HDH浓盐水脱盐过程及其中的液滴撞击现象研究

摘要

浓盐水的进一步处理和浓缩是学术界和工业界广泛关注的问题。本文基于加湿除湿（HDH）的原理，设计了一套小型化的浓盐水脱盐实验装置，实验探究了料液盐度对系统性能的影响。本系统采用料液喷淋方式进料时，加湿腔内部时刻存在着数以万计的浓盐料液液滴撞击在填料表面上，基于此，本文采用高速相机针对盐水液滴撞击现象进行了研究，分析了液滴撞击壁面后液膜铺展形态对系统性能的影响。 进料液的盐度对HDH脱盐系统的性能影响明显，随着料液盐度的增高，系统产水量显著下降。料液中由于Na+、Cl-的存在改变了水的物性，相比纯水，料液的蒸汽压降低，直接减弱了水蒸发汽化的动力，减少了可以进入循环空气中水蒸气的量。随料液盐度的增高，HDH脱盐系统造水比不断下降，产水能耗不断增加，但产水品质不会下降，系统脱盐率维持在99.9%以上。对于饱和浓盐水，料液流量的增加会增加系统淡水产量，输入系统的能量也增多，对系统造水比和单位体积产水能耗的影响不明显。 采用高速摄像机对不同盐度的盐水溶液液滴撞击聚丙烯平板表面的特性进行了分析，随着料液盐度的增加，因具备更大的粘性和表面张力，浓盐喷淋液滴将在HDH脱盐系统加湿腔填料表面的铺展过程受阻，浓盐液滴的液膜铺展面积更小，HDH脱盐系统加湿腔内有效气液接触面积减少，削弱了循环空气同喷淋料液液滴间的传热传质效果，将进一步降低HDH脱盐系统的产水性能。液滴撞击速度的增加会使液滴铺展的更快、更充分，能够达到的最大铺展直径越大，液膜铺展面积越大。相比大液滴，在撞击速度相同时，盐度增加对小液滴铺展过程的阻滞作用要小于大液滴。 实验研究了不同盐度的盐水液滴在撞击不同润湿性的平板表面时的运动特点。随着撞击表面润湿性的降低，因疏水表面粘滞作用更弱、能量损耗更低，盐度的增高对液滴铺展过程中的阻滞作用在亲水表面表现的会更加明显。此外，撞击表面润湿性的降低将促进液滴撞击后反弹与飞溅现象的发生，盐水液滴撞击在超疏水表面时易于产生尺寸更小的二次液滴，更多细小的液滴将从另一角度增加脱盐系统加湿腔内的气液有效接触面积。亲水填料可增大腔内液膜的润湿面积，但液膜留滞时间久，液膜更替速度慢，填料表面结垢的风险将增加。若填料的润湿性降低，加湿腔内部的润湿面积逐渐减小，但液滴粉碎效果将逐渐提高，液膜留滞时间缩短，表面成垢的风险会相对更低。在应用HDH脱盐技术淡化处理浓盐水、高盐废水时，系统内填料的选取十分关键，应充分考虑其结构、润湿性、防垢能力等多方面的因素，值得进一步深入的探究。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 HDH脱盐技术及分类

1.3 HDH脱盐技术的研究进展

1.4 液体物性对液滴撞击壁面过程影响的研究进展

1.5 本文研究内容

2 HDH脱盐实验研究

2.1 HDH脱盐系统

2.2 HDH脱盐实验运行操作

2.3 系统热力学分析与性能评价

2.3.1 系统热力学分析

2.3.2 系统性能评价参数

2.4 HDH脱盐实验结果讨论

2.4.1 HDH系统稳定性实验

2.4.2 料液盐度对HDH脱盐系统性能的影响

2.4.3 料液流量对HDH脱盐系统性能的影响

2.5 本章小结

3 盐水液滴撞击聚丙烯平板表面实验研究

3.1 盐水液滴撞击实验观测系统

3.1.1 实验装置与操作

3.1.2 材料与设备

3.1.3 参数说明

3.2 盐水液滴液膜铺展对HDH脱盐系统性能的影响

3.3 撞击速度的影响

3.3.1 撞击速度为1.5 m/s时的动态特性分析

3.3.2 撞击速度为2.2 m/s时的动态特性分析

3.3.3 撞击速度为4.1 m/s时的动态特性分析

3.3.4 撞击速度对盐水液滴最大液膜铺展面积的影响

3.4 液滴直径的影响

3.4.1 不同液滴直径撞击时的动态特性分析

3.4.2 液滴直径对盐水液滴最大液膜铺展面积的影响

3.5 本章小结

4 盐水液滴撞击不同润湿性平板表面实验研究

4.1 表面润湿性的影响

4.1.1 撞击亲水表面（CA=25°）时的动态特性分析

4.1.2撞击疏水表面（CA=128°）时的动态特性分析

4.1.3 撞击超疏水表面（CA=150°）时的动态特性分析

4.1.4 撞击表面润湿性对盐水液滴动态特性的影响

4.2 盐水液滴撞击超疏水平板表面实验研究

4.2.1 撞击速度为0.5 m/s时的动态特性分析

4.2.2 撞击速度为1.0 m/s时的动态特性分析

4.2.3 撞击速度为2.2 m/s时的动态特性分析

4.2.4 撞击速度的影响

4.3 不同润湿性填料的应用探究

4.4 本章小结

结论

展望

参 考 文 献

附录A 符号说明

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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