盐溶液低压旋转加热蒸馏特性实验与数值模拟研究

摘要

环境控制与生命保障系统是空间站长期在轨运行的必要前提，其中关于尿液废水的回收处理难度最大且最关键。目前国际上针对尿液分离技术有热电膜分离技术和蒸汽压缩蒸馏技术。本文选取蒸汽压缩蒸馏装置为研究对象，应用实验和数值模拟相结合的研究手段，对蒸馏现象进行深入分析，为全面清晰地描述该现象的规律与特性积累相关经验，并奠定一定的研究基础。
　　本文首先通过可视化实验对旋转蒸发仪内部流体的流动以及液膜形成进行分析，观察不同转速工况下，液位高度、蒸馏烧瓶倾斜角度对溶液铺展情况的影响。结果表明液位高度越高溶液铺展范围越大，高转速下流体湍流波动越剧烈;倾斜角度越大液膜铺展越大，综合比较选定70°为最佳倾斜角度，进行蒸馏实验。配置与尿液相同比例的盐溶液进行蒸汽压缩蒸馏实验研究。结果表明温度、转速、浓度是影响溶液蒸汽分离特性的主要因素，其中温度对其影响比较明显，在35℃-60℃的温度范围内，脱水率达94.54％-95.89％，转速对其影响较小，不同转速脱水率增幅仅在0.2％范围内波动，浓度对分离效率具有制约作用，随着浓度增加脱水率减少。
　　利用两相流模型并结合相变模型对实验部分蒸馏烧瓶内溶液的流动以及传热传质现象展开了数值模拟研究。在实验基础上，分析不同壁面加热温度、烧瓶旋转速度、液位高度、倾角变化对蒸馏过程的影响。壁面加热温度对蒸馏过程溶液平均温度影响比较显著，壁温升高促进热传递过程，提高了蒸馏效率;转速以及倾角变化对流动形态产生影响，改变了溶液扰动以及受热面积，进而改变了传热，最终影响了溶液蒸馏的进行;升高液位高度会降低热传递的速率，最终导致蒸馏效率的降低。倾角变化不仅影响自由液面表面积大小，对流动形态也有一定影响。倾角变大，增加了溶液的扰动，传热现象明显，蒸馏效率提高。
　　本文的研究结果可以为我国空间站环控生保技术采用蒸汽压缩蒸馏方法进行尿液分离的进一步研究提供一定的基础数据。

目录

声明

致谢

摘要

物理量符号表

1 引言

1．1 概述

1．2 研究背景

1．2．1 载人航天领域人在空间生存存在的问题

1．2．2 再生式环控生保技术的影响和重要性

1．2．3 蒸汽压缩蒸馏技术的影响和重要性

1．3 国内外研究现状

1．3．1 尿液废水处理技术

1．3．2 蒸馏技术基础理论研究

1．3．3 蒸发蒸馏流态理论研究

1．4 选题意义

1．5 课题的研究内容

2 旋转蒸馏实验系统设计与建立

2．1 实验系统简介

2．2 主要仪器设备参数

2．3 旋转蒸馏实验方案

2．3．1 流型可视化研究

2．3．2 蒸馏分离实验研究

2．4 旋转蒸馏实验步骤

2．5 旋转蒸馏分离特性计算公式

2．6 本章小结

3 旋转蒸馏实验研究

3．1 实验工况

3．1．1 液体流动形态影响因素研究工况

3．1．2 蒸馏实验温度变化工况

3．1．3 蒸馏实验浓度变化工况

3．1．4 蒸馏实验转速变化工况

3．2 实验结果与分析

3．2．1 流动形态影响因素分析

3．2．2 温度对蒸馏特性的影响

3．2．3 浓度对蒸馏特性的影响

3．2．4 转速对蒸馏特性的影响

3．3 本章小结

4 旋转蒸馏数值模型

4．1 引言

4．2 多流体数学模型

4．2．1 基本方程

4．2．2 多相流湍流模型

4．2．3 相间传输模型

4．2．4 自由表面数学模型

4．3 模型建立

4．3．1 数值模型确定

4．3．2 几何模型

4．3．3 网格划分

4．3．4 网格敏感性分析

4．4 本章小结

5 旋转蒸馏数值模拟研究

5．1 模拟工况及相关参数

5．2 数值模拟与实验结果比较

5．3 加热温度对蒸馏特性的影响

5．3．1 加热温度与溶液温度的关系

5．3．2 加热温度对液面面积的影响

5．3．3 加热温度对相变率的影响

5．4 旋转速度对蒸馏特性的影响

5．4．1 旋转速度与液面平均温度的关系

5．4．2 旋转速度对液面面积的影响

5．4．3 旋转速度对相变率的影响

5．5 液位高度对蒸馏特性的影响

5．5．1 液位高度与液面平均温度的关系

5．5．2 液位高度对液面面积的影响

5．5．3 液面高度对相变率的影响

5．6 倾角对蒸馏特性的影响

5．6．1 倾角变化与液面平均温度的关系

5．6．2 倾角变化对液面面积的影响

5．6．3 倾角变化对相变率的影响

5．7 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历

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