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《南京工业大学》 2004年
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20L热管生物反应器的温度场研究

徐舒  
【摘要】:将高性能的传热元件热管应用于生物反应器开发出来的20L热管生物反应器具有反应器的温度分布均匀、传热效率高等优点。 建立了热管生物反应器内流体及热管壁的温度场测试系统,有效地测定20L热管生物反应器在不同实验条件下牛顿流体、非牛顿流体完整的温度场。对于牛顿流体(H_2O)体系,在所有实验条件下,当采用冷凝端为空气自然冷却方式,反应热低于13.3kW/m~3时,三根热管体系完全能使体系稳定在30℃以上反应温度的条件:当采用冷凝端为水冷却方式,反应热高达40kW/m~3时,三根热管完全能使体系稳定在30℃以上反应温度的条件。对于非牛顿流体(2%CMC)体系,在湍流状态下,在反应热小于10kW/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。在实验湍流状态下,当反应热小于40kW/m~3时,牛顿流体、非牛顿流体两体系平均温差分别为0.32℃和0.30℃,最大温差分别为0.8℃和0.7℃:热管壁在所有工况下始终保持保持良好的等温性,其最大温差为0.4℃。 以计算流体力学(CFD)为基础结合反应器内温度场实验数据,采用CFD的成熟商业软件CFX拟合、检验了热管生物反应器内热量传递模型,有效地模拟、计算了牛顿流体在各种操作条件下的温度场。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。本论文模拟计算结果表明:①经典的Nayier-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的温度场,模拟计算值与实验值较吻合其平均误差为10%;②描述湍流下流体动量传递过程较有效的方程为k-ε模型,该模型仅用k、ε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,其拟合的温度场平均误差(16%)略高于层流时的误差;③在所有的操作条件下,一般位于器内壁和器内管体等构件壁面附近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。 20L热管生物反应器的温度场研究为工程放大提供了一定的理论依据,也将促进新型生物反应器的开发研究。
【学位授予单位】:南京工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TQ053.2

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【引证文献】
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【参考文献】
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