文摘

)的应用计算流体动力学(差价合约在多孔介质的面积和吸附制冷系统变得更加实际的,因为计算机能力的显著提高。先前的研究结果表明,CFD可以有用的工具对于预测水蒸汽流模式,温度、传热和流动速度和吸附率。探讨硅胶颗粒大小的影响在水面上吸附率使用计算流体动力学和重力实验(TGA)方法。

1。介绍

硅胶的吸附性质研究了多年等许多行业中使用硅胶吸附冷却系统。过去的研究已经显示实验的adsorpitivity硅胶颗粒取决于它们的大小。这项工作的目的是研究颗粒大小的影响硅胶的吸附性质,利用CFD和比较仿真结果与实验获得的。计算流体动力学(CFD)是一个领域,已经发展多年来,因为电脑和CFD模拟的新发展。CFD也是一个仿真工具用于制冷和空调行业。摘要CFD仿真已被用于建模的传热传质吸附与石英管。CFD模拟中的问题之一是这种类型的技术可以使用替代实验数据采集。这个假设一个确认的CFD数据与实验数据。摘要3 d硅胶和tube-structured模型已经开发出来。从实验研究数据将被收集,一个相同的CFD模型。 This data will be compared to experimental and CFD results. The effects of silica gel size and properties have been studied using the porous media approaches by application of modified Navier-Stokes equations and the continuity equation. In this set of equations, an additional term is used describing the porosity distribution in order to take into account the porous media packing geometry. To design an efficient adsorber bed, flow and temperature information is essential. Studies of fluid dynamics and heat transfer in adsorber beds date back to the early twentieth century [1)的早期调查流在多孔介质填充床提供主要压降相关性等大量信息。例如,水系[2)提出了压力损失方程,哪些参数如多孔介质粒径和流体物理性质被用来关联压降。类似的相关性提出了Molerus [3]。

这三个经验相关性很好地预测流动压力损失的吸附剂床但什么也没提供更多关于当地流场对多孔介质吸附/解吸。另一方面,许多调查的传热吸附剂床上在过去的几十年里有效的参数方法被应用于预测温度分布(4,5]。计算流体动力学(差价合约)提供一个创新的方法模型,分析当地流和硅胶的影响大小填充床的吸附性能。多孔介质局部流动和传热数值模拟基于CFD技术越来越多的被报道近年来填充床流动和传热模型(6]。在这项工作中,有限体积公式基于嵌合体啮合技术是用来模拟当地的流动和传热硅胶填充层,其中包含120个随机包装领域。

2。实验仪器的描述

有许多方法用于测量吸附剂的吸附吸收,最广泛报道程序重量法和容量法。本文中使用的实验仪器的重量法(TGA)由微粒学仪器公司;这个系统目的是测量多孔介质材料的吸附/解吸(见图2系统的原理图的布局工具)。

2.1。实验装置和程序

热重量大会(TGA)方法用于等温线,动力学吸附实验由于精度高,易于控制压力和温度的实验。TGA给出了直接测量量的吸附物吸附在整个吸收过程。微量天平设备使用的吸附剂质量测量温度和时间的函数。TGA的试样容器悬浮在一个扩展线是连接到微量天平(见图3)。

微量天平测量样品的重量,它可以检测样品的重量变化在很短的时间。它的测量范围是0到150之间的0.1毫克和可读性μg。控制软件的屏幕截图显示microfurnace的控制功能,平衡,和热电偶;运行在一台计算机连接到TGA的热气体分析。在实验期间,体重,和温度记录不断在定义的时间间隔和数据存储在计算机中。

实验中使用的硅胶颗粒样本富士B型大小3.5毫米网10-40(见下表1这个硅胶)的热物理性质。

表1
这个硅胶的热物理性质。多孔材料必须被定义为吸附剂用于仿真。这个数据是取自实验B型数据创建密度为730公斤/米3B型和密度1000 kg / m3热容的0.921(焦每千克K)和热导率为0.174 (W / m K)(见表1)。
表2
CFD模拟中使用的热物理性质。硅胶的吸附性能是影响表面积等物理性能,孔隙尺寸和孔隙体积和孔隙分布、孔隙度和密度的硅胶见下表2。

在图4你可以看到一个B型硅胶大小3毫米;测试的目的一个硅胶吸附/解吸产生实验数据中使用CFD模块。研究单颗粒硅胶的优势是非常有用的在设计3 d吸附床模拟预测模块。

3所示。侠盗猎车手实验结果

富士戴维森硅胶的吸附等温线供水系统表现出零磁滞。因此确认的精神我们的分析仪的可靠性,实验进行从低蒸汽接触高蒸汽接触(低过程),然后从高覆盖率低曝光(上下移动过程)。图5显示了一个典型的吸附等温式情节的水蒸气吸附富士戴维森B型大小3.5毫米硅胶(比表面积是800左右2g−1)。图6介绍了水蒸气吸附吸收的B型硅胶5毫米大小后低过程25°C。吸附温度波动是大约0.5°C(参见图由微机控制的控制器1利用TGA仪器的图形视图)。



图1
利用TGA仪器的示图;这个系统措施硅胶样品的重量变化量是加热解吸的水,冷却为水蒸气的吸附,或在一个恒定的温度。

图2
TGA仪器的示意图。
(一)
(一)
(b)
(b)
图3
试样容器悬浮在一个扩展线。
(一)
(一)
(b)
(b)
图4
一个硅胶B型大小3毫米。

图5
水分的吸附行为硅胶B型大小3.5毫米25°C 1循环实验。图5显示了两个等温线,润湿样本获得的干燥状态,另一个干燥获得的样本湿状态。水吸附(红色)和解吸(蓝色)等温线在硅胶25°C测量。每个水活性较高的水分含量在比吸附解吸(从高含水率干燥)(润湿从低水分含量)。

图6
水分的吸附行为硅胶B型5毫米大小25°C 1循环实验。
3.1。硅胶的等温线图3.5毫米大小

硅胶的吸附/解吸等温线图3.5毫米大小温度25°C图5显示了一个典型的水吸附从德国焊接学会实验结果。等温线图吸附动力学数据显示质量和湿度的变化作为时间的函数。从动力学结果,水吸收的速率和水扩散系数可以确定。湿度平衡质量值在每个步骤被用来计算吸附和解吸等温线。水蒸气吸收的差异之间的吸附和解吸等温线称为磁滞。

3.2。硅胶的等温线图5毫米大小

在图6硅胶的等温线情节大小5毫米;情节始于水性能接近于零和1。等温线的形状和位置磁滞给你关于吸附方法和样品孔隙度的信息。水蒸气的温度吸附剂样品室是一个常数25°C硅胶5毫米大小。等温线图将用于帮助确定干燥率和最佳端点。等温线还显示了硅胶的展品是否滞后,它将产生何种影响干燥后水分活度给定硅胶含水率干燥曲线类型5毫米大小。图6显示了两个等温线,通过润湿干燥的硅胶样品获得的国家和其他干燥的硅胶样品湿状态。(红色)所示的水吸附和解吸显示(蓝色);等温线温度是25°C。在这个等温线图每个水活性较高的水分含量在比吸附解吸(从高含水率干燥)(润湿从低水分含量)。等温线图代表了限制或边界等温线自从他们开始水性能接近0和1。等温线的形状磁滞给你信息的吸附机理和样品孔隙度5毫米硅胶。

等温线的形状和位置磁滞硅胶B型大小5毫米的水蒸气温度吸附剂样品室是一个常数25°C硅胶5毫米大小。

3.3。物理性质

硅胶的吸附性能是影响表面积等物理性能,孔隙尺寸和孔隙体积和孔隙分布、孔隙度和密度。

帮助识别不同种类的解吸,导数曲线也产生;获得的结果从硅胶的样品直接取自TGA仪器数据所示5和6。

4所示。计算流体动力学

在这项研究中开发一个集成的CFD模型来模拟水蒸气的吸附动力学的硅胶颗粒吸附管利用SolidWorks。

流仿真模块由两种操作模式,水蒸气吸附和解吸模式。在每个模式下,水蒸气流量剖面周围一个硅胶颗粒是由解决navier - stokes方程,以及由此产生的速度剖面被认为时不变和存储供以后使用。同时,内外时间质多孔硅胶因其adsorpitivity模拟通过用户定义函数解决Brunauer开发,艾美特和出纳(打赌)方程7)对吸附和解吸过程。发达仿真模型被用来确定两个不同大小的硅胶的吸附容量颗粒,即3.5毫米和5毫米作为时间的函数在不同操作温度。仿真结果与实验数据相比,发现同意。

4.1。几何和分析

几何造型是最重要的阶段之一,CFD模拟;正确的定义几何仿真提供了一个更实际的状态,和技术用于构建几何将确保生成网格的可行性足以捕获所有的现象所涉及的问题。

4.2。边界条件

和热边界条件确定流变量边界的物理模型。有很多分类的边界条件:(1)入口和出口边界流动:进气压力,速度入口,出口压力,(2)墙、重复和限制边界:墙,对称,(3)内部流体、固体(4)内部面临边界:多孔、墙、室内。

在我们的模型中,我们使用一个速度入口流吸附床的入口;这个边界条件定义了一个在床的入口流速。流出口边界被定义为压力出口;出口压力被定义为大气压力。床上和包装内部被定义为边界。墙边界分离液区,蒸汽,从墙上硅胶粒子之间的区域(5,8- - - - - -11]。边界条件的确定,已经定义了物理模型和数值解。当时必须决定如何解决方案将建立。这样做是通过设置迭代参数。边界条件的定义,一些额外的参数和解决方案选择的地方。一个初始条件分配给模型,用于计算的收敛速度。

计算是一个迭代的过程,解决了流动的控制方程和能量在每个模拟细胞。

4.3。造型的蒸汽流在一个硅胶粒子

硅胶粒子的扩散方程作为第一介绍CFD模型创建一个简单的模型代表一个二氧化硅颗粒在管,如图7流进口和出口流动。


图7
一个硅胶管几何用于验证CFD实验工作。
4.4。多孔介质模拟

多孔材料必须被定义为吸附剂用于仿真。这个数据是取自实验B型;创建数据密度为730公斤/米3B型和密度800公斤/米3和0.921 J /公斤K的热容和热导率为0.174 W /可(见表1)。

4.5。CFD多孔介质方法

多孔介质方法的CFD模型的质量是细胞代表流体入口。这是紧随其后的是多孔介质细胞,用于流体通过多孔介质模型。全流场的预测与多孔介质的方法,因为可能描述多孔介质流动的阻力的表达式 Δ = − 2 − , ( 1 ) 渗透系数值在哪里 和 与温度有关的分配值描述多孔介质的行为。高的值 和 排除多孔介质流成直角。

上游和下游的水蒸汽流场使用通常的雷诺平均n - s方法解决。

4.6。边界条件用于模拟

和热边界条件确定流变量边界的物理模型。有很多边界条件:(我)入口和出口边界流动:进气压力,速度入口,出口压力,(2)墙、重复和限制边界:墙,对称,(3)内部流体、固体(iv)内部面临边界:多孔、墙、室内。

在我们的模型中,我们使用一个速度入口流量入口的吸附床,这个边界条件定义了一个在床的入口流速;流出口边界被定义为压力出口;出口压力被定义为大气压力。床上和包装内部被定义为边界。墙边界分离液区,蒸汽,从墙上硅胶粒子之间的区域(5,9- - - - - -11]。

边界条件的确定,已经定义了物理模型和数值解可以提供。当时必须决定如何解决方案将建立。这样做是通过设置迭代参数。边界条件的定义,一些额外的参数选择和解决方案。

一个初始条件分配给模型,用于计算的收敛速度。计算是一个迭代的过程,解决了流动的控制方程和能量在每个模拟细胞。根据模型的复杂性和可用的计算机资源,CFD模拟可以从几分钟到几天(12]。仿真的结果可以查看和操纵与后处理软件一旦模拟转换成一个解决方案。

4.7。CFD网格生成

最重要的一个部分的CFD模拟模块创建网格。网建立模拟的准确性,必须选择与足够的细节来描述仿真流程准确和一定程度的粗糙,使解决方案在一个可接受的时间。当一个最优密度已经发现精炼这将增加模型的大小没有显示更多的流动细节。被粗化网格将模糊时,流的可能是至关重要的,部分细节。网决定的很大一部分创建一个可接受的模拟。

4.8。CFD网格密度

在这项研究中,我们主要关注维护一个3 d仿真物理模型描述准确、能够处理流硅胶几何细节。

网格密度的变化建立最优网格密度,描述流动特性和限制的计算时间。

最初的网格是指定在接下来的阶段。(1)指定一个自动初始网格,所以所有下列规范在于改变默认值的参数。(2)指定一个基本网格几乎均匀的细胞组成。(3)细化的基本网格来捕捉相对较小的硅胶多孔特性来解决小多孔特性与液体接触。(4)细化的基本网格解决固体/液体界面以及多孔固体,液体/多孔接口。(5)指定其他初始网格局部地区(固体或液体)更好地解决模型相关的几何和/或流(和/或在固体传热)特性在这些地区。

4.9。后处理仿真数据

当模拟已经收敛,最后一个数据集是存储为一个最终的解决方案。这个数据集的记录的状态模型的所有元素中,温度、密度、压力、流方面,等等。能够解释数据,需要命令,减少理解大小(2]。这显示的数据称为后处理,可以相互比较不同的模拟和与外部数据。有尽可能多的显示数据的方法有数据点,所以它是重要的选择所需的数据表示所需的数据比较。一些标准的选择和速度矢量等高线图。将等高线图定义的数据点集合;这是一个平面或体积轮廓的另一个变量。例如,一架飞机可以被定义为一个常数x坐标平面上(y- - - - - -z平面);我们可以做一个等高线图显示温度在这个平面轮廓。在同一个平面上速度等高线图可以显示绝对速度的流体在定义的平面上。其他变量可用于轮廓图是速度级组件,湍流组件,压力,等等。速度矢量图可以得到一个洞察流模式整体几何或细节在特定位置(7,12- - - - - -14]。

4.10。流体流动基本原理

对于迭代CFD解决方案,使用广义流体流动和能量平衡的基础上,纳维斯托克斯方程。平衡是广义,这样用户可以影响哪些元素平衡和不添加。平衡需要解决的数量也是用户定义;它可以有利于解决不了所有平衡最初。广义平衡流使用的模拟商业CFD软件包的纳维斯托克斯方程是质量守恒定律和动量,在设置计算层流传热。附加方程解出了传热、混合或反应的物种κ和ε对湍流情况下(2,4,15]。

5。CFD结果与讨论

图8显示了水吸附的吸附曲线在一个硅胶颗粒大小;这条曲线与富士硅胶颗粒较小的数据。


图8
吸附和解吸曲线为硅胶颗粒大小3.5毫米。

图8是一个吸附等温式情节比较CFD模拟和实验结果在硅胶3.5毫米大小。

图9是一个吸附等温式情节比较CFD模拟和实验结果在硅胶5毫米大小。


图9
吸附和解吸曲线为硅胶颗粒大小5毫米。
5.1。水蒸气吸附CFD模拟

水蒸气分子的CFD模拟决定了分布在气相流动和吸附蒸汽分子的吸附在硅胶表面。图10显示了一个硅胶多孔介质与水蒸气分子的一个典型的吸附;这模拟了通过一个用户定义的函数来解决Brunauer开发,艾美特,出纳(打赌)方程对吸附和解吸过程。


图10
模拟水蒸气吸附在多孔硅胶。
(一)
(一)
(b)
(b)
图11
模拟多孔硅胶的水蒸气解吸。模拟解吸的水蒸气我们创建了一个名为解吸的函数可能需要几个输入(材料、流体、压力、流量、和其他因素会影响硅胶解吸的水蒸气(见图11)。

发达模型用于确定两个不同大小的硅胶的吸附容量颗粒,即3.5毫米和5毫米作为时间的函数在不同操作温度。

图10显示了水蒸气被吸附到单一的硅胶。的多孔介质功能CFD模型确定水蒸气分子的分布在汽相流动和吸附蒸汽分子的吸附在硅胶表面。

5.2。CFD模拟的水蒸气解吸硅胶

当试图模拟的水蒸气解吸硅胶,有必要创建一个用户定义函数(UDF)。利用CFD模拟的主要挑战的水蒸气解吸硅胶是复杂的相互连通的孔隙空间硅胶。在传统2 d工程师使用数学方法来无视这个事实。在CFD模拟这不是忽略;它是模仿到多孔介质的三维模型。为了模拟解吸,我们必须创建一个名为解吸的函数,将几个输入(材料、流体、压力、流量、以及任何硅胶的计算影响因素;参见图12那里是一个模拟的水蒸气解吸)。


图12
速度矢量轮廓矢量图周围的水蒸气速度场一个硅胶。入口速度5米/秒,速度场绘制在平面上通过粒子的中心。
5.3。速度概要文件

研究吸附硅胶填充床中的速度分布部分削减了在填充层生成速度矢量图。速度概要文件也被观察到的靠近壁面模拟区域安排。正如所料,在所有的情况下,分析了流将发生在墙内和附近的床上,由于约束流的存在领域。强烈的径向流从中间墙上也是明显的。由于流的传输(强轴流和减少径向流)在墙上,当地的径向传热速率减少,造成了众所周知的。

6。结论

CFD模型为模拟开发adsorpitivity水蒸气的硅胶颗粒,用于研究颗粒大小的影响,表明减少颗粒大小增加了adsorpitivity。我们使用热重(TGA)做一些实验数据中使用CFD模块;我们比较我们与CFD模拟的测量。一个好的协议被发现与CFD和实验数据。在本研究的结论,认为使用CFD可以提供有用的信息对吸附制冷系统的设计和更好的预测系统的性能。