由于重力，片材回落通过通道并重复该过程。这种振荡，这里命名为“扑片5，在图44（CD）示出5 添加了
当纸张从近垂直位置向水平位置轻弹时，间歇地断开纸张尾部的效果。
通过增加空气或水的速度，可以进一步扩大图43中所示的扑动区。在足够高的空气速度下，空气中有足够的动量来平衡重力并使片材保持倾斜角度，使得拍打停止。正如预期的那样，随着气流的增加，纸张的倾斜度更高。在这些条件下，气流将水流的边缘推向空气通道的中心。因此，该模式被称为“稳定提升片材5”。图44（af）显示了稳定片材（ab）到扑片（cd）的转变，最后通过改变气流速率在恒定水流下转变成稳定的提升片材（ef）。
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| 图44.在V w = 3.9x 1（/ 5 m 3 / s和下降高度为0.036 m; aandb）Va ^ O 的水流速下，从稳定的片材到扑片的流动状态和稳定的合并流的转变^×10” 2米3 /秒，candd）V 一个 = 〇.92xl（X 2米3 / S，E和j）V 一个 = 1-8> <W 2米3 /秒 |
流动状态图是用于定义特定系统中不同类型的流动状态之间的边界的图形工具。这些基于最能描述系统的参数。已经针对各种几何形状和条件提出了Vlany类型的流态图[108-111]，当描述停滞气体中的下落液体时，Weber数（定义为惯性与表面张力的比率）通常用于表征流动[104,106,107]，考虑到气体流量，雷诺数（定义为惯性和粘性力的比率）通常用于描述通道中气体流动的特征[79]，
当水平管道气流与下落的水片相互作用时，水片的特性可以用其韦伯数来描述，并且片材对气流的响应可以用气流的雷诺数来表示。
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因此，决定根据公式33中所示的水的韦伯数和公式34中给出的雷诺数空气来绘制流动状态图。
Pw ^ ch，w ^ ch，w _Pw ^ ch，wQw Pa ^ ch，a ^ ch，a
（33）
（34）
为了适应重力和坠落高度的影响，水的特征速度被认为是水的特征速度，因为它在停滞的空气中落在通道的底部。这不是直接测量的，但可以使用伯努利方程估算，如公式35所示。着陆速度也用于确定Kyotoh等人的韦伯数。
K ：h，w = Jv m w 2 + 2gH F （35）
（36）
知道水流速和喷嘴的横截面积，可以确定喷嘴处的水的平均速度（V m，w）。用于“流动”韦伯数的水板的特征长度先前被选择为喷嘴出口处水板厚度的一半[97]，而在本研究中，为了适应下降高度的影响，考虑了“本地”韦伯数字。为此，确定通道底部的板厚度，假设没有交叉气流并且水板跨越管道的整个宽度。如等式36所示，该厚度的一半被认为是文献[97]中使用的特征长度。
LCH，V
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落水板的形状和范围通过其对空气流的横截面积的影响影响空气横流的雷诺数。因此，较高的水流速导致较大的堵塞率，因此通过减小横截面积来增加空气的速度。因此，在确定雷诺数时，平均速度被认为是如等式37中所定义的特征速度。
y c h，a = ~ V R （37）
其中，合成速度（Vr）由公式38给出。
^ = （38）
为了同时适应下降高度和通道宽度对雷诺数的影响，选择等式34中的气流的特征长度（L c h，〇）作为管道的对角线。
进行了一系列实验，以便在管道空气与下落的水片的交叉流相互作用中表征和映射不同的流动状态。在这些测试中，改变气流速率以提供5000到25000之间的雷诺数范围，并且改变水流速以提供从1.5到7的各种韦伯数。这将超过预期的条件范围。在级联加湿器中。
图45示出了基于所述空气的雷诺数和韦伯水数的流态图。
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| 稳定的提升板
t碎片 | |
| 25000
20000 15000 10000 | |
韦伯水量
图45.基于雷诺空气数和韦伯水数的空气和水交叉流相互作用的流态图。
据观察，对于整个检测范围的Weber数和较低的雷诺数，水片是稳定的。可以看出“稳定板5 ”的临界雷诺数大约为12500，超过该值，根据韦伯的水数，稳定的板材被转变成“破碎板5”或“翻板5”。在所检查的范围内，临界Weber数被认为是约3.5，低于该值，发现流动状态被“破坏5”，并且超过该值，观察到’扑动片5。还观察到第二个临界雷诺数约为22500，超过该数量，’扑动片5被转变为’稳定的提升片5。
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在考虑流动状态及其对转移现象的影响时，可以得出一些结论。首先，在“稳定的片材5 ”的情况下，液体中的惯性倾向于支配流动行为，这防止了空气和水的混合，因此转移区域限于液体片的面积。由于空气和水之间缺乏相互作用，因此对于该流动状态可预期较差的热量和质量传递系数。
其次，在“破碎片材5”方案中，空气惯性支配流动行为，其通过将水片破碎成液滴而提供相对大的转移区域。在高雷诺数下观察到这种流动状态，这增强了主体流的湍流并且可以改善转移过程。然而，由于能够绕过水板的大量空气，气流与液体薄片的相互作用较小。
第三，在’扑鳍片中，流动行为反复变化，间歇地控制空气和水的惯性，这提供了良好混合的流动，人们可能期望在转移过程中有力地帮助。该流动状态通过在片材在近水平位置轻弹时将片材的尾端破碎成液滴而提供大的转移区域。
最后，对于“稳定的提升的鳍状物”，通过将片材保持在稳定的角度，空气的惯性支配着流动的行为。这将减少两个流的混合，但是由于沿水平面的连续加速，纸张的尾端破裂成液滴，这提供了相对大的转移区域。此外，在该流动状态中，两个速度都很高，这可能会增强传递
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流程。基于这些观察结果，很有可能在不同的相互作用模式中，’扑鳍片和’稳定的提升的鳍片将提供最高的传热和传质系数。
3.5。实验结论
为了识别和绘制不同的流动状态，进行了一系列关于横流管道空气流中下落水的行为的实验。
为了了解这种现象，最初研究了静止空气中水的下降行为。已经发现，对于恒定的喷嘴尺寸并且取决于水流速和下降高度，可以形成五种下落水模式，即：矩形，梯形，V形，Y形和指状流。这些流动状态详细说明了落水的惯性以及内聚力和粘附力。
随后在停滞的空气中进行实验，确定了各种空气流速下各种水流量的相互作用模式; ‘稳定的床单‘， ‘破碎的床单’/拍打床单’和’稳定的提升床单’。然后根据空气流的雷诺数和韦伯水数绘制这些图。
这些模式通过空气和水流动量的相对强度，表面张力和阻塞率来解释。在较低的气流速率下并且不管水流速如何，观察到落下的水的轨迹是稳定的。这种稳定的片材在气流速率增加和水流速低的情况下转变为破碎片材，而在较高的水流速下，增加气流速率
造成扑动板的形成。据观察，气流速率的进一步增加将停止拍打，从而形成稳定的提升片材。
基于每种流态的特征，简要讨论了这些流动状态下的传热和传质强度。最有可能的是，在观察到的相互作用模式中，“拍打片”和“稳定的提升片”将具有最高的传热和传质系数。