CFD模拟的不同大小的硅胶会影响硅胶的吸附性能

文摘

应用计算流体动力学(CFD)在多孔介质和吸附制冷系统正变得越来越实际由于在计算机能力显著提高。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、流动速度和吸附率。探讨硅胶颗粒大小的影响在水上使用计算流体动力学吸附率。

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。过去的研究已经表明实验的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。

设计一个高效的吸附剂床、流量和温度,吸附信息是至关重要的。对吸附剂床流体力学和传热的研究可以追溯到20世纪早期(1)(安德森,1961)。流的早期调查在多孔介质填充床提供主要压降等大量信息相关性(2]。预测流动压力损失吸附剂床(3,4]。计算流体动力学(CFD)提供了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。当地的CFD模拟多孔介质流动和传热基于CFD技术越来越多的被报道近年来填充床流动和传热模型(5,6]。CFD模拟是基于基本原则的扩散和吸附/解吸的多孔材料。在这项研究中,一个集成的CFD模型开发模型和水蒸气的吸附动力学模拟三种不同大小的硅胶在固定床吸附柱。开发集成模型被用来确定三个硅胶的吸附容量作为时间的函数,基于不同的操作条件。

模拟结果与通过研究论文实验数据,发现给一个好的协议。各种影响参数的影响,如速度和硅胶孔隙度进行了研究,调查其影响吸附能力。

1.1。方法

1.1.1。硅胶填料的几何

硅胶吸附剂床系统的几何模型生成的管25毫米直径100毫米的长度。

硅胶的大小,使用CFD模拟

硅胶颗粒大小1毫米

硅胶颗粒大小2毫米

硅胶颗粒大小3毫米。

吸附剂粒径会影响吸附器蒸汽流过的水床。较小的颗粒(更高的网格值)较大(降低网格值)。

首先我们选择硅胶粒子尺寸的硅胶被选中的范围40 -网,60 - 100目,100 - 200目。

2。造型策略硅胶吸附剂床

在这项研究中,一个集成的CFD模型被开发来模拟水蒸气的吸附动力学硅胶颗粒在固定床吸附柱利用solidworks流仿真模块。模型由两种操作模式,水蒸气吸附和解吸模式。在每个模式下,颗粒周围的水蒸气流量剖面由求解navier - stokes方程,由此产生的速度剖面被认为时不变和存储供以后使用。此外,时间内外传质多孔硅胶因其adsorpitivity模拟通过一个用户定义的函数来解决Brunauer开发,艾美特和出纳(打赌)方程(1)对吸附和解吸过程。开发的模型被用来确定三种不同大小的硅胶的吸附能力即颗粒;1毫米,2毫米,3毫米作为时间的函数在不同操作温度。仿真结果与过去相比实验数据,发现给一个好的协议。

2.1。造型蒸汽流在硅胶粒子

多孔介质流的功能模拟是用来模拟多孔介质硅胶你可以模型硅胶占据的体积分布阻力而不是离散模型中的所有个人的段落硅胶,这将是不切实际的,甚至是不可能的。我们考虑多孔介质渗透率的影响类型(各向同性和单向媒体相同的流动阻力)水蒸气质量流率分布在硅胶。我们将观察后者通过水蒸汽流的行为轨迹均匀分布于模型的入口,通过多孔硅胶。此外,通过冷却流动轨迹的流速在多孔介质的蒸汽停留时间可以估计,这也是重要的硅胶吸附水蒸气有效性的观点。作为第一介绍CFD模型创建一个简单的模型代表一个石英颗粒管如(图所示1)流进口和出口流动。

管的硅胶颗粒与1毫米的尺寸设计,2毫米和3毫米这是用于验证模型。该模型是试图适应CFD数据普遍接受的实验数据。这一粒被克隆到40粒60和120年这些克隆颗粒被模拟管床(见图2)。

这种限制的颗粒大小的模型是必要的,以保持合理的网格密度与验证模型。一系列的运行是由一定数量的流动速度,见下表3。在所有这些运行时,中央位于颗粒温度定义为20°C。管壁温度设定在20.5°C创建一个0.5°C颗粒与流体之间的温差无限的距离。流过的水蒸气管被定义在20°C的入口处。通过模拟颗粒的温度并记录。一个恒定的扩散系数认为根据参考的7Sakoda et al。(1984)。球形硅胶粒子初始条件的含水量和一个温度是瞬间暴露在蒸汽流。硅胶粒子的扩散方程 初始条件和边界条件(1) 的是本地的含水量硅胶粒子在径向和在粒子表面是平衡含水量。平均含水量的硅胶粒子是由 孔隙度的硅胶粒子固定在吗0.38 1毫米硅胶,硅胶2毫米和0.34硅胶为3毫米。

3所示。计算流体动力学控制方程

传输现象可分为吸附器的吸附和水蒸气流量床,硅胶颗粒表面流的n - s方程用于解决水蒸汽流阶段(1,3,7- - - - - -11]:

的代表压力,η动态粘度和流体速度流的密度可以模拟在第一位。这个模拟的数据存储,用于解决对俩散方程(1]: 的代表了水蒸气分子吸附到硅胶,和在硅胶扩散流量系数。有效扩散系数与扩散必须应用(1,3,9- - - - - -11]: 的代表了水蒸气分子吸附在硅胶粒子。硅胶表面之间的传质阻力也模仿(1]: 的代表外二氧化硅表面的法向量。运输在颗粒边界的驱动力是相对于吸附的区别是相应的传质系数。吸附剂床的CFD仿真模拟与硅胶颗粒远比真正的吸附剂床。为了模拟类似系统,有效扩散系数是增加了。水蒸气分子的吸附在硅表面所描述的是一个经典的朗谬尔动力学(1,3,7- - - - - -10]: 的和表示吸附和解吸率,最大容量,目前的职业在表面结合位点。

3.1。蒸汽在多孔材料的解吸

当考虑解吸在多孔材料必须考虑蒸汽运输晶格玻尔兹曼方程可以表示为 这可以用晶格玻尔兹曼多物理扩展运用当地规则描述吸附率的变化在水蒸气浓度和吸附质单位体积堆积多孔介质矩阵。

与参数和指数充实的。在平衡时,弗伦德里希等温线,这个模型可以减少: 与和。

4所示。CFD建模方法

在所有类型的CFD模型有一些因素决定的困难造型颗粒吸附床。在硅胶填充层包装的数量和它们之间的狭窄区域使其造型更加复杂。解决这个问题的方法之一是单一的硅胶颗粒模型在CAD软件。

这个单一颗粒可以被克隆到成千上万的颗粒然后包装成3 d吸附床(见图3)。克隆包硅胶可以插入作为参数化实体CAD文件然后可以应用多孔介质材料使用一种称为流动的CFD软件模拟。然后,这种多孔介质可以通过使用一个有限控制卷法来解决。

4.1。硅胶颗粒较小的安排

硅胶颗粒的数量在一个真正的吸附剂床不能复制使用CFD工具在三维模型中。然而,为了简化数值计算可以模拟的硅胶颗粒较小的安排。在这项研究中,有三个硅胶吸附剂床的大小这些床包含36岁,65年,和114个粒子(见图4)。

得到了不同疏通过改变粒子大小和安排。恒定的热物理性质在20°C被认为水蒸气。周期性边界条件对计算域的边界。流入到域被设置为速度入口流出设置为压力出口边界条件。多孔介质的尺寸和疏模拟是基于实验研究中使用的表中列出1。粒子之间的不断接触区域计算基于所需的孔隙度。

4.2。计算网格域

在这部作品中,使用流模拟网格创建完成,一个通用的程序提供各种自动啮合的策略。这个练习的所有模拟,进行了第一次自动啮合其次手动修改,以帮助确定网格密度的影响仿真的结果。

4.3。与非均匀孔隙率多孔样本

网域分成1065623细胞包含1122425和1122425节点。

网格然后沿着主轴分区分成3段允许域减少仿真时间在电脑见图5。

4.4。3 d硅胶颗粒包装安排

当模拟水蒸气的吸附在多孔硅胶硅胶填料的体积和孔间距取决于硅胶的大小。但在某种意义上大小和孔间距之间的关系可以更复杂,因为包装安排的影响。

例如,1毫米的球形多孔介质的包装统一的尺寸图6(一)当一个模拟完成这种类型的包装安排,孔隙度为0.45。但是,当仿真模拟图6 (b)孔隙度为0.26,当一个模拟图中完成6 (c)0.38,这样的安排是一个更现实的包装安排,这是一个随机安排。在真实的场景中,吸附床会随机包装硅胶和不统一安排。所以它决定这是包装安排用于所有CFD模拟。

4.5。CFD网格生成

对于所有类型的几何图形的创建网格有不同的障碍。silica-gel-packed床的啮合几何,主要的问题是解决地区两固体表面接触到接触点。

由于这一事实,硅胶半径减少约2%,以避免网格失败硅胶的面积接触点(见图7)。

4.6。多孔介质模拟

多孔材料必须被定义为吸附剂用于仿真。材料被发现在不同的来源,来源之一([8]Akisawa,萨哈(2001),(3]Akahira,阿拉姆(2005))。类型和类型创建RD密度为730公斤/米³,类型和密度为800公斤/米³为类型RD,热容0.921 J / kgK,导热系数为0.174 W /可(见表2)。

通过研究上面的表中,您可以看到,A型硅胶和类型RD有相似的物理属性,给他们类似的吸附/解吸特征在不同再生温度(8]。

4.7。孔隙度的硅胶用于CFD模拟

有效孔隙度的多孔介质孔隙度,定义为连通孔隙的体积分数对多孔介质总额;在这里,孔隙度= 0.36。孔隙度将控制水蒸气的流速在多孔介质通道,进而控制多孔介质的效率。颗粒的孔隙度被定义为总孔隙空间的体积之比由流体多孔介质的总量,在感兴趣的领域。由于域网格细胞被标记为固体或液体,总孔隙空间的体积可以很容易地获得数值通过寻找的和卷的细胞标记为液体。同样的,固体的体积是卷的总和的细胞标记为固体。最后,媒介总额是所有细胞的数量的总和,又见图9其孔隙度被定义为以下方程:

对于一些材料非常数的孔隙度(Benenati和Brosilow),有各种技术可用来生成数值相同的多孔介质非均匀的特点。

4.8。压降和传质

造成的压降和水蒸气流量不同大小的硅胶垂直于流动方向的传质系数是非常重要的在确定最佳的包装设计。

表2显示了不同的模拟硅胶的压降大小和安排。

可以看出,不同大小的硅胶压降的安排在吸附管入口速度有了明显的提高。硅胶大小1毫米有最低的压降值。这可能是部分原因是由于这一事实这些硅胶安排的直径小于两个硅胶2毫米,3毫米吸附管的安排。硅胶2毫米大小的压降是略高于3毫米硅胶这也是因为对蒸汽的流动不同大小的影响。

4.9。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(4,5,12- - - - - -14]。

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(10]。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。

4.10。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(15]。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。将等高线图的定义数据点集合,这可能是一个平面或体积,另一个变量的轮廓。例如,一架飞机可以被定义为一个常数x坐标平面上(y- - - - - -z面),然后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详细的在特定位置(3,9- - - - - -11]。

4.11。流体流动基本原理

对于迭代,解决CFD使用广义流体流动和能量平衡基于n - s方程。平衡是广义的,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navier - stokes方程的质量守恒和动量,在设置计算层流传热。额外的传热方程解出,物种混合反应,或κ和ε对湍流情况下(16]。

5。结果与讨论

目前CFD模拟试图澄清的吸附特征吸附床上挤满了球形硅胶类型等参数的边界条件下填充床的宽度,入口水蒸气速度和颗粒大小的硅胶。

5.1。颗粒包装墙之间的差距

能够解决湍流的CFD模拟,有必要引入一个小墙和硅胶颗粒之间的差距。比较表明流配置文件在几个缺口大小的小缺口用于最终的模型并不影响停滞流接触点附近区域。

6。CFD对理论模型验证

CFD仿真模型被用来模拟水蒸气吸附和解吸到硅胶多孔介质传热,和速度。使用CFD模型模拟的结果与实验数据进行比较。基于仿真结果,数据显示出良好的协议与最大误差(图与实验数据10)。基于良好的协议模型的结果,几个重要操作参数变化,研究了这些参数对水蒸气吸附性能的影响。

6.1。速度概要文件

在所有的CFD模拟,发现水蒸气流中间的多孔介质颗粒和墙上的通道。也注意到,速度增加了进口和速度在某些限制的区域吸附床。停滞点和二次流也注意到在接触点附近(图11)。

它可以注意到所有模拟显示良好的相关性与水系的方程,湍流,速度模型。的包装硅胶颗粒清晰可见;还要注意床的内部之间的实际差异,靠近壁面区域的包装领域受到墙的存在限制。这降低了这些地区的孔隙度和流动的一个重要部分是经由这个地区。

在(图12),它可以注意到水蒸汽流的速度矢量中间的硅胶颗粒包装管吸附床的墙壁。它还可以看到速度矢量提高吸附床的入口管。

流的计算模拟的一个优点是大量的数据用于分析;特别地,在这里,流动速度在每一点上在床上,可用于统计分析。

6.2。流速的影响

流速的影响成正比了强制对流发生时传热。增加对流速导致增加动能。这一事实产生更好的传热系数。

多孔介质内的速度变化取决于多孔介质的结构,通过压降作为体现。压力下降发生在多孔介质是归因于几个因素,包括形成阻力,从围墙粘性阻力,惯性力。结果证实,流速的压降是一个线性函数(1- - - - - -3,9- - - - - -17]。

6.3。硅胶的性能

硅胶的性能系统通常是说明和评价的基础上吸附水蒸气分子的吸附器床。这些模拟揭示硅胶颗粒吸附率的影响: 图13显示了CFD模拟结果与硅胶的三个例子。突破曲线变得陡峭模型包含较小的硅胶,这对良好的吸附性能是至关重要的吸附剂床1,5,7,11,15- - - - - -17]。

6.4。水蒸气流量剖面

水蒸气分子吸附积累在硅胶(图所示13)。在这项研究中,一个集成的CFD模型被开发来模拟水蒸气的吸附动力学硅胶颗粒在固定床吸附柱使用Solidworks流仿真模块,模型包含两种操作模式:水蒸气吸附和解吸模式。在每个模式下,颗粒周围的水蒸气流量剖面由求解navier - stokes方程,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1)对吸附和解吸过程。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。

在图14,水分子坚持硅胶的表面一样Brunauer,艾美特和出纳模型的多层吸附法(12,13),CFD模拟,水蒸气分子是一个随机分布的多孔硅胶材料表面。

6.5。水蒸气吸附概要

CFD仿真确定水蒸气分子的分布在气相流动和吸附蒸汽分子的吸附在硅胶表面。(图15)展示了一些典型的水蒸气吸附分子的观点(a)、(b)和(c)在不同时间的吸附床秒,秒,美国证券交易委员会(1,7,8]。

6.6。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。在传统的二维的数学方法,工程师们使用无视这个事实。在CFD模拟,这不是忽视,它是模型到多孔介质的三维模型,见图16。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、和其他因素影响硅胶计算)。

的水蒸气解吸硅胶在3 d模拟测试和一个硅然后测试3硅胶最终40硅胶仿真。

6.7。传热性能

CFD模拟显示,硅胶吸附床的传热性能的重要因素之一是影响床的吸附效率。硅胶的表面温度测量的模拟得到面糊了解传热硅胶的性能。70°C的水温,80°C, 90°C被用来加热硅胶不同表面温度来帮助理解的传热性能与硅胶吸附剂床。图17表明硅胶表面温度稳步增长规模更大的硅胶相比较小的大小和它的表面温度低于小尺寸的硅胶。正如预期,传热性能的小尺寸比大的硅胶大小。

7所示。优点和缺点

计算流体动力学分析提供了一种有效的方法,演示,提高工业设计的性能;善于制造和处理问题。这是一个非常强大的工具的模拟流体流动。CFD是一个以知识为基础的活动。它仍然在很大程度上依赖于用户的知识。特别重要的理解范围的适用性和局限性在物理和数值的子的后果。

8。结论

CFD模型用于模拟水蒸气的吸附在硅胶颗粒,用于研究颗粒大小的影响,表明减少颗粒大小增加了吸附。它可以得出结论,CFD是一种很有前途的工具评估在一个吸附床传热行为。进一步的CFD研究,更大的硅胶和多孔媒体,在未来需要模拟显示他们是否会产生这种。

符号

:	硅胶的表面积
:	入口浓度(公斤米−3)
:	床浓度(公斤米−3)
:	惯性阻力系数(m)
:	分子扩散系数(m2证券交易委员会−1)
:	粒子直径(米)
:	传质系数(sec−1)
:	分压(Pa)
:	吸附剂(更易与g的能力−1)
:	最大容量(更易与g−1)
:	时间(秒)
:	水蒸气速度(方向)(m秒−1)
:	水蒸气速度(方向)(m秒−1)
:	水蒸气速度(方向)(m秒−1)。

希腊符号

:	床上分数(孔隙度)
:	粒子密度(公斤米−3)
:	流体密度(公斤米−3)
:	抗粘性系数(m−1)
:	流体的粘滞性(Ns m−2)

缩写

CFD:	计算流体动力学
LDF:	线性动力
UDS:	用户定义标量
UDF:	用户定义的函数。

引用

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