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作者：李红有大连理工大学

学位级别：硕士

蒸汽冷凝传热过程常常伴随着冷凝液膜的波动现象,冷凝液膜波动在空间和时间上蕴含着丰富的动力学行为,动力学行为又与蒸汽冷凝传热过程复杂耦合,强化了冷凝传热,因此通过实验研究冷凝液膜波动对蒸汽冷凝传热过程的影响,研究液膜波动强... 详细信息

蒸汽冷凝传热过程常常伴随着冷凝液膜的波动现象,冷凝液膜波动在空间和时间上蕴含着丰富的动力学行为,动力学行为又与蒸汽冷凝传热过程复杂耦合,强化了冷凝传热,因此通过实验研究冷凝液膜波动对蒸汽冷凝传热过程的影响,研究液膜波动强化冷凝传热的机理,对高效传热技术的开发具有重要的科学价值和实际意义。本文设计搭建了水平管内冷凝液膜波动可视化实验台,实验通过蒸汽干度调节器对水平管入口蒸汽干度进行调节,利用函数发生器控制扬声器添加不同频率的周期性正弦扰动,使冷凝液膜产生波动。基于光学全反射技术(Total Internal Reflection-TIR)测量水平管内底部(0)、侧部(90)、顶部(180)位置处的基底液膜厚度,基于LED/光敏晶体管光学测试技术测量波动液膜波频、波速、波长,这两种可视化测量技术实现了非接触定量测量,避免了对液膜流动的干扰。通过定量分析波动液膜基底膜厚、波频、波速、波长以及局部传热系数随蒸汽干度和扰动频率的变化规律,探讨液膜波动强化冷凝传热的机理。实验结果表明:添加特定频率的周期性正弦扰动能够使冷凝液膜产生波动,不同扰动频率下的波动液膜波频分布体现了波频对扰动频率的继承性。波动液膜波速和波长都随蒸汽干度的减小而减小;扰动频率为18Hz时,波动液膜波速最大,波长最长。添加扰动与不添加扰动相比,管底部、侧部、顶部基底液膜厚度都有明显的减薄,其中管底部基底液膜厚度减薄最显著;扰动频率为18Hz时,基底液膜厚度减薄幅度最大;基底液膜厚度随蒸汽干度的增加而减小;低蒸汽质量流率下,平均基底液膜厚度主要取决于管底部基底液膜厚度。添加扰动,管周向各处局部蒸汽冷凝传热系数都有所提高,其中水平管下部(90以下)局部蒸汽冷凝传热系数提高幅度最大;液膜波动强化传热的效果随着蒸汽干度的增加而减弱;在18Hz扰动下,液膜波动强化冷凝传热的效果最佳;在实验测量范围内,液膜波动引起的基底液膜厚度减薄对强化冷凝传热的贡献在高蒸汽干度下最大为76%,在低蒸汽干度下最小为30%。

关键词：强化传热波动液膜波频波速基底膜厚冷凝传热

低温多效蒸发装置的流动与传热特性的实验研究

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低温多效蒸发装置的流动与传热特性的实验研究

作者：王战山东建筑大学

学位级别：硕士

低温多效水平管降膜蒸发技术具有传热性能好、产品水质好、不易结垢和处理成本低等优点,其在废水处理、空调制冷等领域得到广泛应用,得到了国内外学者的广泛关注。开展管间流型、管束传热特性以及多效装置整体性能的研究,可为高效低温... 详细信息

低温多效水平管降膜蒸发技术具有传热性能好、产品水质好、不易结垢和处理成本低等优点,其在废水处理、空调制冷等领域得到广泛应用,得到了国内外学者的广泛关注。开展管间流型、管束传热特性以及多效装置整体性能的研究,可为高效低温多效废水蒸发设备的开发提供技术支持和理论基础。本文针对低温多效水平管降膜蒸发技术,设计和搭建了三效水平管降膜蒸发器实验装置。使用外径25.4mm表面光滑的铝合金管作为蒸发器的换热管,采用正三角形和转角三角形两种管束排列方式,三效蒸发器采用平行进料的方式。蒸发器效间连接采用聚四氟乙烯垫片和密封胶密封,保证了真空度为-0.095Mpa下的真空密封。以自来水和盐水为研究对象,研究了蒸发器内原料液的流动和传热过程。采用高速数码相机对不同管间距下的液体流动形态随喷淋密度变化进行了定量观测。以低温加热蒸汽作为热源,研究了不同喷淋密度、蒸发温度及盐度对首效管外蒸发侧传热系数、管内冷凝侧传热系数、总传热系数以及系统产水量和造水比的影响。流型观测实验表明,随着喷淋密度的增大,原料液的流型会依次出现滴状流、滴-柱状流、柱状流和柱-片状流等多种流型。在实验工况范围内,确定了从滴状流向柱状流转变所需的喷淋雷诺数为170,喷淋密度从大到小变化时,观察到了流型转变滞后现象并对其产生的原因进行了解释。传热实验研究结果表明,随着喷淋密度的增大,蒸发侧传热系数和总传热系数均会增大,而冷凝侧传热系数呈现先减小后增大的趋势,且受喷淋密度的影响较小;管外蒸发温度升高,蒸发侧传热系数、冷凝侧传热系数以及总传热系数均会增大;盐度增加时,蒸发侧传热系数和总传热系数下降明显,而冷凝侧传热系数略微增大;实验系统的产水量随着喷淋密度和首效蒸发温度的增大而增大,而造水比保持相对稳定。产水量随着盐度的增加而减少,造水比减小。

关键词：低温多效蒸发水平管降膜传热系数流型

苦咸水温室淡化系统参数敏感性分析及性能优化

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苦咸水温室淡化系统参数敏感性分析及性能优化

作者：江稔山东建筑大学

学位级别：硕士

近年来,人口增长、工业和农业发展已经使世界陷入淡水危机,联合国有关组织预计到2025年全球将有48个国家极度缺水。作为最大的水消耗部门,农业面临着严重的用水压力,寻找替代的水资源来解决农业发展和淡水短缺之间的矛盾显得尤为重要。... 详细信息

近年来,人口增长、工业和农业发展已经使世界陷入淡水危机,联合国有关组织预计到2025年全球将有48个国家极度缺水。作为最大的水消耗部门,农业面临着严重的用水压力,寻找替代的水资源来解决农业发展和淡水短缺之间的矛盾显得尤为重要。温室大棚不仅能够抵御外界环境的干扰,实现作物增量增产,同时温室内较高的相对湿度有效减少了作物蒸腾量,间接节省了灌溉耗水。尤其国外干旱地区更是开发了一种“海水温室”项目,利用空气加湿除湿的原理给温室降温,同时从海水(或苦咸水)中生产淡水用于灌溉目的。对“海水温室”中空气、蒸汽、水和土壤多相流的复杂流动传热过程及其优化的研究吸引了国内外学者的广泛关注。本文综合利用了“海水温室”和夏季温室通风降温技术,提出了一种有回风苦咸水温室淡化系统,通过回收冷凝器除湿后的冷空气经干帘进一步降低相对湿度后沿温室南北宽度方向送入温室内作物区,保证了作物区舒适生长的温湿度要求,同时南北宽度方向流动的冷空气与温室东西长度方向流动的热空气形成热分层,将温室内空间竖向划分为植被层区和上方空气层区。为了探究系统的性能,本文建立了一维稳态条件下的有回风苦咸水温室淡化系统的数学模型,基于Matlab软件对苦咸水温室淡化系统的数学模型进行计算。在东营盐碱地夏季典型日室外参数条件下,通过控制变量法分别讨论了一级湿帘厚度、二级湿帘位置、植被层空气流速、冷凝器入口苦咸水温度及流量对系统产水量、植被层温度和湿帘蒸发量及降温效率的影响。基于正交试验原理对有回风苦咸水温室淡化系统的参数进行敏感性分析和性能优化,以期实现温室种植和淡水生产的有效耦合。本研究主要得出以下结果:1)本文所建立的苦咸水温室淡化系统模型可划分为加湿、温室通风降温和除湿三个子系统模型,经与文献实验对比证明苦咸水温室淡化系统模型具有较高的准确度。2)有回风苦咸水温室淡化系统的单因素分析结果表明:一级湿帘厚度对植被层温度和产水量的影响比较紊乱;二级湿帘位置和植被层空气流速对系统产水量和植被层温度有正面影响;冷凝器入口苦咸水温度对产水量有负面影响,对植被层温度有正面影响;冷凝器入口苦咸水流量的影响与冷凝器入口苦咸水温度影响相反。3)得到了早、中、晚三个时刻影响因素的显著性排序,室外环境参数是早、中、晚三个时刻影响因素显著性排序存在差异的主要原因。通过传统和有回风苦咸水温室淡化系统的因素显著性排序对比发现,影响传统苦咸水温室淡化系统的植被层温度和产水量的显著因素存在差异,而有回风苦咸水温室淡化系统中的热分层现象能够将影响植被层温度和产水量的显著因素归结为冷凝器入口苦咸水温度和流量,避免了传统苦咸水温室淡化系统在同时优化植被层温度和产水量时出现参数调控之间的矛盾;之后着重讨论了显著因素对植被层温度和产水量的影响关系。4)根据早、中、晚三个时刻的系统优化分析,同理可得到8时至17时有回风苦咸水温室淡化系统的优化调控规律,结果表明有回风苦咸水温室淡化系统能始终保证番茄作物开花期生长的适宜温湿度条件(t=24℃,RH=55%),同时日产淡水量1118L,能够满足番茄作物开花期日灌溉用水1082L的需求,真正实现了温室种植和淡水生产的耦合。有回风苦咸水温室淡化系统为实现温室自给自足提供了一种可行性的方案。

关键词：苦咸水温室淡化敏感性分析正交试验热分层性能优化

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板式海水淡化装置变负荷产水特性的实验研究

板式海水淡化装置变负荷产水特性的实验研究

作者：赵一鸣山东建筑大学

学位级别：硕士

传统的板式海水淡化装置无调节机构,工作范围较窄,难以适应船舶柴油机变负荷做工,无法满足船舶日益增长的精细操作要求。利用可调式射流泵控制操作参数被认为是拓宽其工作温度范围的关键。然而对板式海水淡化装置内部特性参数的研究还... 详细信息

传统的板式海水淡化装置无调节机构,工作范围较窄,难以适应船舶柴油机变负荷做工,无法满足船舶日益增长的精细操作要求。利用可调式射流泵控制操作参数被认为是拓宽其工作温度范围的关键。然而对板式海水淡化装置内部特性参数的研究还十分欠缺,对可调射流泵与淡化装置之间联合运行时参数之间相互作用的认识有很大不足。亟需开展全面的实验测试和理论分析。本文通过精密仪器测量探究运行工况如海水温度、进料海水流量与热源热水温度等对产水量及浓海水液位的影响。结合微细通道沸腾换热机理,深入分析产水量变化与参数之间的作用原理,归纳装置板式蒸发器的沸腾换热准则关联式,并基于实验引入浓缩因子与浓海水液位参数,建立板式海水淡化装置变负荷调节的计算模型,通过计算得到变负荷下可调式射流泵的调节方式,进而调控设备,以满足船舶对装置变负荷产水的需求,有助于为板式海水淡化装置的变负荷调节提供理论依据和技术支撑。本文对船用海水淡化装置的研究进展以及板式海水淡化装置中的两个重要的部分射流泵与板式蒸发器进行了详尽的综述和讨论。通过详尽的计算,制作了板式升膜蒸发器,设计制造了固定式气液双级射流泵,搭建了板式海水淡化装置实验平台,详细介绍了实验系统并阐述了实验方法。在实验正式开始前进行了气密性实验与热量平衡测试,验证了实验台可靠性。开展了结垢实验测得装置最低进料海水流量,通过观察板片内部垢层的形成情况,分析了蒸发器内的不均匀流动情况,综合分析得到了最低浓缩因子。开展了不同工况下的产水实验,通过对蒸发器内的实验数据计算判定蒸发器属于微细通道,并结合微细通道流动沸腾换热理论,分析了不同工作参数对产水量的影响趋势,得到了产水量达到最高时的最佳工作参数。就关联式拟合方法进行讨论,基于非线性最小二乘法的Matlab拟合方法可以很好地拟合非对称型板式换热器实验数据。通过该法拟合了设备中的板式蒸发器的单相对流传热关联式与沸腾换热关联式,对比发现使用反映流体表面张力与板片间距的(9数预测对流换热系数变化趋势的精度较高。本文设计了带调节锥的可调式射流泵来代替固定式射流泵,进而实现变负荷调节过程。在射流泵方程中引入浓海水液位变量,将热力学方程与射流泵方程耦合为板式海水淡化装置变负荷调节模型。结果表明:调整调节锥行程,可有效调节可调式射流泵的引射流体状态参数;海水淡化装置工作的热源热水温度范围从固定式结构的66～84℃扩展到可调式结构29～84℃,相比于单纯依靠调节流量的固定式结构,可调式结构海水淡化装置具有更高热效率。

关键词：海水淡化板式换热器流动沸腾结垢浓缩因子可调式射流泵

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正渗透膜活性层纳米通道内流体输运特性研究

正渗透膜活性层纳米通道内流体输运特性研究

作者：张慧山东建筑大学

学位级别：硕士

正渗透是一种浓度驱动的新型膜分离技术,它相比于传统膜分离技术具有能耗低、膜污染小、水回收率高等优势,因而被广泛应用于水处理、能源生产、食品加工、医疗等领域。由于正渗透面临膜污染、反向盐通量和浓差极化问题,造成了水通量及... 详细信息

正渗透是一种浓度驱动的新型膜分离技术,它相比于传统膜分离技术具有能耗低、膜污染小、水回收率高等优势,因而被广泛应用于水处理、能源生产、食品加工、医疗等领域。由于正渗透面临膜污染、反向盐通量和浓差极化问题,造成了水通量及产水品质下降,所以正渗透仍存在应用瓶颈。膜污染、反向盐通量及浓差极化与水分子和离子在正渗透膜内复杂的输运过程有关,因此研究正渗透膜纳米通道内水分子和离子的输运机理可为正渗透的进一步发展提供理论指导。由于受限效应,流体在正渗透膜纳米通道内的传质行为与宏观条件下存在很大差异,且难以通过实验手段观测和研究流体在通道内的结构和动力学行为。研究正渗透膜纳米通道内流体的输运特性需要采取分子动力学模拟方法,从分子尺度入手并结合统计热力学、编程软件等对其物理机制进行探究。本文以碳纳米管构建正渗透膜纳米通道,采用分子动力学模拟的方法,研究了流体在正渗透膜纳米通道内的输运行为,分析了水分子在纳米通道内的结构和动力学特征,并揭示了正渗透膜对离子的选择性输运机制。本文首先采用分子动力学模拟,以碳纳米管作为正渗透膜纳米通道,模拟了流体在不同尺寸正渗透膜纳米通道内的输运行为,分析了孔径对流体输运的影响。研究发现,水分子在纳米通道内由于受限效应表现出与体相水不同的结构特征,随着孔径的增加,水分子在纳米通道内结构的排列方式会发生变化。结构不同导致水分子在通道内动力学行为存在差异,通过计算水分子在不同孔径纳米通道内的扩散系数及平均阻力,发现水分子在10.85(?)的通道内扩散最快,水分子进入不同纳米通道的平均阻力随着孔径增大逐渐降低;同时研究发现,孔径小于10.85(?)时,正渗透膜对离子的截留率为100%。并通过分析离子进入不同尺寸纳米通道的平均力势与离子的水化半径,揭示了正渗透膜截留离子的物理机制是基于离子水化直径的尺寸选择性;通过对水通量和盐截留率的计算,确定了10.85(?)为既能将水和盐高效分离又能保持高水通量的纳米通道尺寸。由于正渗透膜制备条件及方法的不同,膜的性质会出现较大的差异。流体跨膜输运的特性不仅与纳米通道的尺寸有关,还受正渗透膜亲水性影响。本文模拟了流体通过不同亲水条件正渗透膜纳米通道的输运行为,研究了正渗透膜亲疏水性对流体输运性能的影响。研究发现,提高正渗透膜亲水性不利于水分子的扩散和对离子的截留。水分子在纳米通道内的结构特征、动力学及出入口阻力受正渗透膜亲水性影响,当正渗透膜的亲水性增强时,孔壁对水分子的吸附增强,通道内水分子的密度上升,水分子间通过氢键键合,形成了类似于冰的高度有序结构,这种结构加剧了水分子与孔壁的摩擦,降低了水通量;由于提高膜亲水性增强了正渗透膜对水分子吸附作用,降低了膜孔附近水分子对离子的约束,从而离子进出通道更加自由,提高了离子的传质速率,降低了膜对离子截留的能力。本文对正渗透膜活性层纳米通道内流体输运特性的研究,有助于进一步了解流体在正渗透膜内的运动过程,对于构建高效的正渗透膜具有重要的理论指导意义。

关键词：正渗透膜纳米通道分子动力学模拟水通量截留率

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层流膜状冷凝液膜波动的数值模拟

层流膜状冷凝液膜波动的数值模拟

作者：王后全大连理工大学

学位级别：硕士

膜状冷凝作为高效相变传热方式,在工业领域具有广泛应用,如制冷循环中的冷凝器、核动力装置中的非能动安全壳冷却系统、热电厂的凝汽设备等。由于凝结液膜流动固有的不稳定性而表现出丰富的动力学特性,深入研究液膜波动特性与膜状冷凝... 详细信息

膜状冷凝作为高效相变传热方式,在工业领域具有广泛应用,如制冷循环中的冷凝器、核动力装置中的非能动安全壳冷却系统、热电厂的凝汽设备等。由于凝结液膜流动固有的不稳定性而表现出丰富的动力学特性,深入研究液膜波动特性与膜状冷凝传热传质机理间的内在联系,对强化传热具有重要的理论意义和实用价值。采用数值模拟研究纯蒸气在等温竖直平壁上层流膜状冷凝液膜的波动发展以及由波动引起的强化传热机制。采用非正交的坐标转换,将液膜波动区域转换成直角区域,在转换后的坐标系内建立冷凝液膜的质量、动量、能量守恒方程,采用有限体积法对控制方程组进行离散。基于速度场与压力场相互耦合,采用用改进的SIMPLER算法和交错网格进行流场计算,使用三对角阵方法求解离散的代数方程组。采用结构化的Fortran语言编写程序,模拟计算流场变量的分布特征。通过在液膜表面添加单一频率的正弦扰动来研究液膜表面波动的发展情况。结果表明：只有扰动被放大时才能引起液膜的波动,而扰动被放大或是被抑制与添加扰动的位置和频率有关,当扰动被放大后,液膜波动振幅不再受扰动位置的影响。液膜表面由光滑状态向小振幅的正弦波发展,最终演化成大振幅的非正弦波。波动层流膜状冷凝的局部传热系数比Nusselt解得到的要高出大约40%至50%,原因主要是时均液膜厚度减小和液膜内平均速度增加引起的流体对流增强。

关键词：膜状冷凝波动扰动数值模拟强化传热