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《南京工业大学》 2003年
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热管生物反应器的传递过程研究

王煜  
【摘要】:本文利用高性能的传热元件热管开发出5L热管生物反应器(HPBR),采用粒子成像测速仪(PIV)对该反应器内的流场进行了测定。以计算流体力学(CFD)为基础结合反应器内流场、温度场实验数据,拟合了该反应器中动量、热量传递数学模型,为热管生物反应器的分析、开发及工业放大设计提供了基础模型。 采用PIV测速技术首次成功地测定了该搅拌式反应器在各种工况下的典型流场,为搅拌式反应器提供了成熟的流场测试实验技术。这为定量、详尽地了解、分析、模拟HPBR的动量传递过程提供了基础实验数据。均相牛顿流体在层流状态(搅拌转速为50r/min)下,流速、涡量较小,但流场较均匀、流体混合已较好,其流动形态具有代表性:在反应器中部(R/Rm=O~0.6)圆柱体流体为自上而下等速运动,其叶轮区截面流体基本按半径方向的等速流动,其它截面流体作偏离半径方向或近似圆周运动;该轴向向下流动的流体遇器底四射至周边折返成向上流动,这导致R/Rm=0.6~0.75左右圆环体流体向下的流速陡降至0,而R/Rm>0.75的自下而上运动的周边圆环体流体就与中部作反向流动流体基本形成了反应器内连续循环流动过程。在R/Rm=0.9左右这股向上流体达最高速(约为中部(R/Rm<0.6)流体流速的1.4倍),R/Rm>0.9圆环体的流体很快进入边界层,其径向、轴向速度迅速降为0;流体混合程度随搅拌转速提高而增强,与层流状态相比,低湍流状态(搅拌转速为200r/min)时的流速成倍地增加,其值提高了360%,涡量也增加了140%;高湍流状态(搅拌转速为400r/min)时的流速、涡量较低湍流时的进一步提高,分别增加了150%、100%,流体混合剧烈。与均相流体相比,由于气泡上升、凝聚、破灭、卷吸等加剧扰动以及对流动(尤为径向)的阻滞等作用,虽然平均径向流速有所降低,但却改善了低速区流体的流动,其涡量成倍地增加,故混合增强。在实验测定的所有条件下,在叶轮区附近的流体由于直接受到搅拌桨的作用力,具有最高的流速(U_(max))、涡量,而在流体流动较弱的主循环区与自由表面交界处、器内壁和器内管体等构件的边界层区,由于仅有次生流的动量传递,流速(U_(min))、涡量均最低,低湍流状态的这两局部区域间的流场分布显著,流速比(U_(max)/U_(min))可达180,涡量比可达40。 建立了HPBR流体及热管壁的温度场测试系统,有效地测定、研究了在不同操作条件下HPBR内牛顿流体、非牛顿流体完整的温度场。在本实验湍流状态下,当反应热小于40kW/m~3时,水、2%羧甲基纤维素(CMC)、水—空气、2%CMC—空气的流体平均温差仅0.14℃,最大温差为0.6℃;热管壁在所有工况下始终保持保持良好的等温性,其最大温差仅为0.3℃。 在所有实验条件下,对于H_2O体系,在反应热小于9.6kW/m~3时,采用冷凝端为空气自然冷却的三根热管完全能使体系稳定在30℃以上反应温度的条件;当反应热高达40kW/m~3时,采用冷凝端为水冷却的三根热管完全能使体系稳定在30℃以上反应温度的条件。 在湍流实验条件下,对于2%CMC体系,在反应热小于8.7kW/m~3时,采用冷凝端为空气自然冷却的三根热管完全能使体系稳定在30℃以上反应温度的条件;当反应热高至40kW/m~3时,采用冷凝端为水冷却的三根热管完全能使体系稳定在30℃以上反应温度的条件。 采用CFD的成熟商业软件(CFX)由流场、温度场测定数据拟合、检验了HPBR内动量、热量传递模型。模拟计算了H_2O、H_2O—Air体系在各种操作条件下的流场、温度场以及2%CMC、2%CMC—Air体系在各种操作条件下的温度场,其流场、 南京工业大学博士论文 摘要 温度场计算值与实验值间的平均误差分别为7.7%与12%,远低于传统经验关联式 一般的计算误差(30%一40%),这为分析反应器内的传递过程提供了可靠的机理模 型与计算方法。在所有的操作条件下,一般位于器内壁和器内管体等构件的传递 阻力高的边界层区域模拟计算值与实验值间的误差较大。本论文模拟计算结果表 明:①经典的Navier一StokeS方程是描述层流状态下流体动量传递可靠的机理性 方程,应用该方程模拟计算反应器中层流状态下所有体系的流场、温度场的拟合 误差均比上述平均误差小得多。②至今,描述湍流下流体动量传递过程较有效的 方程为k一£模型,该模型仅用k、£两个参数大大简化了实际的湍流复杂过程, 用该模型能有效地模拟反应器中流体流速、温度分布,其拟合误差略高于层流时 的误差。③一般对非牛顿流体传递过程的分析均沿用成熟的牛顿流体模型,只是 对其中的粘度项用实际非牛顿流体粘度作修正,其温度场计算值较吻合,但拟合 误差较牛顿流体的高。④两相流体(HZO一一Air、2%CMC一Air)的传递过程很复杂, 目前均采用理想的均匀气泡模型来模拟、分析及计算,该两相流体的温度场及 HZ任一Air的流场模拟计算值与实验值较吻合,但拟合误差较均相流体的高。⑤反 应器的结构越复杂,描述该反应器的数学模型因需作过多的假设等会与实际过程 相差更大,而对复杂的边界条件确定及相应的网格划分也更困难,从而温度分布 计算值与实验值的误差将增加。本文模拟计算的温度场该误差从三根热管到单根 热管依次降低。 用在SL一HPBR中实体发酵
【学位授予单位】:南京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TQ03

【引证文献】
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中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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【参考文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
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【同被引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前2条
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中国硕士学位论文全文数据库 前5条
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【二级引证文献】
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【相似文献】
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7 胡阳旭;纳微尺度下传递现象的计算机模拟研究[D];北京化工大学;2012年
8 张士林;沉降性浆体速度与浓度分布耦合模型及迁移速度研究[D];大连理工大学;2005年
9 程婷;大功率白光LED照明器件中散热问题的研究[D];华中科技大学;2009年
10 孙玉钗;针织物热舒适性能研究与针织保暖产品设计[D];东华大学;2005年
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7 施慧烈;蜂窝热管平板式太阳能热水器的研究[D];浙江大学;2002年
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10 王春强;热管技术在增压内燃机中的应用[D];广西大学;2004年
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