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《华南理工大学》 2012年
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膜式液体除湿流道共轭传热传质特性研究

黄斯珉  
【摘要】:世界上很多地区,尤其是沿海地区,高温高湿的气候严重影响着人们的生活和生产发展。因此,空气除湿对人们生活品质的提高和经济发展有着极其重要的意义。空气除湿的方法较多,其中,液体除湿由于具有高效率、无液态水凝结、能利用低品位能源、能源储存等优点,得到了很好的发展。传统液体除湿系统中,核心部件除湿器和再生器为气液直接接触设备,其中,填料塔为主要形式。在填料塔式除湿器和再生器中,气流和除湿溶液流直接接触,容易夹带溶液液滴。假如把夹带有除湿溶液液滴的除湿空气作为新风送入室内环境,会导致房间内家具、墙壁的腐蚀,并且危害人体健康。 近年来,膜式液体除湿技术由于能够彻底的解决传统填料塔除湿中存在除湿溶液液滴夹带的问题而引起重视。该技术最大的创新就是用膜组件代替传统液体除湿系统中的填料塔式除湿器和再生器。在膜组件除湿器和再生器中,空气和溶液被半透膜隔离。该膜具有选择透过性,只允许水蒸气的透过,而阻止其他气体和液体的渗透。空气流和溶液流可以通过膜进行热量和水蒸气的交换,从而实现除湿。在膜组件除湿过程中,等壁温或者等热流密度下的努塞尔数等准则数不再适用于膜组件液体除湿。因为膜表面边界既非等壁温(浓度),也非等热流密度(组分扩散率)边界条件,而是空气和除湿溶液通过膜共轭形成的自然边界条件。为了揭示出膜组件液体除湿过程中的共轭传热传质机理,本文以组成膜除湿器的典型流道为例建立相应的数学模型: (1)平行板式膜流道。以平板膜组成的平行板流道为对象,建立了流道内空气和溶液流的动量、能量和质量守恒方程,结合相应的边界条件,求解控制方程,获得阻力系数、努塞尔数等准则数,用实验值验证模型计算结果。结果表明,对于空气和溶液流,共轭边界条件下的局部努塞尔数(NuC)和舍伍德数(ShC)在等壁温(T)和等热流边界条件(H)下的相应值之间,并且溶液流NuC,s和ShC,s更接近于等热流边界(H)下的相应值。 (2)逆流中空纤维膜流道。采用经典的自由表面模型,建立单根纤维管流道内空气和溶液流的动量、能量和质量守恒方程,结合相应的边界条件,求解控制方程,获得阻力系数等准则数,用实验值验证模型计算结果。对于空气流,共轭边界条件下的局部努塞尔数(NuC,a)和舍伍德数(ShC,a)在等壁温边界(T)和等热流边界条件(H)下的相应值之间。 (3)错流的中空纤维膜组件,不考虑纤维间相互作用。对于错流中空纤维膜组件,由于其结构复杂,首先采用自由表面模型,对一个典型的自由表面单元分别建立层流和湍流模型,在相应的边界条件下求解控制方程,获得阻力系数等准则数。对于空气流,当组件填充率(φ)小于0.4时,共轭边界条件下的平均努塞尔数(Nuave,a)和舍伍德数(Shave,a)在等壁温条件下的平均努塞尔数(Nuave,T)和等热流条件下的平均努塞尔数(Nuave,H)之间。当φ大于0.4时,平均努塞尔数(Nuave,a)和舍伍德数(Shave,a)均大于Nuave,H。 (4)错流的中空纤维膜组件,考虑纤维间相互作用。对于错流中空纤维膜组件,经典的自由表面模型虽然在工程应用上有一定的指导意义,但是并不一定适合所有的中空纤维膜组件。因为自由表面模型没有充分考虑纤维管束的管间影响。为此,对四边形排列和三角形排列错流中空纤维膜组件选取典型的周期性计算单元,对其分别建立层流和湍流数学模型,在相应的边界条件下求解控制方程,获得相应阻力系数等准则数。在多数填充率下,空气侧共轭边界条件下的平均努塞尔数(Nuave,a)在等壁温条件下的平均努塞尔数(Nuave,T)和等热流条件下平均努塞尔数(Nuave,H)之间。对于四边形排列,当空气流动雷诺数(Rea)大于100,并且φ小于0.16时,空气侧Nuave,a高于Nuave,H。对于三角形排列,空气侧Nuave,a略小于Nuave,T。三角形排列管束的努塞尔数和舍伍德数大于相应的四边形排列下的值。对于溶液流,各种中空纤维膜组件中纤维管内共轭边界下的局部努塞尔数(NuC,s)和舍伍德数(ShC,s)均接近于NuH(=4.36)。 至此,本文获得了膜式除湿器流道在共轭传热传质边界条件下的阻力系数、努塞尔数和舍伍德数。这些基本准则数是膜组件的设计和整个系统的优化的基础数据。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TK124

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