Ảnh hưởng của hình dạng bề mặt lên hiệu suất của bộ làm mát bay hơi gián tiếp dựa trên phương pháp CFD

Abdalazeem Adam1,2, Dong Han1, Weifeng He1, Qile Shi1, Junjie Chen1, Hong Zhong3
1Energy Conservation Research Group (ECRG), College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, China
2Department of Mechanical Engineering, College of Engineering, Karary University, Omdurman, Sudan
3Jiangsu Even Green Technologies Co., LTD, Yizheng City, China

Tóm tắt

Hình dạng bề mặt của các kênh ướt cho các thiết bị nước bay hơi trong làm mát, hút ẩm và khử mặn là rất quan trọng cho hiệu suất và tiết kiệm năng lượng, vì vậy cần được lựa chọn một cách cẩn thận. Do đó, nghiên cứu này khám phá cách mà hình dạng bề mặt ảnh hưởng đến cơ chế truyền nhiệt và khối lượng trong ống dẫn ướt của các bộ làm mát bay hơi gián tiếp. Kết quả là, ảnh hưởng của ba hình dạng bề mặt khác nhau (bề mặt phẳng, bề mặt bán nguyệt và bề mặt vuông) lên cách mà màng nước được hình thành, sau đó là ảnh hưởng của nó đến việc truyền nhiệt và khối lượng, cũng như tác động của tốc độ không khí và màng nước, đã được nghiên cứu bằng phần mềm CFD Fluent. Kết quả cho thấy rằng bề mặt phức tạp dẫn đến tốc độ không khí cao hơn trong hướng lưu thông so với các bề mặt đơn giản, dẫn đến dòng chảy hỗn loạn nhiều hơn và tăng tỷ lệ bốc hơi. Kết quả cho thấy rằng bề mặt vuông có vận tốc cao là 0.85 m/s, trong khi bề mặt phẳng có vận tốc là 0.7 m/s trong cùng điều kiện làm việc, và sự khác biệt này dẫn đến tăng tỷ lệ bốc hơi, có thể đạt tới 0.0175 kg/kg. Về phần nhiệt độ, bề mặt phẳng được phát hiện làm mát không khí về nhiệt độ thấp hơn do tốc độ tương đối thấp, điều này cho phép dòng không khí có đủ thời gian để trao đổi nhiệt. Nghiên cứu này giúp trong việc thiết kế các thiết bị bay hơi, cho dù chúng hoạt động trong lĩnh vực làm mát hay khử muối nước, bằng cách chọn hình dạng thích hợp của bề mặt trao đổi nhiệt để cải thiện hiệu suất của nó.

Từ khóa

#hình dạng bề mặt #bộ làm mát bay hơi gián tiếp #CFD #truyền nhiệt #truyền khối lượng

Tài liệu tham khảo

Pérez-Lombard L, Ortiz J, Pout C (2008) A review on buildings energy consumption information. Energy Build 40:394–398. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2007.03.007 Huang WZ, Zaheeruddin M, Cho SH (2006) Dynamic simulation of energy management control functions for HVAC systems in buildings. Energy Convers Manag 47:926–943. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2005.06.011 Payne FW, McGowan JJ (2012) Energy management and control systems handbook. Springer, Berlin Zhu G, Chow TT, Lee CK (2017) Performance analysis of counter-flow regenerative heat and mass exchanger for indirect evaporative cooling based on data-driven model. Energy Build 155:503–512. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.09.053 Luo Y, Yang H, Lu L (2014) Dynamic and microscopic simulation of the counter-current flow in a liquid desiccant dehumidifier. Appl Energy 136:1018–1025. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.06.023 Mahmood MH, Sultan M, Miyazaki T, Koyama S, Maisotsenko VS (2016) Overview of the Maisotsenko cycle—a way towards dew point evaporative cooling. Renew Sustain Energy Rev 66:537–555. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.08.022 Qasem NA, Zubair SM (2019) Performance evaluation of a novel hybrid humidification-dehumidification (air-heated) system with an adsorption desalination system. Desalination 461:37–54. https://doi.org/10.1016/j.desal.2019.03.011 Chiranjeevi C, Srinivas T (2014) Combined two stage desalination and cooling plant. Desalination 345:56–63. https://doi.org/10.1016/j.desal.2014.04.023 Adam A, Han D, He W, Amidpour M (2021) Analysis of indirect evaporative cooler performance under various heat and mass exchanger dimensions and flow parameters. Int J Heat Mass Transf 176:121299. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121299 Siebeneck K, Popov W, Stefanak T, Scholl S (2015) Pillow plate heat exchangers—investigation of flow characteristics and wetting behavior at single-flow conditions. Chem Ing Tec 87:235–243. https://doi.org/10.1002/cite.201400055 Audah N, Ghaddar N, Ghali K (2011) Optimized solar-powered liquid desiccant system to supply building fresh water and cooling needs. Appl Energy 88:3726–3736. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.04.028 Adam A, Han D, He W, Chen J (2021) Numerical analysis of cross-flow plate type indirect evaporative cooler: modeling and parametric analysis. Appl Therm Eng 185:116379. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.116379 Ishikawa H, Ookawara S, Yoshikawa S (2016) A study of wavy falling film flow on micro-baffled plate. Chem Eng Sci 149:104–116. https://doi.org/10.1016/j.ces.2016.04.021 Gonda A, Lancereau P, Bandelier P, Luo L, Fan Y, Benezech S (2014) Water falling film evaporation on a corrugated plate. Int J Therm Sci 81:29–37. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2014.02.010 Lee JH, Ro GH, Kang YT, Chang YS, Kim SC, Kim YL (2016) Combined heat and mass transfer analysis for LiCl dehumidification process in a plate type heat exchanger. Appl Therm Eng 96:250–257. https://doi.org/10.1016/J.APPLTHERMALENG.2015.11.040 de Antonellis S, Cignatta L, Facchini C, Liberati P (2020) Effect of heat exchanger plates geometry on performance of an indirect evaporative cooling system. Appl Therm Eng 173:115200. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115200 You Y, Jiang H, Lv J (2019) Analysis of influence of IEC heat exchanger based on CFD method. Energy Procedia 158:5759–5764. https://doi.org/10.1016/J.EGYPRO.2019.01.555 Wan Y, Ren C, Xing L (2017) An approach to the analysis of heat and mass transfer characteristics in indirect evaporative cooling with counter flow configurations. Int J Heat Mass Transf 108:1750–1763. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.01.019 Wan Y, Soh A, Shao Y, Cui X, Tang Y, Chua KJ (2020) Numerical study and correlations for heat and mass transfer coefficients in indirect evaporative coolers with condensation based on orthogonal test and CFD approach. Int J Heat Mass Transf 153:119580. https://doi.org/10.1016/J.IJHEATMASSTRANSFER.2020.119580 Liu Y, Li JM, Yang X, Zhao X (2019) Two-dimensional numerical study of a heat and mass exchanger for a dew-point evaporative cooler. Energy 168:975–988. https://doi.org/10.1016/J.ENERGY.2018.11.135 Khosravi Nikou MR, Ehsani MR (2008) Turbulence models application on CFD simulation of hydrodynamics, heat and mass transfer in a structured packing. Int Commun Heat Mass Transf 35:1211–1219. https://doi.org/10.1016/J.ICHEATMASSTRANSFER.2008.05.017 Haelssig JB, Tremblay AY, Thibault J, Etemad SG (2010) Direct numerical simulation of interphase heat and mass transfer in multicomponent vapour-liquid flows. Int J Heat Mass Transf 53:3947–3960. https://doi.org/10.1016/J.IJHEATMASSTRANSFER.2010.05.013 Haroun Y, Raynal L, Legendre D (2012) Mass transfer and liquid hold-up determination in structured packing by CFD. Chem Eng Sci 75:342–348. https://doi.org/10.1016/J.CES.2012.03.011 Luo Y, Yang H, Lu L (2014) Liquid desiccant dehumidifier: development of a new performance predication model based on CFD. Int J Heat Mass Transf 69:408–416. https://doi.org/10.1016/J.IJHEATMASSTRANSFER.2013.10.033 Banerjee R (2007) A numerical study of combined heat and mass transfer in an inclined channel using the VOF multiphase model. Numer Heat Transf Part A Appl 52:163–183. https://doi.org/10.1080/10407780601149862 Colinet P, Legros J, Velarde M (2001) Nonlinear dynamics of surface-tension-driven instabilities. https://doi.org/10.1002/3527603115. Accessed February 26, 2022 Cui X, Chua KJ, Yang WM, Ng KC, Thu K, Nguyen VT (2014) Studying the performance of an improved dew-point evaporative design for cooling application. Appl Therm Eng 63:624–633. https://doi.org/10.1016/J.APPLTHERMALENG.2013.11.070 Riangvilaikul B, Kumar S (2010) Numerical study of a novel dew point evaporative cooling system. Energy Build 42:2241–2250. https://doi.org/10.1016/J.ENBUILD.2010.07.020 Cui X, Chua KJ, Yang WM (2014) Numerical simulation of a novel energy-efficient dew-point evaporative air cooler. Appl Energy 136:979–988. https://doi.org/10.1016/J.APENERGY.2014.04.040 Young DL (1982) Methods for fluid dynamics, undefined 1982. Time-dependent multi-material flow with large fluid distortion Ci.Nii.Ac.Jp. https://ci.nii.ac.jp/naid/10029507464/. Accessed February 27, 2022 Youngs DL (1982) Time-dependent Multi-material Flow with large fluid distortion. Academic Press, Numerical Methods for Fluid Dynamics, pp 273–285 ANSYS Fluent User’s Guide (2020). http://www.ansys.com Brackbill JU, Kothe DB, Zemach C (1992) A continuum method for modeling surface tension. J Comput Phys 100:335–354. https://doi.org/10.1016/0021-9991(92)90240-Y Zhang L, Hihara E, Matsuoka F, Dang C (2010) Experimental analysis of mass transfer in adiabatic structured packing dehumidifier/regenerator with liquid desiccant. Int J Heat Mass Transf 53:2856–2863. https://doi.org/10.1016/J.IJHEATMASSTRANSFER.2010.02.012 Bird RB (2002) Appl Mech Rev undefined (2002). Transport phenomena, Asmedigitalcollection.Asme.Org. (n.d.). https://asmedigitalcollection.asme.org/appliedmechanicsreviews/article-abstract/55/1/R1/458969. Accessed February 27, 2022 Gu F, Liu CJ, Yuan XG, Yu GC (2004) CFD simulation of liquid film flow on inclined plates. Chem Eng Technol 27:1099–1104. https://doi.org/10.1002/CEAT.200402018 The effect of absorber design on the performance of a (n.d.). https://iifiir.org/en/fridoc/the-effect-of-absorber-design-on-the-performance-of-a-liquid-desiccant-11987. Accessed February 27, 2022 Stoitchkov N, Dimitrov G (1998) Effectiveness of crossflow plate heat exchanger for indirect evaporative cooling. Int J Refrig 21(6):463–471