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摘 要

本文开展了水平圆管外水蒸气和二氧化碳混合气体凝结的模拟研究，利用ANSYS Fluent、结合用户自定义函数（UDF）探究水平圆管外水蒸气和二氧化碳混合气体凝结换热传质特性。本文进行了构建数学模型，划分计算网格，设置边界条件以及模拟计算等工作，通过壁面平均传热系数指标对凝结换热情况进行评价。在模拟计算过程中，考虑到冷凝液膜很薄，忽略液膜的网格，并利用质量源项、动量源项以及能量源项对边界条件进行修正。利用温度梯度和组分梯度分别计算显热和潜热换热量，对凝结换热的过程进行模拟。探究过冷度对凝结换热的影响，分别就5℃、10℃、15℃、20℃、25℃的过冷度进行数值模拟计算，通过对比和分析模拟数据，得到了壁面平均传热系数随着壁面过冷度的升高而下降的数据变化趋势。探究水蒸气和二氧化碳的组分分布对凝结换热的影响，分别就0.05/0.95,0.1/0.9、0.3/0.7、0.5/0.5、0.7/0.3的比率进行数值模拟计算，通过对比和分析模拟数据，得到了壁面平均传热系数随着混合气体中二氧化碳含量的升高而下降的变化趋势。探究入口速度对凝结换热的影响，分别就0.21m/s、0.50m/s、1.00m/s、2.00m/s、5.00m/s的进行数值模拟计算，通过对比和分析模拟数据，得到了壁面平均传热系数随着入口速度的升高而升高的变化趋势。

关键词：水平圆管，水蒸气和二氧化碳，混合气体，凝结，传热系数

Abstract

In this paper, a preliminary simulation study of carbon dioxide/water gas condensation outside the horizontal circular tube was carried out. Explore heat and mass transfer characteristics of carbon dioxide/Water mixture condensation outside a horizontal tube by using ANSYS Fluent and UDF programs. Construction of mathematical models, division of computational grids, setting of boundary conditions, and simulation calculations were completed. In the simulation calculation, considering the thin condensate film, ignore the liquid film mesh. The boundary conditions were corrected by using the mass source term, the momentum source term, and the energy source term. In this paper, the sensible and latent heat exchanges are calculated by using the temperature gradient and the composition gradient, respectively, and the condensation heat transfer process is simulated. To investigate the effect of undercooling on the condensation heat transfer, numerical simulations were performed on the sub-cooling degrees of 5°C, 10°C, 15°C, 20°C and 25°C, respectively. By comparing and analyzing the simulated data. The trend of the average wall heat transfer coefficient decreases with the increase of the sub-cooling degrees. To investigate the influence of the distribution of water vapor and carbon dioxide on the condensation heat transfer, numerical simulations are performed for ratios of 0.05/0.95, 0.1/0.9, 0.3/0.7, 0.5/0.5, and 0.7/0.3, respectively. By comparing and analyzing the simulated data. The trend of the average wall heat transfer coefficient decreases with the increase of carbon dioxide content in the mixed gas. Exploring the effect of inlet velocity on condensation heat transfer, numerical simulations were performed for 0.21m/s, 0.50m/s, 1.00m/s, 2.00m/s, and 5.00m/s, respectively. By comparing and analyzing the simulation data. The trend of the average wall heat transfer coefficient increases with the increase of the inlet velocity.

KEY WORDS: Horizontal tube, water/carbon dioxide，mixed gas, Condensation，Heat transfer coefficient

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 课题研究意义 1

1.3 研究现状及本文研究内容 2

1.4 课题综述 3

1.4.1 凝结现象 3

1.4.2 边界层理论 3

1.4.3 气液分界面现象 4

1.4.4 混合物理论 4

1.5 本章小结 4

第二章 模型概述 5

2.1 几何模型 5

2.2 网格划分 6

2.3 模型假设 7

2.4 混合物性质 7

2.5 控制方程 8

2.5.1 源项模型举例 8

2.5.2 质量源项 9

2.5.3 动量源项 9

2.5.4 能量源项 10

2.5.5 液膜厚度计算 10

2.5.6 壁面平均传热系数计算 11

2.6 模拟过程简介 11

2.7 本章小结 12

第三章 数值模拟与结果分析 13

3.1 数据云图分析 13

3.1.1 速度云图分析 13

3.1.2 温度云图分析 14

3.1.3 组分云图分析 15

3.2 液膜分析 16

3.3 壁面过冷度对传热传质的影响 17

3.4 混合气体中二氧化碳含量对传热传质的影响 18

3.5 入口速度对传热传质的影响 20

3.6 本章小结 22

第四章 结论 23

4.1 主要结论 23

4.2 不足与展望 23

致谢 24

参考文献 25

第一章 绪论

1.1 课题背景

温室气体引起的气候变化已成为全球关注的热点问题。在温室气体中，二氧化碳在大气中的比例很高，对全球变暖效应的贡献率高达70%。虽然例如太阳能，风能等可再生能源已经被开发利用，但接下来的几十年里，世界的能源供应仍然主要依赖化石燃料。在这种情况下，二氧化碳捕获和封存（CCUS）已被提议作为一种可持续技术来缓解温室气体的过量排放[1]。其中，二氧化碳和水混合气体的分离是碳捕集、利用与封存技术的一道重要工序。而凝结则是一种简单、廉价的气体分离手段。然而，水蒸气和二氧化碳混合气体的凝结换热传质却少有研究，无法满足日益迫切的碳捕集需求。为此，本毕业设计将开展水蒸气和二氧化碳混合气体凝结的初步模拟研究，探索水蒸气和二氧化碳在流动，冷凝以及传热传质过程中的规律，发现其中的工程价值，以便为相关的工序服务。

1.2 课题研究意义

人类的任何活动都有可能造成碳排放，中国目前大量使用煤、石油等矿物燃料，碳排放量高，控制温室气体排放日益迫切。联合国政府间气候变化专门委员会第五次报告的各种情景显示，将全球平均温度上升限制在2℃是可能的，要实现温室气体减排，CCUS是一种的重要减排技术，因此受到国际社会的高度重视。CCUS技术减排效果非常显著，在我们国内的发展和推广也是备受重视。二氧化碳的捕集是CCUS 的首要技术环节[2]和日渐形成的低碳经济[3]的技术基础。二氧化碳和水蒸气是主要的燃烧产物，混合气体的凝结相变传热是在碳捕集中实现水蒸气和二氧化碳分离的主要过程。

即使是对于燃煤电厂，随着洁净燃烧技术的发展和污染物脱除技术的进步，水蒸气与二氧化碳的分离也是CCUS 中至关重要的一道工序。煤燃烧的烟气成分虽然复杂，主要成分就是二氧化碳和水蒸气[4,5]。采用煤炭转化和富氧燃烧等技术[6]，都会提高二氧化碳浓度，减少SOx、NOx 等污染物。而对于更为清洁的燃料，如天然气和液化天然气[7-9]也已经开始推广使用富氧燃烧技术，由于产物中杂质污染物较少，使得CCUS 更加容易。

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