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溶质通过正渗透膜传输特性及物理机制的研究

溶质通过正渗透膜传输特性及物理机制的研究

作者：盖殿臣山东建筑大学

学位级别：硕士

正渗透(FO)是一种以溶质自身的渗透压为驱动力,使水通过膜而溶质被截留的膜分离技术,相比于反渗透(RO)等已经大规模商业化的水处理技术具有无需外加驱动力、低膜污染潜力和对环境无污染等优点。近年来FO在海水淡化、零液体排放、农业施... 详细信息

正渗透(FO)是一种以溶质自身的渗透压为驱动力,使水通过膜而溶质被截留的膜分离技术,相比于反渗透(RO)等已经大规模商业化的水处理技术具有无需外加驱动力、低膜污染潜力和对环境无污染等优点。近年来FO在海水淡化、零液体排放、农业施肥以及液体食品加工等领域得到了广泛关注。正渗透中与水通量和膜污染存在内在联系的反向溶质扩散传输过程的研究吸引了学者的关注,对反向溶质扩散中复杂传质过程的研究对于开发高性能正渗透膜具有重要意义。溶质通过正渗透膜传输特性的掌握需要对流体力学行为进行研究,并结合传质学对其物理机制进行揭示。本文基于溶解-扩散机理,建立了考虑表面电荷影响溶质分配的溶质的单向传输模型、溶质的双向传输模型和溶质的大型模块传质模型,研究了温度和汲取液浓度对正渗透过程水通量和溶质通量的影响。取得了以下研究结论:1.揭示了扩散系数选择和表面电荷密度变化对溶质单向传输模型预测反向溶质通量的影响。通过将基于相互扩散系数和平均扩散系数的模型计算的预测值与实验值进行对比,发现相互扩散系数更适合用来模拟FO过程中的水通量和反向溶质通量。表面电荷对反向溶质通量的影响随温度的升高不断减小,导致基于平均扩散系数的模型对计算膜特性参数产生的影响由高估溶质渗透系数变为低估结构参数。通过对比不同温度和汲取液浓度下基于相互扩散系数模型计算得到的反向溶质通量预测值和实验值,发现了适用于恒定表面电荷密度的支撑层与活性层交界面处的汲取液浓度范围,且表面电荷密度恒定适用对应的最大汲取液浓度随着温度的升高不断减小。2.研究了原料液溶质对汲取液溶质跨膜传输的影响。通过对比无影响模型计算的预测值与实验值,发现原料液溶质会影响汲取液溶质传输,且影响主要表现在活性层中。活性层中原料液与汲取液混合产生的交叉溶质渗透系数表现为抑制汲取液溶质通过活性层,且交叉溶质渗透系数随着汲取液浓度和温度的增大不断减小。原料液由去离子水变为Na Cl后,稀释的外浓差极化和稀释的内浓差极化都减小,且减小的幅度随着温度的升高不断增大。原料液为DI和原料液为Na Cl之间的稀释的外浓差极化差值随着汲取液浓度的增大不断减小,稀释的内浓差极化差值随汲取液浓度的增大也有相同的趋势。3.研究了表面电荷特性对大型模块传质的影响。基于膜表面电荷影响溶质分配的模型建立的大型模块传质模型计算得到水通量预测值随膜室长度的增大不断减小,与前人的研究结果一致。膜室长度增大时,受到膜表面电荷产生的Donnan电势和活性层与支撑层交界面处汲取液浓度减小的共同影响,溶质反向通量预测值随膜室长度的变化不能如前人一般简单的用一种单调递减的趋势概述。基于汲取液浓度的影响,反向通量预测值随膜室长度的变化存在三种变化趋势:逐渐增大(0.5M);先增大后减小(1M和1.5M);逐渐减小(2M)。前人研究中忽略Donnan电势对反向溶质通量增大的影响是导致反向溶质通量预测值随膜室长度增大而减小的速率被高估的主要原因。随着汲取液浓度和膜室长度的增大,同时增大汲取液和原料液侧流道的流速导致反向溶质通量由减小向增大变化。

关键词：表面电荷密度浓差极化水通量反向溶质通量扩散系数温度

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含不凝气的竖直管内蒸汽冷凝数值模拟研究

含不凝气的竖直管内蒸汽冷凝数值模拟研究

作者：顾成勇大连理工大学

学位级别：硕士

在核能发电、海水淡化、石化和制冷等工业领域中普遍存在含有不凝气的蒸汽冷凝现象。由于不凝气对冷凝传热的显著恶化效应,建立合理数学模型从而深入研究不凝气对冷凝传热的影响机理,成为蒸汽冷凝研究的热点之一。基于气液两相流的控制... 详细信息

在核能发电、海水淡化、石化和制冷等工业领域中普遍存在含有不凝气的蒸汽冷凝现象。由于不凝气对冷凝传热的显著恶化效应,建立合理数学模型从而深入研究不凝气对冷凝传热的影响机理,成为蒸汽冷凝研究的热点之一。基于气液两相流的控制方程,建立了含不凝气的竖直管内蒸汽冷凝机理模型,模型具有如下特点：考虑了气液两相之间的热力不平衡;包含蒸汽一不凝气混合气体中的不凝气组分质量守恒控制方程;以空隙率为判断依据,计算了环形流、过渡流和泡状流三种流型;采用滞膜模型(SFM)计算气一液界面处不凝气对传热传质的影响,使用由不同流型决定的封闭关系式来计算气—液界面处热量、质量和动量传递。采用Fortran语言编写计算程序,在与实验数据对比验证模型的准确性后,对内径为14mm竖直管内含不凝气的饱和蒸汽冷凝过程进行了数值模拟研究,定量揭示不凝气影响冷凝传热的内在机理。模拟结果显示：SFM模型结合气液两相流双流体模型的计算结果与实验数据具有良好的吻合性,验证了本模型能够较准确的模拟竖直管内各个两相流流型的的传热和传质过程。当入口蒸汽中不凝气质量浓度从0.001增加到0.05时,蒸汽冷凝率降低约50-70%;冷凝气液界面处的热力不平衡随入口蒸汽中不凝气质量浓度的增加而减小,汽液两相间传热温差降低,相变传热驱动力减小;含不凝气的蒸汽冷凝同时受液相侧和气相侧的传热热阻以及气相侧传质阻力的影响,传热热阻和传质阻力都随不凝气质量浓度的增大而增大;气相侧传热包括冷凝相变传热和对流显热传热,当不凝气质量浓度从0.1%增加到5%E时,对流显热传热占气相侧传热量的比例从0.002%显著增加到0.3%;增大入口蒸汽和不凝气混合气体流速,可以减弱不凝气对冷凝传热的恶化影响,气体流速的这种补偿效应在不凝气浓度较高时更为明显,当入口不凝气质量浓度为0.05时,气相流速从9m/s增大到11.2m/s,蒸汽冷凝率提高约20%。建立的数学模型和数值分析对开发高效换热设备具有重要的指导作用。

关键词：冷凝不凝气 SFM模型两相流流型传热传质

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液膜波动强化冷凝传热的机理研究

液膜波动强化冷凝传热的机理研究

作者：杨岩大连理工大学

学位级别：硕士

冷凝传热作为高效的能量传输方式在海水淡化、制冷、电厂等工业领域有着广泛应用。液膜上形成的界面波动能够显著强化冷凝传热速率,因此建立合理准确的数理模型,研究波动强化冷凝传热的微观机理具有重要的理论和应用价值。构建了等温竖... 详细信息

冷凝传热作为高效的能量传输方式在海水淡化、制冷、电厂等工业领域有着广泛应用。液膜上形成的界面波动能够显著强化冷凝传热速率,因此建立合理准确的数理模型,研究波动强化冷凝传热的微观机理具有重要的理论和应用价值。构建了等温竖直壁面上二维层流冷凝波动降液膜流动数值模型,采用非正交坐标转换法捕捉汽液界面位置,将扰动以周期性变化并且平均值为零的虚拟体积力的形式添加在液膜流动方向,避免了扰动对液膜波动演化过程的影响。基于改进的SIMPLER算法编写结构化Fortran语言程序,求解波动液膜内不同位置处的液膜厚度、温度、速度和压力的瞬时值以及传热系数分布。通过定量分析液膜内的微观流动和传热现象,深入揭示波动强化传热机理。模拟结果显示:时均Nusselt数的计算值与实验值一致性较好,验证了数值模型的准确性;非正弦孤波内压力梯度决定了波动演化和孤波内的速度分布,非线性温度分布表明液膜内传热是导热和对流共同作用的;近壁面法向速度引起的对流作用影响壁面温度梯度,对波动冷凝液膜内传热起重要作用。根据数值方法绘制的中性稳定曲线,确定对应临界液膜Re数的扰动频率为16Hz,液膜对低于16Hz扰动的响应不足以形成波幅连续递增的波形分布,扰动频率对波动特性的影响体现了波动继承扰动频率的特性;液膜波动引起的传热面积增加对强化传热的贡献可忽略不计;相比其它扰动频率,16Hz扰动下波动强化传热效果最显著,这是由于此扰动下最小的时均膜厚和最显著的近壁面法向速度变化;最小时均膜厚和最大无量纲基底液膜长度表明液膜减薄取决于基底液膜长度而非基底液膜厚度;16Hz扰动下冷凝传热系数高于Nusselt解30%,减薄液膜和对流作用对波动强化冷凝传热的贡献率分别为6%和24%。

关键词：波动冷凝液膜强化传热扰动频率膜厚法向速度

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微纳结构表面滴状流流动传热特性研究

微纳结构表面滴状流流动传热特性研究

作者：武金燕大连理工大学

学位级别：硕士

滴状流具有薄液膜厚度、低导热热阻、高液膜波动和高传热传质效率等优点,但表面润湿性较差,而微纳结构的应用能够显著提高表面润湿性,有效抑制薄液膜的破裂,减少干区的出现,对于强化滴状流的薄液膜底层流动传热具有重要的意义。本文通... 详细信息

滴状流具有薄液膜厚度、低导热热阻、高液膜波动和高传热传质效率等优点,但表面润湿性较差,而微纳结构的应用能够显著提高表面润湿性,有效抑制薄液膜的破裂,减少干区的出现,对于强化滴状流的薄液膜底层流动传热具有重要的意义。本文通过对滴状流流动和传热过程的数值模拟,充分耦合了液滴空间拓扑结构变化,动态铺展特性和蒸发相变过程。本文采用Ansys Fluent 18.0软件对滴状流流动传热过程进行模拟,建立了二维的数值模型,入口Re为54-108,属于层流流动,采用VOF模型来捕捉两相界面,Ψ为3°-60°,采用表面接触角的值与动态接触角模型结合表征不同的管表面结构,通过定量的分析验证模型的正确性。并采用Sharp-interface模型考虑模拟中存在的蒸发相变现象,提高了计算的精度。具体研究了不同Re和Ψ对滴状流流动和传热特性的影响,定量分析了滴状流拓扑结构变化全过程、液膜覆盖率、铺展速度、膜厚和液膜内传热系数等的变化规律。模拟结果表明,微纳结构表面滴状流降膜过程中液滴经历了“液滴生长-空中拉伸-断裂-液桥收缩-撞击-管外铺展-底部汇集-再次生成”等一系列复杂的拓扑结构变化。在Ψ较大的表面,低Re时液膜最薄处容易发生断裂回缩现象,使液膜覆盖率出现周期性波动,且液膜铺展速度受到抑制。稳定状态下,滴状流周向膜厚在管子顶部最大,随后逐渐降低在120°附近达到最小值,在管子底部由于液滴的形成膜厚增加,且稳定状态时膜厚受Ψ的影响较小。液膜内局部传热系数在管子顶部达到最大值,沿着周向方向缓慢下降,在管底部迅速降低,在Ψ为3°的表面上平均传热系数达到Ψ为60°表面的1.8倍。管子顶部受到液滴撞击引起的扰动作用较大,因此管子顶部的对流传热强度较大,且在本研究的工况下对流传热强度随Re增大而增大,随着Ψ减小而增大。

关键词：微纳结构滴状流动态接触角铺展速度传热特性

基于VOF法的横管降膜蒸发传热特性的数值分析

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基于VOF法的横管降膜蒸发传热特性的数值分析

作者：张晓红大连理工大学

学位级别：硕士

低温多效横管外降膜蒸发技术被广泛应用于海水淡化、化工冶炼、石油蒸馏和制冷等行业,它具有传热温差小、低温传热性能优良、热效率高和维护费用低等优点。在不同运行工况下,低温多效蒸馏设备表现出的传热性能不同,说明了横管降膜蒸发... 详细信息

低温多效横管外降膜蒸发技术被广泛应用于海水淡化、化工冶炼、石油蒸馏和制冷等行业,它具有传热温差小、低温传热性能优良、热效率高和维护费用低等优点。在不同运行工况下,低温多效蒸馏设备表现出的传热性能不同,说明了横管降膜蒸发技术具有特殊性和复杂性。本文通过对横管外降膜流动和蒸发传热的数值研究,将流动与传热进行结合,深入探讨液膜内传热特性的变化规律及其影响因素。本文采用ANSYS FLUENT 14.5商用CFD流体分析软件,采用Volume of Fluid (VOF)方法对二维的单根横管外降膜流动蒸发模型进行数值模拟,研究了不同入口边界条件下液膜的流动和传热特性,并结合存在相变的传质过程,分析了不同入口温度和入口Re数条件下的液膜厚度、液膜内速度场、热边界层发展、传热系数和液膜内传热方式等的变化规律。并与前人的数值模拟与实验结果进行对比,取得了较好的一致性。本文的物理模型为管径为25.4mm的单根横管,喷淋高度为5mm,壁面过热度维持在2K,Re数范围为600-1250,属层流和层流向湍流过渡范围。模拟得到了液膜厚度、液膜内的速度场、壁面切应力和传热系数的分布情况。结果表明,横管外液膜最薄位置随入口Re数的增大有向下移动的趋势。液膜内切向速度最大值位于90度。壁面剪切力和重力分力作用随着横管圆周角度的增大呈现先增大后减小的趋势。横管顶部液膜内法向速度的绝对值最大,并出现小速度循环流动。入口温度越低,入口Re数越大,热发展区覆盖的角度越大。横管顶部传热系数最高,之后缓慢下降至趋于稳定,至管子底部略有回升。横管顶部液膜内的对流传热强度最大,表明液体的冲击作用强化了对流传热强度。经本文模拟发现,层流及层流向湍流过渡范围内,Re数的增加对传热性能的提升并不明显,液膜内的法向速度和循环流动,即液膜的冲击区和液膜的波动程度,是提升对流传热强度的关键。

关键词：横管降膜蒸发数值分析 VOF 热边界层传热特性

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水平管束降膜蒸发中CO2解吸的数值模拟

水平管束降膜蒸发中CO2解吸的数值模拟

作者：刘洋大连理工大学

学位级别：硕士

水平管降膜蒸发技术具有传热效率高、预处理简单、可利用低温余热废热等优点,已成为热法海水淡化的主流技术。降膜蒸发中产生的不凝气不仅严重恶化传热,而且引起淡化设备的结垢和腐蚀,使得海水淡化投资成本和运行成本大幅升高,因此有必... 详细信息

水平管降膜蒸发技术具有传热效率高、预处理简单、可利用低温余热废热等优点,已成为热法海水淡化的主流技术。降膜蒸发中产生的不凝气不仅严重恶化传热,而且引起淡化设备的结垢和腐蚀,使得海水淡化投资成本和运行成本大幅升高,因此有必要对水平管降膜蒸发中CO的解吸过程开展研究。本文把水平管束微观相变传热特性和海水流动特性与CO解吸过程相结合,在管周向、轴向及管间划分微元体,考虑微观传热、流动、化学反应和传质过程,建立水平管束降膜蒸发中CO解吸的数学模型。采用Matlab软件编写程序,计算得到CO解吸单元体面积、碳酸盐组分浓度、蒸发速率和CO解吸量的分布规律,分析了降膜蒸发中热力和几何参数对CO解吸的影响。模拟结果显示:管内外传热系数计算值与实验值的吻合度较好,验证了传热模型的准确性;沿竖直管排方向化学反应时间逐渐减小,并且减小的速度变缓。沿水平管长方向化学反应时间有增大的趋势,且这种趋势随竖直管排节点的增大不断增大;海水中决定CO解吸的HCO3-和CO32-离子浓度明显高于CO和H+浓度,各离子浓度在海水中的分布与CO解吸量和海水蒸发速率密切相关;单位面积蒸发速率和单位面积每吨海水CO解吸量的变化趋势相同,沿竖直管排和水平管长方向均呈现减小的趋势;蒸发温度和管径对单元体分布和CO解吸量的影响大于加热蒸汽流速和管间距的影响,蒸发温度升高,预热单元数和总单元数增多,CO解吸量减小,且减小的速率下降;管径增大,预热单元数和总单元数增多,CO解吸量增大,且增大的速率下降;加热蒸汽流速增大,CO解吸量减小,且减小的速率增大;管间距在0.2至0.5倍管外径范围内变化时,随着管间距增大,CO解吸量先增加后趋于稳定。

关键词：水平管束降膜蒸发单元体 CO2解吸传热传质化学反应

MED海水淡化系统中CO2化学解吸理论研究

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MED海水淡化系统中CO2化学解吸理论研究

作者：胡华伟大连理工大学

学位级别：硕士

随着全球水资源的日益紧张,尤其一些沿海地区淡水的严重缺乏,向海洋索取直接用水或者淡水已经成为很多国家解决水资源问题的重要手段。目前,海水淡化作为一项高科技技术产业正在得到各国的重视,而采用水平管外降膜蒸发技术的低温多效蒸... 详细信息

随着全球水资源的日益紧张,尤其一些沿海地区淡水的严重缺乏,向海洋索取直接用水或者淡水已经成为很多国家解决水资源问题的重要手段。目前,海水淡化作为一项高科技技术产业正在得到各国的重视,而采用水平管外降膜蒸发技术的低温多效蒸发海水淡化因其传热效率高、预处理简单、系统操作安全以及设备的耐腐蚀和防结垢能力好等优点而更加备受关注。海水在水平管外生成蒸汽的同时,会伴随有不凝气的产生,而即使少量不凝气的存在,也将对降膜蒸发的传热性能产生很大的影响,因此对海水淡化过程中不凝气的产生机理进行研究将是一个十分必要的课题。过去关于不凝气的研究主要集中在不凝气对传热、能耗以及海水淡化系统操作等的影响,很少涉及到不凝气释放过程的本身,尤其是CO2的解吸过程,然而,通过化学解吸产生的CO2对不凝气的释放具有重要影响。本文首先通过对MED海水淡化系统中C02解吸所涉及的化学反应的研究,介绍了化学解吸的基本原理,并通过海水中碳酸盐系统的热力学和反应动力学分析,对海水碳酸盐系统进行了求解;根据CO2解吸化学反应时间和管外液膜停留时间的关系,将蒸发器内管束划分为合适单元体,在充分考虑化学反应和传质过程的情况下,建立了MED海水淡化系统中CO2化学解吸的数学模型;最后运用MATLAB软件进行编程,模拟了整个日产12000t淡水的6效TVC-MED海水淡化实际装置系统CO：的解吸过程,并且通过分析得出了各运行参数对化学解吸的影响。研究表明,随着各效蒸发器内蒸发温度的降低,液膜中传质系数降低,CO：解吸量从第一效到第六效逐效减小;化学解吸产生的CO2与海水中溶解的不凝气具有相当的含量,随着蒸汽冷凝,不凝气在管内沿管长方向百分含量逐渐升高,将显著影响传热性能;在MED海水淡化运行条件下,碳酸盐系统组成将主要以HCO3-和CO32-形式存在为主,CO2的含量比较小,由于海水的蒸发,碳酸盐离子浓度增大,将有助于CO：的化学解吸;温度是决定化学反应速率的关键因素,温度越高,反应速率越快,但在蒸发器海水加热到饱和温度阶段,海水盐度和pH值也显著影响化学反应速率;冷凝器入口海水物性参数对CO2化学解吸也有很大影响：解吸量随着入口海水盐度的增大而增加,随着pH值和温度的增大而减小。

关键词：降膜蒸发 CO2 化学解吸传热传质