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板式海水淡化传热传质特性模拟及试验研究

李明春  
【摘要】:海水淡化技术是解决人类淡水资源危机的重要途径,已经成为世界各国关注的焦点。低温多效蒸馏海水淡化由于其预处理过程简单,不易结垢,腐蚀较低,产品水质较好等诸多优点,已发展成为最主流的海水淡化技术之一。本文提出利用板式换热器换热系数高、结构紧凑、占地面积小、易拆装和清洗的优点,发展板式低温多效海水淡化技术,开展了关键部件换热特性及系统造水特性理论和试验研究。主要研究内容和结果如下:板式低温多效海水淡化系统中人字形波纹板板内单相流和两相流的流动与传热非常重要,是系统设计和优化的关键。对于单相流,建立数学模型研究人字形波纹板的换热系数,相关实验结果表明,模型与实验结果差别在15%以内。进一步采用数值模拟的方法研究波纹倾角β、波高h和波纹间距λ三个几何参数对板片性能的影响,结果表明:波纹倾角对板片的换热以及阻力特性影响较大,β=60°时的传热因子比β-30°时的传热因子提高60%,但β继续增大传热因子降低,摩擦因子随着β的增大而增大;波纹高度对板片的换热特性影响相对较小,h=6mm时的传热因子仅比h=3mm的传热因子提高约5%,但摩擦因子增大1倍;λ=20 mm时的传热因子比λ=5mm时的传热因子降低约30%,摩擦因子却降低约70%。对于两相流换热,在大量实验数据基础上,提出蒸发、冷凝换热的无量纲换热关联式:NUtp=2.1*ReL-0.4072*ReG0.5832*PrL0.205,其中液相Re数和气相Re数的适用范围分别是:19.9≤ReL≤51.2,599≤ReG≤1693;数值模拟结果表明:波纹倾角对板片表面气相体积分数分布有较大影响,倾角较大时气相体积分数较大且不易出现“干斑”;受气相体积分数的影响,蒸发相变换热系数随着波纹倾角的增大而增大;相同波纹倾角下,蒸发相变换热的换热系数比单相流换热的换热系数提高20%~100%。综合单相流和两相流的实验以及数值模拟的结果,推荐适合用于海水淡化系统的板式换热器板片几何参数为:波纹倾角600,波高3-4 mm,波纹间距15~20 mm。本文提出采用板式升膜的方法促使人字形波纹板内形成完整的水膜流动,降低换热过程中产生“干斑”的概率。基于物料守恒和能量守恒,建立了板式升膜低温多效海水淡化系统的数学模型,并在此基础上充分考虑海水物性参数随其温度、盐度的变化情况,利用Matlab编写程序求解板式升膜低温多效海水淡化系统的非线性方程组,设计了一套产水量为10kg/h的三效板式升膜海水淡化系统。搭建了板式升膜低温多效海水淡化系统的试验平台,研究了效数和主要运行参数对系统性能的影响。结果表明:两效系统的造水比在1.56-1.63之间,三效系统的造水比在2.03~2.13之间;主蒸汽温度升高系统产水量增加但造水比下降;进料盐水温度越高,流量越小,系统的产水量和造水比越大,进料盐水温度对二者的影响较大;冷却水温度越低,流量越大,系统的产水量和造水比越大。提出利用蒸汽喷射器引射末效蒸汽提高系统的造水比的方案,可将产水量50t/d的四效板式升膜海水淡化系统的单位效数造水比从0.783提高到1.205,提高了53.9%,总造水比达到4.82。


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