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关键词： 霜层生长   数值模拟   传热传质   融化与再凝固  

摘要： 霜的存在对制冷、航天等领域具有不利的影响,而为了找到抑霜的有效办法,首先有必要对霜层生长行为进行充分了解,对于结霜机理及结霜过程的探索就显得尤为重要。基于三相的欧拉多相流方法,通过在控制方程中添加源项的方式实现了相变过程的热量及质量传递,以此构建了考虑霜层支撑作用及融化-再凝固过程的结霜模型。基于构建的结霜模型,研究了霜层的生长过程及环境参数对霜层特性的影响。首先,由于在实际的物理结霜过程中,霜层是一层一层逐渐累积生长,因此结霜过程需要考虑下层霜层的支撑作用。故提出使用霜层表面的冰相体积分数阈值来确定是否满足支撑条件,并以此判定结霜的发生。通过给出的体积分数阈值拟合公式建立基于霜层支撑作用的新型结霜判据,并对现有的结霜模型进行改进。为了验证模型的准确性,将模拟结果与相关实验数据进行对比验证,发现本模型的模拟结果与实验数据吻合较好,厚度的平均误差不超过5.5%,密度的平均误差不超过4.5%。其次,考虑了霜层生长中的融化及再凝固现象。通过对比前人的5篇实验文献中获得的17组实验数据,研究发现提出的结霜模型计算所得的厚度最大误差为32.4%,平均误差为5.8%;密度最大误差为33.0%,平均误差为12.0%。同时还对比了有/无融化-再凝固模型的计算结果。基于对比结果发现环境参数影响融化程度,使得融化发生后霜层平均厚度及平均密度可能呈增大、不变及减小三种情况。在霜层生长的起始阶段,本模型的计算误差与不考虑融化-再凝固过程的结霜模型计算误差相近;但随着结霜时间的延长,本模型具有更高的预测精度,能够将厚度及密度最大误差均降低约7.5%。最后,基于构建的模型从局部和整体角度分析了不同工况下霜层厚度、密度及热阻随时间的变化,具体为冷表面温度、湿空气温度、湿度和速度对霜层特性的影响,并详尽分析了融化-再凝固过程中的霜层生长现象。研究发现:霜层局部厚度在冷表面前沿达到峰值,随后沿流动方向递减并在末端区域再次略有上升,而霜层整体平均厚度随时间增加而增加。霜层末端区域的局部密度大于主体区域的霜层局部密度,而霜层整体平均密度同样随时间增加而增加。沿流动方向霜层局部热阻先急剧升高,达到局部峰值后缓慢降低,并在霜层末端的下降幅度增大,而霜层整体平均热阻随时间增加呈先急剧增大,达到峰值后缓慢下降的趋势。融化过程起始于霜层表面的前沿区域,并逐渐蔓延至整个霜层表面。融化水凝固在多孔的霜层内部,增大了霜层的致密性。霜层的存在对融化水的流动产生阻滞,迫使融化水向高孔隙率的区域流动并凝固相变。

关键词： 微波干燥   传热传质   控制   多孔介质   稻谷  

摘要： 中国自古以来就是水稻种植主要区域之一,拥有悠久的水稻种植历史。随着农业现代化的推进和水稻种植技术的不断进步,中国水稻的总产量在不断提高。水稻在收获时通常含有较高的水分,如果收获后未进行及时的干燥处理,过高水分的稻谷在储存过程中极易发生变质、发霉和虫害等诸多问题,导致稻谷的产品质量及商业价值大大降低。此外,较高水分含量的稻谷在长时间存放时还会发生生物化学反应,产生二氧化碳和水分,造成品质下降和营养成分流失。水稻收获后进行干燥处理可以有效地将稻谷含水量降至安全水平,有助于提高稻谷的储存稳定性,从而实现稻谷的长时间安全储存。我国水稻传统干燥方法主要有太阳能干燥、风力干燥、热风干燥等方法,都是通过外部加热的方式来提升稻谷温度,从而加速稻谷中的水分蒸发。通过控制干燥的时间和温度,可以使水稻的水分含量逐渐降低,最终达到安全储存的标准。微波干燥是一种现代化食品干燥技术,相比传统的干燥方式,微波干燥可以实现对稻谷内部进行直接加热,其由内向外的独特热量传递方式使微波干燥具有更快的干燥速度、更高的干燥效率和更低的能耗等诸多优点,是一种非常有前景的食品干燥技术。本文通过对稻谷微波干燥过程水分运输机理进行研究,结合仿真及实验对水分运输模型进行验证,并对微波干燥装置箱体结构以及控制算法进行优化研究,具体内容如下:(1)稻谷微波干燥质热传递方程与数值模拟根据稻谷微波干燥过程中的水分迁移特点,综合水分迁移与扩散过程,建立了以稻谷为多孔介质的水分传输方程并验证了模型的准确性,构建了稻谷微波加热的仿真模型,对不同真空度下的稻谷微波真空干燥的热量传递过程进行了模拟,分析了稻谷干燥过程中各种参数的变化情况,研究结果为提高稻谷微波干燥的效率提供了理论基础。(2)稻谷微波干燥实验研究与含水率预测选取不同微波功率、真空度、加热时间进行了微波真空稻谷干燥实验,结合实验结果探讨了影响稻谷微波干燥速率的主要因素,并对稻谷干燥过程中的温度分布均匀性进行了研究。使用传统干燥模型和人工神经网络对稻谷微波间歇干燥实验数据进行拟合,对比了两种方式的拟合效果与含水率的预测准确性,为实现干燥过程的含水率实时预测提供了新方法。(3)微波干燥装置优化以稻谷的微波干燥实验以及稻谷干燥仿真分析为基础,针对微波干燥装置结构以及控制算法进行研究。仿真分析了腔体的不同微波馈口分布方式对干燥装置内部电场均匀性的影响,并结合仿真结果提出了优化方法,对现有稻谷干燥装置系统控制模型进行拟合,使用PID控制和模糊控制两种算法对装置控制方式进行优化,并比较了两种控制方式的控制效果。

关键词： 青花椒   热泵干燥   传热传质   结构优化   数值模拟  

摘要： 青花椒作为我国的特色农产品,在促进产业兴旺和农民生活富裕等方面发挥了重要作用。近年来,随着国家大力推进特色农业的发展,青花椒的产量和需求进一步增大。烘干是青花椒的主要产地加工方式,约80%的青花椒需要进行烘干处理。目前,热泵烘干技术已经广泛应用到青花椒烘干中,但大多数研究仅限于传统的试验阶段,不仅耗时耗力,而且较难全面分析青花椒烘干过程中的温湿度变化,对实际生产的指导意义较小。随着计算机性能和仿真软件功能的提高,数值模拟技术越来越被广泛应用于干燥领域中。目前,使用数值模拟技术对青花椒热泵烘干传热传质的探究及其烘房结构的优化几乎没有。基于此,本文主要做了以下工作:测量了青花椒及空气的基本参数;通过试验探究了青花椒热泵烘干的最优工艺参数以及干燥常数;利用计算流体力学(CFD)技术对青花椒热泵烘干过程中的传热传质现象进行了探究,对烘房的结构进行了优化。主要研究内容及结论如下:基于细小颗粒物填充法测量了青花椒的真密度与堆积密度分别为961.59kg/m、641.79kg/m,基于密度法测量了青花椒的孔隙率为0.33,基于等体积替代法测量了青花椒颗粒的当量直径为0.0055m,使用卤素水分测定仪测量了青花椒的初始含水率为2.08kg/kg(d.b.),同时对空气的基本参数进行了探究,用于青花椒热泵烘干过程中的数值模拟研究。以烘干温度、铺放厚度、风速为试验因子,以色差值、有效水分扩散系数为评价指标,开展了青花椒热泵烘干试验。单因素试验结果表明:青花椒的色差值随烘干温度及风速的增大先减小后增大,随铺放厚度的增大逐渐增大。正交试验结果表明:对于色差值,各因素的影响顺序为:烘干温度>铺放厚度>风速;对于有效水分扩散系数,各因素的影响顺序为:烘干温度>风速>铺放厚度。基于正交试验结果,通过赋予色差值、有效水分扩散系数两个评价指标相同的权重值,得到了青花椒热泵烘干最优工艺为烘干温度45℃、铺放厚度15mm、风速5m/s。使用5种动力学模型对青花椒热泵干燥过程进行拟合,并基于干燥常数的拟合程度,确定Page模型为最优模型,得到了干燥常数表达式中回归系数A、B的值分别为1.87、2175.01。基于多孔介质传热传质理论,建立了青花椒热泵烘干传热传质模型,通过C语言编写了用户自定义函数(UDF),结合ANSYS FLUENT软件数值模拟了青花椒烘干过程中的温度、水分分布规律,验证了该模型的准确性。结果表明:不同干燥时间段,青花椒的温度与含水率变化速率不同,青花椒的温度在干燥前期上升较快,中、后期上升较慢,含水率在干燥后期下降较慢,前、中期下降较快。随着物料层数的增加,青花椒的温度均匀性逐渐提升,含水率逐渐增加,且相较于中间位置,物料层两端的温度较高,含水率较低,水分比不均匀系数较大。针对青花椒热泵烘干过程中烘房内流场的不均匀性,本文利用CFD对烘房进行了优化。采用单因素试验结合BBD(Box-Behnken design)试验探析了烘房内增设导流板以及进风口、出风口尺寸大小各个因素对烘房内流场的影响,并得到了温度不均匀系数以及含水率下降百分比两个评价指标的二次回归方程;在MATLAB软件中将得到的二次回归方程输入到遗传算法中,对其进行多目标优化;最后通过多目标遗传算法计算得到的Pareto前沿解集,确定了烘房的最优结构参数,与原始结构相比,优化后的烘房其温度不均匀系数、含水率均显著降低。

关键词： 质子交换膜燃料电池流道设计   质子交换膜燃料电池冷启动   模拟分析   传热传质   阴极侧催化层设计  

摘要： 随着科技的发展,社会对能源的需求越来越大,并伴随着对环境保护越来越重视,氢能将会是最被看重和最具潜力的新能源,被誉为“21世纪的最终能源”。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells,PEMFC)凭借着能源效率高、清洁无污染和无噪音污染等特点,被认为是21世纪的清洁动力源,可以运用到汽车、航空、无人机和船舶等。PEMFC内部水热管理的困难是造成以PEMFC为动力源的汽车在市场上占有率极低的主要原因之一。在正常的运行阶段,容易产生浓度极化和水淹现象。在冷启动阶段,PEMFC内部产生的液态水会在多孔介质区域结冰,不仅影响电池的整体输出性能,还会破坏PEMFC的多孔介质,缩短电池的使用寿命,因此避免阴极浓度极化和水淹对于改善冷启动性能至关重要。本文设计了一款阴极侧糖葫芦型流道,并以此流道为基础,建立了三维多相多物理场耦合的流道模拟模型。通过模拟计算,分析了糖葫芦型流道中速度、温度、氧气浓度和含水量等参数的分布。并在此流道基础上,建立了三维多相多物理场耦合的冷启动模型,对比分析了糖葫芦型流道与传统直流道在冷启动过程中的表现,探究了阴极催化层厚度、孔隙率和对流换热系数对冷启动的影响。论文的主要研究内容如下:(1)在流道模拟分析中,考虑了水的形成、传输和相变等过程,对流道分析模型进行了合理的假设,建立了质子交换膜燃料电池内部的动量、能量、组分、电荷、质量与液态水输运方程。在冷启动模拟分析中,在流道模型的基础上考虑了冰的形成过程和膜中水传输和相变的过程,并添加了非稳态项,建立了多相多物理场非稳态冷启动模型。(2)在FLUENT中建立三维多相单电池单通道的模拟计算模型,并对网格无关性和模型进行了验证。电化学反应主要发生在阴极侧催化层,气流的传输主要发生在流道以及多孔介质区域。通过模拟计算研究了糖葫芦型流道对阴极侧速度场的影响,以及阴极侧催化层与扩散层界面处的氧气浓度、液态水含量和温度的分布。研究发现,采用糖葫芦型流道提高了气流在y方向的速度,增强了液态水的去除能力,阴极催化层与扩散层界面处的温度分布更加均匀。总之,增强了PEMFC的传热传质能力,电流密度提高了约8%。(3)在COMSOL中建立了三维多相多物理场单电池单通道的冷启动模型,并对网格无关性和模型进行了验证。通过冷启动模型研究了流道改变对冷启动过程中温度、冰体积分数和电流密度的影响。研究发现,糖葫芦型流道冷启动时温度升高得更快,降低了结冰速率。通过冷启动模型研究了阴极催化层厚度和孔隙率对冷启动性能的影响。研究发现,较厚的阴极催化层和较大的孔隙率有助于提高冷启动性能。也研究了不同电池外表面传热系数对冷启动的影响。研究发现,电池外表面传热系数越小,冷启动越顺利,温升的越快。

关键词： 香菇   远红外真空干燥   干燥特性   传热传质   数值模拟  

摘要： 香菇是光茸菌科、伞菌目、香菇属的一种可食用和药用木居真菌,具有降低胆固醇、增强免疫力等功效,被称为“蘑菇之王”。新鲜香菇的含水量在80%以上,室温放置下容易腐败变质,干燥是保存和延长其保质期的关键加工方法。但现有香菇干燥过程中存在耗时长、色泽差、干制品品质差等问题。为提升香菇的干燥效率,改善其干燥品质,本研究采用远红外真空干燥技术对其进行加工处理,建立香菇的仿真模型,优化其干燥工艺,为香菇的工业化生产提供理论支持。主要结果如下:(1)以干燥温度、辐照高度和辐照功率为影响因素进行单因素试验,研究真空远红外干燥对香菇干燥特性的影响,确定最优干燥动力学模型。结果表明,温度和辐照高度是影响水分速率和干燥速率的关键因素。不同干燥条件下,随着干燥温度的升高和辐照高度的降低,香菇的干燥速率显著增加。温度60°C,辐照高度250mm,真空功率900W时,香菇的干燥速率最快,Logarithmic模型的拟合效果最好。(2)采用COMSOL Multiphysics软件对香菇的真空远红外干燥过程进行仿真,研究其热质传递机理。结果表明:在真空远红外干燥过程中,香菇内部的温度分布呈现由内向外的整体扩散趋势,香菇内部的水分分布与其温度分布呈相反的变化,整个干燥过程符合红外辐射机理和电磁加热的基本原理。(3)建立了以总色差、复水比和平均干燥速率为目标参数的香菇真空远红外干燥二元回归模型,分析干燥温度、辐照高度和辐照功率对其的影响规律。结果表明:各因子对总色差和平均干燥速率的影响依次为干燥温度>辐照高度>辐照功率,各目标参数拟合度依次为:复水化率>平均干燥速率>总色差,相关系数R为92.29%,调整后相关系数R为82.39%。通过二次回归模型分析,得到了香菇真空远红外干燥工艺参数的最佳组合为干燥温度60°C,辐照高度300mm,辐照功率600W。在此条件下干燥品的总色差值为13.45,复水率为1.9360,平均干燥速率为0.0103%.min。试验的相对误差值与理论值均小于2.52%,一致性较好。

关键词： 蒸发式冷却器   传热传质   热力性能   模拟计算  

摘要： 随着经济的快速发展,能源的消耗大幅增加,研发各种高效节能的技术和设备,成为了降低能源消耗的有效手段。蒸发式冷却器是一种利用间接蒸发冷却技术的高效换热设备,由于其具有节能、节水、占地面积小等优点,被广泛应用于医药、化工、机械等行业中,在农业中的应用却相对较少。本文将蒸发式冷却器与农业中的日光温室相结合,对提高蒸发式冷却器热力性能进行研究时,并将蒸发式冷却器的出口空气送入日光温室中进行通风,具有很好的实际应用价值。本文以蒸发式冷却器为研究对象,采用MATLAB编程计算和CFD数值模拟相结合的方法,主要研究内容及得到的结论如下:1.根据热质交换原理和质量、能量守恒定律建立了完整的蒸发式冷却器传热、传质数学模型,并利用MATLAB软件编程计算,将计算结果与相关文献中的实验数据作对比,得到的模拟值与实验值的偏差均在10%以内,证明了数学模型的正确性。2.以济南市冬季典型气候日11时左右的室外气象参数为基础,对蒸发式冷却器进行初步计算,得到空气、喷淋水、热水的各物性参数在管长方向和管排方向变化规律。结果表明,空气的温度和相对湿度等物性参数在管排方向上均呈单调增加的趋势,且逐渐变缓,管长方向上呈略微下降的趋势;喷淋水温度在管排方向上呈先增加后减少的趋势,管长方向上几乎没有变化,其变化的平均值为0.08℃,喷淋水蒸发量在管排和管长方向上都呈下降趋势,管排方向上,第二排管的蒸发量约为最后一排管蒸发量的1.8倍;热水出口温度在管排方向上呈升高趋势,第二排管与最后一排管的热水出口温度相差约1.4℃,管长方向上,相同管段热水温度的变化量逐渐减少,0.5m-1m,1.5m-2m,2.5m-3m管段的平均减少量分别为1.2℃,1.05℃,0.83℃。3.从风速、喷淋密度、结构参数三个方面对蒸发式冷却器的热力性能进行了优化:(1)不同风速对蒸发式冷却器热力性能影响的研究。结果表明,当结构参数和喷淋密度保持一定时,风速由1.3m/s增加到3.4m/s,总传热系数、水膜-空气传质系数、蒸发水量等参数呈现先增加后略微减小的走势,管外壁-水膜传热系数变化不明显;风速为2.5m/s左右时,蒸发式冷却器的热力性能达到最佳;当喷淋密度分别取0.025 kg/(m·s),0.045 kg/(m·s),0.065 kg/(m·s)时,在风速为2.5m/s时的换热量分别为523kW,582kW,599kW。(2)不同喷淋密度对蒸发式冷却器热力性能影响的研究。结果表明,当结构参数和风速保持一定时,喷淋密度由0.03 kg/(m·s)增加到0.08kg/(m·s),总传热系数、管外壁-水膜传热系数、蒸发水量等呈现先增加后保持稳定的走势,水膜-空气传质系数变化不明显;喷淋密度为0.07kg/(m·s)左右时,蒸发式冷却器的热力性能达到最佳;当风速分别取2m/s,2.5m/s,3m/s时,在喷淋密度为0.07kg/(m·s)时的换热量分别为530kW,612kW,598kW。(3)不同管型对蒸发式冷却器热力性能影响的研究。结果表明,当喷淋密度和风速保持一定时,椭圆管长短轴比为2的换热性能优于圆管和长短轴比为3的椭圆管;风速为2.5m/s,喷淋密度为0.07 kg/(m·s)时,三种管型的换热量分别为658kW,616kW,585kW。4.研究了在最佳风速、喷淋密度和换热管型的条件下,得到的空气是否能用于日光温室的通风。结果表明,当取最佳风速(2.5m/s)、最佳喷淋密度(0.07kg/(m·s))和最佳换热管型(椭圆管长短轴比为2)时,蒸发式冷却器的空气出口参数为:风量11.5kg/s,温度26.8℃,湿度88.5%,经验证,出口空气参数满足日光温室的通风条件。

关键词： 溴化锂吸收制冷   溶液热交换器   直接接触式膜蒸馏   传热传质   多孔疏水膜  

摘要： 中国的一次能源消耗量占全球1/5且占比不断上升,面临重大能源挑战。在国内,交通运输业消耗能源占比高,总量大,其中水路航运承担主要对外贸易,有着不可或缺的能源需求。绝大多数船舶依靠柴油发动机驱动,能源利用效率低。将依靠余热驱动的溴化锂吸收制冷系统应用在船舶制冷上,是提高能源利用效率,减少能耗的途径之一。然而船舶吸收制冷面临机组体积庞大、受船舶摇摆影响等问题,近年来膜蒸馏技术与吸收制冷系统组件的结合为解决上述问题提供了新思路。目前针对溶液热交换器与膜蒸馏技术结合的研究尚处于起步阶段,现有研究成果包括传质回热循环提高系统COP的理论分析、中空纤维膜结构溶液热交换器的实验与数学分析、结构改进等,对于平板式微通道膜结构与溶液热交换器的结合研究尚少,微观尺度的热质交换机理研究不足。通过充分考察上述背景与现有成果,本文以膜基溶液热交换器为研究对象,在第二章介绍了PTFE多孔疏水膜结构性质参数与溴化锂水溶液相关物性工况,介绍了直接接触式膜蒸馏现有理论框架;第三章在此基础上研究了平板结构的膜基溶液热交换器的数值模型建立方法;第四章结合COMSOL软件,通过数值模拟研究了典型工况下的膜基溶液热交换器流场分布特性,进一步分析了热质交换机理;第五章根据上述研究基础,以温度变化量和质量分数变化量为参考标准,研究分析了膜基溶液热交换器传热传质效果受平板膜结构参数变化的影响,以及不同溶液工况下膜基溶液热交换器传热传质效果的变化情况。研究结果表明:膜基溶液热交换器两侧微通道内溴化锂水溶液呈现稳定层流状态,换热基于边界层理论自疏水膜两侧表面向溶液主体发展,传质包括膜内受温差驱动的跨膜扩散与溶液侧基于浓度边界层理论的对流传质,系统最佳流动排布方式为逆流排布。改变平板膜结构参数时,系统传热效果随微通道长度的增加、高度的减少、膜孔隙率的提高而提高,传质效果随微通道长度的增加、高度的减少、孔隙率和孔径的提高而提高;改变溶液进口工况时,发生器的出口质量分数越低,温度越高,吸收器出口的温度越低,膜基溶液热交换器的热质交换效果越好,同时两侧溶液流速不宜过高,本文工况下流速0.1 m/s时热质传递效果最佳。上述研究结果进一步拓展了膜蒸馏技术与溶液热交换器结合的理论基础,对于平板式膜基溶液热交换器在实际应用中的结构选型和工况范围设定具有参考意义。

关键词： 质子交换膜燃料电池   能量转换   传热传质   场协同   广义卡诺定理  

摘要： 在车辆、电子设备和移动电源领域,质子交换膜燃料电池技术已经得到应用。为了提高氢燃料电池的能量转换效率,推动其产业化发展,亟需更本质的分析系统内部的传热传质特性和能量传递与转换物理机制。质子交换膜燃料电池中的能量转换以及传热传质是复杂的多物理场耦合过程,目前针对该过程的热力学分析从反应过程的自发性研究较少。因此,本论文基于吉布斯原理和能斯特原理的基础上引入广义卡诺定理,分析了化学能与电能之间的能量传递与转换过程,进而基于强化传热传质理论,分析了影响质子交换膜燃料电池内部传热传质性能的因素,并以这些影响因素为主要变量,对比分析研究了这些因素对质子交换膜燃料电池性能的影响程度。首先,基于吉布斯原理以及能斯特理论分析了电化学反应过程,应用广义卡诺定理揭示能量传递与转换效率的物理机制。结果表明,在质子交换膜燃料电池系统正常工作时,系统内部的化学能与电能之间能量传递转换过程为自发传热过程与电化学势梯度下电子从无序至有序的广义力做功过程之间的热力学耦合,本质为自发的传热过程驱动了非自发的电子从无序变为有序的广义力做功过程。其次,针对质子交换膜燃料电池系统强化换热过程与反应气体强化传质过程,应用热力学耦合机制、场协同原理以及气体的扩散传质理论,对上述过程进行了理论分析。结果表明,取冷却流道为孤立系统,冷却流道内的冷却过程为自发的传质过程驱动的非自发传热过程的热力学耦合机制。基于场协同原理,气体流道内的速度场与浓度场梯度之间的协同角越小,速度矢量与浓度梯度之间的协同越强,气体流道的对流传质作用增强。最后,以冷却水温度、水流量、不同气体流道截面以及不同压力工况作为自变量,通过Fluent软件模拟分析了质子交换膜燃料电池系统的传热传质特性。结果表明,阴极催化层为电化学反应的主要产热区,温度沿催化层呈两侧对称分布,适当降低冷却水温度,可以有效提高电池性能,增大冷却水流速可以改变流体运动的状态,强化冷却水的对流换热,当冷却水流量达到一定速度时,继续提高流速,电池性能不再提高,此时冷却水已经满足电池系统内的换热需求;当提高操作压力时,阳极侧气体流道的传质性能明显增强,然而阴极侧气体流道的传质性能对操作压力不敏感。与矩形截面相比,三角形截面的流道传质性能最优,六边形截面的流道传质性能最差,场协同原理对强化对流传质具有理论指导意义。

关键词： 降膜吸收   传热传质   数值模拟   热力学耦合   广义场协同  

摘要： 溴化锂吸收式制冷机可以将难以利用的低品位热能用于自身的驱动,以水为制冷剂,以溴化锂浓溶液为吸收剂,工艺过程不仅对环境友好且对人体无害,所以在空调制冷行业备受青睐。相较其它热工设备,溴冷机内部的热质传递效率偏低。吸收器作为影响溴冷机制冷效率的主要部件之一,但是对吸收器内降膜吸收过程溶液吸收蒸气时两相间的能量转换关系、传热传质过程的热质交叉现象和作用机理研究尚有不足。鉴于此,本文以溴冷机中的吸收器为研究对象,对溴化锂在吸收器内的降膜吸收过程进行了理论计算、数值模拟及热力学分析,提出了强化吸收器内溴化锂降膜吸收过程热质传递的方法。首先,建立降膜吸收过程物理模型,对溶液降膜吸收过程进行理论计算,得到溶液液膜厚度、流速、传热传质系数等随雷诺数和周向角的变化规律。其次,利用流体模拟软件FLUENT对溴化锂溶液降膜吸收过程进行模拟分析,得到了溶液的管间流动形态、液膜厚度、流速、温度、浓度的分布云图,并将模拟结果和理论计算结果进行对比分析。最后,根据热力学耦合和广义场协同热力学机理,对理论计算和数值模拟得到的传热传质变化规律进行了热力学分析,提出了强化降膜吸收过程传热传质效率的方法。结果表明:(1)溶液降膜过程的液膜厚度、液膜流速以及溶液与水蒸气两相间的传热传质随着雷诺数和周向角的变化而变化。(2)降膜吸收过程溶液质量流量为0.12kg/(m·s)时的管间流动形态传热传质效果最好,t=0.49s时的液柱连续稳定有利于传热传质。(3)单根水平管周向角趋于90°时,液膜厚度和液膜温度存在极小值,液膜流速存在极大值,液膜的浓度随周向角的增大而减小。(4)吸收器内降膜吸收过程蕴含了一个符合广义场协同机制的水蒸气相变传热传质过程和一个符合热力学耦合机制的气体吸收传热传质过程。(5)系统与外界的温差增大时,降膜吸收传热过程的传热驱动力会增大,吸收器内溴化锂溶液吸收水蒸汽的传质能力会增强,高低热源温差越大,体系传热过程的驱动力越大,吸收器内溴化锂溶液吸收水蒸气的能力越强。

关键词： 气隙式膜蒸馏   扰流柱结构   传热传质   实验研究  

摘要： 膜蒸馏技术是将膜分离和蒸发过程相结合的分离技术,具有设备简单、可处理高浓度盐水和利用低品位热源等优势,在海水淡化、废水处理等领域极具推广前景。迄今,膜蒸馏技术还未能实现大规模的商业化应用,其中一个关键制约因素是现有膜蒸馏技术的膜通量和热效率较低。本文主要通过改变气隙式膜组件热流道的结构来强化膜蒸馏过程的传热传质,从而提高气隙式膜组件的整体性能。本文设计并搭建了气隙式膜蒸馏实验系统,针对气隙式膜蒸馏过程的传热传质进行系统性的基础实验研究,验证了气隙式膜组件的膜通量和热效率与各影响因素之间的关系。结果表明,膜通量与热料液入口温度、热料液流量以及冷料液流量均呈正相关,其中热料液入口温度对膜通量的影响最大;热效率与热料液入口温度之间也呈正相关;膜通量与冷料液入口温度、热料液浓度以及气隙厚度均呈负相关,其中气隙厚度对膜通量影响最大。在气隙式膜蒸馏的基础上,将单扰流柱结构引入到气隙式膜蒸馏的热流道中,设计了三种不同结构的气隙式膜组件,并针对三种不同结构的气隙式膜组件进行模拟计算和实验研究。结果表明,布置有扰流柱结构时的膜通量和热效率随影响因素的变化趋势与无扰流柱结构膜组件的实验结果相似;同时膜通量和热效率都随着单扰流柱尺寸的增大而增加,而热料液入口温度越高,强化传热传质的效果越明显;单扰流柱尺寸最大的膜组件的强化效果最优,较无扰流柱布置时膜通量提升了8.7%、热效率提升了4.8%。在单扰流柱结构的基础上,通过改变扰流柱结构的排列方式,将叉排扰流柱结构引入到热流道中设计了一种新型气隙式膜组件,并对其进行模拟计算和实验研究。结果表明,该组件的膜通量和热效率随影响因素的变化趋势与无扰流柱结构膜组件的实验结果相似;与无扰流柱结构的膜组件相比,膜通量提升了13.4%、热效率提升了13.7%,与布置有单扰流柱的最优膜组件相比,膜通量提升了4.3%、热效率提升了4.9%;扰流柱结构的布置并非通过提升截面流速来强化膜蒸馏过程中的热质传递,而是通过强化膜面附近的湍流动能,继而破坏膜面边界层,削弱膜蒸馏过程中的极化效应,强化膜蒸馏过程中的传热传质,由此来提升膜蒸馏的膜通量和热效率。以上结果表明,在气隙式膜蒸馏的热流道中加入扰流结构可以有效地提升膜蒸馏过程中的膜通量和热效率,为后期进行高效气隙式膜蒸馏组件的开发提供优化基础,以加快膜蒸馏技术商业化的进程。