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关键词： 渗透膜   氧化石墨烯   传热传质   疏水性   膜污染   分子模拟  

摘要： 渗透率低和疏水性差是限制渗透膜在膜蒸馏式海水淡化运用中的关键因素。为了提高膜的疏水性且保持高渗透性能,对自制的超疏水氧化石墨烯-聚乙烯吡咯烷酮/聚偏氟乙烯(GO-PVP/PVDF)复合膜进行了热质传递的分子模拟和污染物为腐殖酸(HA)、半胱氨酸(LC)、Ca2+的耐污染实验,并通过Materials Studio(MS)软件建立了膜的传热传质模型。结果表明,GO含量越大膜表面的裂纹越少。左右堆叠形态下复合膜的渗透性能最好且热导率最高,上下堆叠形态下膜性能最差。氢键作用能(Eel)为负值,并导致污染物和膜表面的相互作用能为负值,是污染物富集在膜表面的主要作用力。此外,Ca2+离子会加重膜污染。

关键词： 动力学   数值模拟   真空冷冻干燥   传热传质   应力应变  

摘要： 为探究枸杞真空冷冻干燥过程中的热质迁移,克服应力应变现象不能直观获取的问题,该研究通过对鲜枸杞切片试验图像二值化处理,建立了鲜枸杞真空冷冻干燥的热-质-结构耦合的物理模型,对真空冷冻干燥过程中枸杞温度变化、水分变化以及其内部的应力应变进行了热-质-力耦合分析,并对分析结果进行试验验证。模拟分析结果表明,预冻结过程中,细胞始终在膨胀,当细胞完全冻结时细胞所受应力达到最大,而干燥阶段热质传递对应力影响较小。提高真空冷冻干燥过程中的升温速率,在一定程度上能够缩短冻干所需时间,并且真空冷冻干燥过程中的枸杞样本的含水率下降速率随干燥时间的增大而减小,该变化趋势与Wang and Singh模型更加贴合(R2为0.983)。试验验证结果表明,该研究建立的模型能够较好反映并预测真空冷冻干燥过程枸杞样本的温度及应力应变的变化趋势(R2为0.857)。研究结果可为真空冷冻干燥系统优化和工艺参数的科学制定提供参考。

关键词： HAT循环   后冷湿化   传热传质   实验研究   数值模拟  

摘要： 为了提升湿空气燃气轮机循环的调控灵活性,自主设计和搭建了后冷湿化器一体化实验系统,通过实验获得不同水气比下后冷湿化器出口空气的温湿度和出口水温,利用实验数据修正表面化学反应速率,基于表面化学反应模型建立了后冷湿化过程三维数值模型,分析了水气比和进口水温对后冷湿化器性能的影响。结果表明:建立的后冷湿化器传热传质模型能高精度模拟后冷湿化过程,空气温度沿流动方向呈逐渐降低的趋势,空气的含湿量和相对湿度沿流动方向逐渐升高;水气比和进口水温均对后冷湿化器的性能有较大影响,随着水气比和进口水温增大出口空气湿度提高,湿化性能提升,而降低水气比有利于提升空气后冷性能。

关键词： 电子烟   多孔雾化芯   数值模拟   传热传质   热效率  

摘要： 为探究电子烟烟液在多孔雾化芯内雾化过程中的传热传质行为,建立了适用于模拟电子烟多口抽吸使用场景的多口抽吸模型,并应用MATLAB软件对模型进行求解,经验证模型具有一定的准确性。利用多口抽吸模型模拟逐口抽吸条件下电子烟烟液相变过程的传热传质特性、烟液成分变化并计算热效率。结果表明:(1)雾化芯孔隙中的烟液在抽吸间隙发生降温,在30 s的抽吸间隙内,烟液温度无法降至环境温度,随着抽吸口数的增加,逐口抽吸开始时刻和结束时刻的烟液温度较上一口相比平均提高4.4%;(2)在模拟的5口抽吸中,烟液的平均气化速率呈现先增大后减小的趋势,第2口抽吸时烟液的平均气化速率达到最大值2.80 mg/s;(3)随着抽吸口序的增大,逐口的系统升温耗能呈现先减小后增大的趋势,逐口的烟液气化耗能呈现先增大后减小的趋势,逐口的导热、对流、辐射3项热损失不断增大,每一口抽吸的热损失较上一口分别平均提高8.4%、6.8%、11.6%。每口抽吸的热效率随抽吸口数的增加而减小,当抽吸口数从1口增加至5口,每口抽吸的热效率从93.3%降至90.9%。

关键词： 质子交换膜燃料电池   振动分析   动态响应   电化学反应   饥饿   传热传质  

摘要： 针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)船舶适用性问题,建立船体简谐振动条件下三维单流道PEMFC计算模型,并以计算流体力学为主要研究方法,仿真研究PEMFC在船体简谐振动情况下的动态性能变化,并通过组分运输过程以及电化学反应对振动条件下PEMFC的动态响应进行内在机制解析。结果表明:简谐振动下PEMFC在经过初始阶段响应后,呈周期性输出规律;船体振动会显著影响PEMFC内部组分传热传质,导致电化学反应无法正常进行,PEMFC性能出现衰变趋势,甚至造成电池饥饿现象;当振幅不变时,振动频率的增大会加剧该现象。

关键词： 液化天然气   闪蒸气   多孔介质   吸附   传热传质  

摘要： 为研究LNG闪蒸气在低温储存环境下的吸/脱附特性及热效应,基于格子玻尔兹曼方法建立了多孔介质内闪蒸气流动传热传质的数值模型,并考虑闪蒸气在多孔介质表面的吸附作用和内部微晶孔扩散作用及传热效应,分析不同孔隙率多孔介质材料的闪蒸气低温吸附热力学特性。结果表明:闪蒸气的吸附作用使多孔介质温度明显升高,吸附速率与孔隙率呈负相关,吸附量和温度变化受孔隙率影响较小;环境热量驱动下闪蒸气从多孔介质中脱附,通过脱附吸热抵消了约45%的外部漏热侵入,且随着孔隙率增大闪蒸气脱附吸热效应增强。

关键词： 直接接触   冷凝器   气液两相流   传热传质  

摘要： 为探究直接接触冷凝器内传热传质特性,针对R290直接接触冷凝制冷系统中R290过热蒸气与R290过冷液直接接触冷凝过程,提出了3种不同尺寸的筒型正交混合式冷凝器,采用Fluent软件对其进行了气液两相热质传递的数值模拟。结果发现:在相同冷凝工况下,体积较小的A型冷凝器内部流型为环状流,体积较大的B、C型冷凝器内部流型为泡状流;A型冷凝器内几乎不发生传热传质;在产生泡状流的冷凝器中,冷凝器体积越大,传热传质效果越好;冷凝器体积传热系数随体积增大而减小;在相同冷凝热负荷的情况下,直接接触冷凝器所需换热面积仅为间壁式冷凝器的8%~14%。研究结果可为直接接触冷凝器设计优化提供可行方案。

关键词： 蒸发式凝汽器   降膜蒸发   流动阻力   传热传质  

摘要： 本文建立了水平管降膜蒸发式凝汽器热力性能计算模型,包括空气流动阻力模型,降膜蒸发传热模型,降膜蒸发传质模型等,根据实验数据和工业中相关装置的运行参数对模型进行了修正,编制了降膜蒸发式凝汽器热力计算软件。计算分析了降膜蒸发式凝汽器的换热量、空气流动阻力、管外对流传热传质系数等随迎面风速,喷淋密度的变化趋势,进一步探究了换热量、管束间流动阻力的主要影响因素。

关键词： 盐溶液冰浆   多相流   压降   传热传质   系统性能  

摘要： 近年来能源短缺和环境问题引发了全球各国的极大关注,而建筑能耗在社会总能耗中占有较大的比例,各种类型的热泵系统因其节能环保的优势应用越来越广泛。但由于部分地区冬季气温较低,热泵的应用受到了限制,而液体凝固过程中释放的潜热量远远大于温度的变化释放的显热,因此许多学者展开了采集相变能作为热源的热泵方案。而海水等含盐溶液中的盐分的存在,会使冰晶形成过程中形成盐包,不易完全冻结,减少冰堵,降低凝固点,因此本文提出了盐溶液冰浆相变能热泵系统形式。本文中对盐溶液冰浆相变能热泵的研究,建立了基于欧拉-欧拉CFD模型、群体平衡模型(PBM)的过冷盐溶液相变流动传热耦合模型,搭建了盐溶液相变传热实验系统,通过数值模拟和实验的方法,研究了盐溶液通过过冷法制冰凝固过程中的状态变化规律,获得了过冷盐溶液相变多相流动过程中冰体颗粒的成核、生长变化规律。分析了不同进口速度和冰晶固体体积分数下盐溶液冰浆流动和凝固过程中的压降、摩擦系数、冰晶体积分数分布和局部传热系数等流动及传热的变化特性。结果表明,冰浆的压降和局部传热系数都随着流速和固体体积分数的增加而增加。在盐溶液冰浆的流速为1m/s时,进口冰晶体积分数从5%增加到10%,以及从10%增加到15%的过程中,局部传热系数分别增加了16%和10.5%,但同时压降也分别增加了14.7%和5.8%。在流动和凝固条件下,盐溶液冰浆沿管程的局部表面传热系数在入口段下降,在充分发育段趋于稳定,当1.0m/s和10%的入口冰晶体积分数时,局部传热系数约为2.9×10 W/(m·K)。利用TRNSYS搭建盐溶液冰浆相变能热泵供热模拟系统,将水泵耗电等考虑在内,结果表明系统总体供热性能系数COP可以达到4.5,具有较好的能量利用效率。本文相关研究将为盐溶液冰浆相变能热泵系统的运行提供理论指导,促进盐溶液冰浆相变能热泵的工程应用发展。

关键词： 超重力   气液直接接触   传热传质   动力学   热力学  

摘要： 工业余热占总能源投入近50%,高效的余热回收和处理技术是节能降耗的关键。目前,对于工业低品位热能的处理与利用,虽然均采用了气液直接接触的传热和传质方式,但仍然存在传热传质效率低、传递速率慢等问题。此外,工业应用中的气液直接接触传热传质设备,比如透平系统中的湿化器、雾化蒸发器、填料床蒸发器和冷却塔等,其热质传递能力均有待提高。因此,亟需开发高效的气液直接接触传热传质技术,以实现低温热能的高效处理与利用。基于此,本文以超重力气液直接接触过程的热质传递为基础,分别研究了气液直接接触的蒸发和冷却单元操作,通过超重力技术改变流体的流动形态和状态尺度等方式进一步提高传热传质效率。首先,进行了超重力场内以传质为目的的直接蒸发实验研究,验证了超重力直接蒸发的可行性,结果表明超重力场内的蒸发强度可提高1-2个数量级。其次,进行了超重力场内以传热为目的的直接冷却实验研究,分别探究了夏季和冬季环境下的热质传递规律及冷却过程的性能,结果表明体积传热系数和体积传质系数较常规冷却技术也可提高1-2个数量级。然后,根据超重力场内热质传递的物理过程,建立了超重力直接蒸发和直接冷却的数学模型。结合实验数据和数学模型,分别进行了超重力场内热质传递的动力学特性和热力学特性研究,进一步明确了超重力场内的热质传递规律。具体内容及结果如下:(1)搭建超重力直接蒸发研究平台,并对其蒸发性能进行了研究。以蒸发量和蒸发强度为主要指标,考察了超重力因子、进口气体温度、进口液体温度和液体喷淋密度对蒸发性能和传热传质性能的影响规律。同时,考察了液体闭路循环蒸发过程的气液温度极限。实验条件下体积传热系数和体积传质系数可分别达到10.00-57.85 k W/(m·℃)和7.83-14.42 kg/(m·s),蒸发强度高达2212.39 g/(m·h),比常规直接接触蒸发技术提高1-2个数量级。确定了超重力场内蒸发过程的蒸发量和传递系数与各操作参数的经验关联式,并进行了经济性能分析,达到可以被市场接受的单位蒸发成本。(2)搭建超重力直接冷却研究平台,并对其冷却性能进行了研究。以冷却温差、冷却幅高、冷却效率和冷却数为主要指标,考察了夏季和冬季具有代表性的两种大气环境下超重力因子、液气质量比和进口液体温度等参数对超重力直接冷却过程中的冷却性能、潜热和显热传递占比以及体积传递系数的影响规律,并进行了经验式关联分析。得到了两种环境下的性能曲线,证明了超重力冷却系统可以在小体积、低流量的情况下实现高的冷却能力。实验环境下体积传热系数和传质系数分别达到了270.77 k W/(m·℃)和20.49kg/(m·s),较冷却技术提高了1-2个数量级。(3)对超重力直接蒸发和超重力直接冷却单元操作的物理过程进行分析,建立了超重力场内热质传递的数学模型,并对模型的准确性进行了评估。结果表明,所建立的数学模型可靠性很高,可以将其应用于超重力场内热质传递的特性研究。(4)分析超重力直接蒸发过程和直接冷却过程的动力学特性,明确了传热和传质的方向及其变化趋势。在直接蒸发过程中,传热方向是由气体向液体,而传质方向可能发生转变,根据气体中水蒸气分压和液体的饱和蒸发压的交点将旋转填料床的填料部分分为内外两部分且传质方向相反;在超重力直接冷却过程中,填料部分任何位置的液体温度始终高于气体温度,液体的饱和蒸汽压始终高于气相中的水蒸气分压,整个过程的传热和传质方向均是由液相至气相。(5)建立超重力场内的气液直接接触传热传质过程热力学的数学模型以及分析方法,明确了超重力直接蒸发和冷却过程中各热力学参数随操作参数的变化规律。研究结果表明,随着超重力因子、液气质量比、进口液体温度和进口气体温度的提高,填料外侧的熵产和(火用)损增大,传热和传质主要发生的区域是填料外侧。