露点蒸发淡化过程中含高分率不凝气的蒸汽冷凝传热研究

摘要

在耦合而成的增湿-去湿换热柱中,露点蒸发淡化过程以空气作为载气,通过预热过的海水或苦咸水使其增湿和去湿来获取淡水.这就不可避免地涉及含高分率不凝气的蒸汽冷凝传热问题.因此,研究含高分率不凝气的蒸汽冷凝传热问题,探索改善传热、提高传热系数的途径,是一个极具挑战性的课题.本项研究成果除了指导露点蒸发淡化过程的工程设计外,也可对其他相关过程提供有价值的参考. 针对露点蒸发淡化过程的特点,建立了含高分率不凝气的蒸汽冷凝传热的实验装置,并设置了两种形式的实验冷凝柱,冷凝柱Ⅰ和冷凝柱(组)Ⅱ.系统地考察了各种操作条件(两侧介质温度,流量等)对冷凝传热过程的影响；考察了温度、流量、传热系数和不凝气的质量分率沿冷凝柱的分布；首次系统研究了不同冷凝柱长度(2.5m,2.0 m,1.6 m,1-3 m和1.0 m)的冷凝传热特性,以及冷凝柱长度对传热系数的影响等. 高分率不凝气的存在会严重恶化蒸汽冷凝传热过程,但在合理的设计和适当的操作条件下,总传热系数可以达到1000～3000 W/m<'2>℃,对于露点蒸发淡化过程具有实际工程应用价值. 冷凝柱的有效传热长度对总传热系数的影响较大.自冷凝柱顶部到冷凝柱底部,由于混合气中的蒸汽不断被冷凝,使不凝气的质量分率越来越大,混合气的局部流速越来越低(局部雷诺数越来越小),其局部冷凝膜系数越来越小.当混合气和冷却水的进口条件相同时,有效传热长度越短,总传热系数越大.从有效传热长度对总传热系数的影响程度和装置的去湿程度两方面来考虑,在本实验考察的冷凝柱长度范围内,冷凝柱有效传热长度建议不要超过2.0m. 在大量实验数据的基础上,得出了含高分率不凝气的冷凝传热过程中混合气的局部膜系数关联式；以热量衡算和质量衡算为基础,结合传热速率方程,建立了含高分率不凝气的蒸汽冷凝过程的传热微分方程组；该方程组对本过程具有基础性和普遍性,原则上与设备型式和结构无关,是含高分率不凝气的冷凝传热过程的一套基础方程体系,可将其用于局部传热系数的计算和过程的数学模拟. 过程模拟计算表明,从冷凝柱顶到冷凝柱底,温度与传热系数沿冷凝柱下降.混合气中不凝气的质量分率和冷凝液质量流率沿冷凝柱增加.冷凝柱长度的增加,有利于混合气的完全冷凝和降低不凝气的排出温度,提高热能回收率,但对提高装置的传热系数和设备利用率不利.同时,实验和模拟均表明,混合气进口条件和冷凝柱高度是影响冷凝传热效果的决定性因素,而冷却水进口条件对冷凝传热过程的影响较小,模拟结果与实验结果符合良好.

目录

文摘

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前言

第一章综述

1.1海水淡化技术与增湿—去湿法的发展

1.1.1太阳能淡化简述

1.1.2增湿—去湿海水淡化技术的研究现状

1.1.3露点蒸发淡化及其研究现状

1.2不凝气存在条件下的蒸汽冷凝传热研究

1.2.1研究现状

1.2.2过程描述

1.2.3传热计算基础

1.2.4传热计算模型

1.3本文工作的主要研究内容

第二章实验装置与数据采集系统

2.1实验装置

2.1.1实验方案及其设备的确定

2.1.2冷凝柱的结构和尺寸

2.1.3实验设备与仪器

2.2实验流程与实验方法

2.2.1实验流程

2.2.2实验方法

2.3数据采集系统

2.3.1数据采集系统的结构

2.3.2数据采集卡与计算机接口程序

2.4本章小结

第三章操作条件对总传热性能的影响

3.1混合气进口参数的确定

3.2总传热性能的评价

3.3操作条件对总传热性能的影响

3.3.1混合气进口温度的影响

3.3.2冷却水进口温度的影响

3.3.3冷却水流速的影响

3.4本章小结

第四章操作条件对局部传热性能的影响

4.1准数与物性的计算

4.2冷凝传热过程中各参数沿冷凝柱的变化

4.2.1沿冷凝柱的温度分布

4.2.2混合气的膜系数、流速、雅克比数和质量分率比沿冷凝柱的分布

4.2.3混合气的膜系数和雷诺数沿冷凝柱的分布

4.3操作条件对局部传热性能的影响

4.3.1混合气进口温度的影响

4.3.2冷却水进口温度的影响

4.3.3冷却水流速的影响

4.4混合气的膜系数的无因次关联推导

4.5无因次关联式

4.6本章小结

第五章冷凝传热过程的传递特性研究

5.1模型的建立

5.1.1热量衡算与质量衡算方程

5.1.2传热速率方程

5.1.3方程变换与模型推导

5.2模型参数的计算

5.2.1设备结构参数

5.2.2与物性有关的中间变量参数

5.2.3根据实验数据计算散热系数

5.2.4局部总传热系数

5.3模型的求解

5.4传热系数的关联

5.5本章小结

第六章冷凝传热过程的数学模拟

6.1数学模拟的计算流程

6.1.1模拟计算方法

6.1.2数学模拟计算步骤与程序框图

6.2数学模拟的结果与讨论

6.2.1典型操作条件下的温度分布

6.2.2典型操作条件下的传热系数分布

6.2.3不凝气质量分率分布

6.2.4冷凝液质量流量分布

6.2.5对数平均与积分平均总传热系数

6.3本章小结

第七章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

致谢