水平管束降膜蒸发中CO2解吸的微观特性.pdf

水平管降膜蒸发中释放的不凝气严重降低了管内冷凝传热速率会使海水淡化的能耗成本显著增加因此研究水平管束降膜蒸发中 解吸的微观过程具有重要意义 文章建立了耦合水平管束降膜蒸发传热和解吸的理论模型计算得到 解吸单元体、碳酸盐组分浓度分析了 解吸量的微观特性 结果表明:传热系数的模拟值与实验值吻合良好化学反应时间沿竖直管排方向减小且其速率逐渐降低而沿水平管长方向随竖直管排节点数的增加而变长主导 解吸速率的 和 在微元内的浓度显著高于 和 浓度单位面积的蒸发速率和每吨海水 解吸量沿竖直管排、水平管长方向均减少关键词:降膜蒸发解吸水平管束微观特性中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:山 东 建 筑 大 学 学 报 年 引言水平管降膜蒸发是小温差、微流阻、高敏感、饱和态下的相变传热已广泛应用于低温多效蒸发海水淡化系统 降膜蒸发过程中海水压力、温度、盐度和 值的变化会改变海水中各种碳酸盐离子的浓度使得碳酸盐系统重新建立平衡造成溶解在海水中的、等不凝气释放 所释放的不凝气降低了管内饱和蒸汽的分压力相应饱和蒸汽的冷凝温度降低使得水平管内外的传热温差减少显著降低了小温差传热的水平管降膜蒸发传热效率从而导致低温多效蒸发海水淡化系统的运行成本大幅提升针对含不凝气的冷凝传热过程研究人员开展了深入的数值模拟和实验分析 葛明慧等分析了含高浓度 水蒸汽在竖直平板上的冷凝传热性能胡浩威等研究了冷凝液滴在纳米粗糙结构超疏水表面的冷凝传热特性 等和 等研究了不同参数条件下的含不凝气蒸汽冷凝速率 受测试技术的限制无法定量观测微量不凝气的解吸过程因此绝大部分实验针对的是不同不凝气浓度参数下的传热速率而没有研究不凝气释放过程本身 刘泉等二维模拟了含不凝气蒸汽在竖直壁面对流传热过程李晓伟等采用对流传热和凝结传热计算含不凝气蒸汽冷凝过程 等和 等分 别 采 用 计 算 流 体 动 力 学()和格子玻尔兹曼法()模拟了含不凝气蒸汽冷凝相变传热过程 已开展的数值研究绝大部分是针对给定不凝气浓度的蒸汽冷凝传热过程仅有少量的研究是关于不凝气解吸过程的数值模拟 等和 等把基于多级闪蒸的化学解吸模型应用于模拟低温多效蒸发中 的解吸过程但模型中人为选取了微元体的尺寸假设了蒸发段温度、盐度线性变化因此模型的计算精度有待提高 杨洛鹏等依据化学反应时间和海水停留时间相等的关系决定不凝气解吸单元尺寸但模型中没有考虑管内外相变传热速率沿管长和管排方向的变化因此不能准确地描述海水在水平管束降膜蒸发中 解吸的微观特性文章将水平管束降膜蒸发中管内外相变传热特性和管束外海水液膜流动特性与化学解吸特性相耦合建立 在水平管束外解吸的理论模型模拟不凝气 在水平管束中解吸的微观过程揭示 解吸单元体沿水平管长和竖直管排方向的分布规律以及降膜蒸发速率、液膜中碳酸盐系统离子浓度和解吸量在水平管束中的微观特性 物理模型与控制方程.物理模型水平管外海水液膜中 解吸物理模型如图 所示 水平管外海水液膜吸收管内蒸汽冷凝释放热量后部分海水蒸发引起液膜中碳酸盐离子浓度及其状态参数沿管圆周、管长和管排方向连续变化液膜中离子发生化学反应而连续产生新的 不凝气并经过气液界面解吸图 水平管外海水液膜中 解吸物理模型图 第 期 丁保君等:水平管束降膜蒸发中 解吸的微观特性 .模型假设为提高数值模拟的计算速度并保证模拟的计算精度做如下假设:()气液相接触面各组分均处于物理平衡状态()在海水中的解吸过程遵循亨利定律()认为水蒸汽和 为理想气体()不考虑与化学解吸无关的离子间化学反应.控制方程海水液膜中碳酸盐控制反应由式()表示为 ()微元体内控制方程由式()表示为 ()式中 为组分 的浓度/为时间为组分 的扩散系数、为笛卡尔坐标、为液体在、坐标上的速度/为组分 的化学反应速率/()双模理论模型中 解吸速率的解析式可由式()表示为()()()()式中 为 解吸量/为扩散系数 为热力学平衡常数 为 数为传质系数/为液态 组分浓度/为气体组分浓度/式()中碳酸盐浓度基于液膜中 解吸化学反应机理、计算的局部蒸发速率以及海水液膜的温度和盐度 单元体相接触面积 包括管外海水液膜和管间液柱通过计算管外局部液膜厚度和管间液柱的直径获得水平管束降膜蒸发模型如图 所示对应的热力和几何参数见表 海水液柱从高度 处垂直下落到圆周角 的水平管顶部在重力作用下海水沿切线 方向以速度 和法线 方向以速度 向下流动膜厚()的管外液膜通过管壁温度 的水平管吸收管内蒸汽冷凝释放的潜热蒸发生成温度 二次蒸汽管两侧液膜在管底部汇合后流入下一根水平管 依据水平管降膜蒸发控制方程计算得到沿圆周方向管外液膜厚度和流速、管间液柱流速和直径、降膜蒸发传热系数等的分布再根据计算的液膜 值、盐度和温度得到化学解吸的化学反应时间依据化学反应时间内海水停留的面积得到 解吸单元体分布计算单元体内的 解吸速率和碳酸盐分布图 水平管束降膜蒸发模型图表 水平管束降膜蒸发热力参数与几何参数热力参数数值几何参数数值喷淋海水温度/.管内径/.喷淋海水盐度/().管外径/.喷淋海水 值.管间距/.入口加热蒸汽流速/()管长/.入口加热蒸汽温度/.横排管数/根蒸发温度/.竖排管数/根喷淋海水流量/().结果与讨论.传热模型验证对比管内冷凝传热系数 和管外蒸发传热系数的模拟值与实验值结果如图 所示 可以看出水平管内外传热系数的计算值与实验值的偏差模拟值与实验值较好的一致性验证了计算降膜蒸发模型的准确性 实验中管内底部冷凝液的堆积会增大冷凝液表面的波动造成冷凝传热系数的实验值略大于模拟值管顶部液体的冲击效应使得管顶部蒸发传热系数的计算值大于对应的实验值但冲击区仅对应管外圆周角的区域因此可以不考虑冲击效应的影响 山 东 建 筑 大 学 学 报 年图 水平管内外传热系数模拟结果与实验数据的比较.解吸单元体的划分化学反应时间沿管长 方向和管排 方向上的分布见表 依据化学反应时间和海水停留时间相等的关系划分的 解吸单元体分布如图 所示表 中可以看出解吸单元体沿管长和管排方向分别为 和 个按照管长方向液柱间隔划分的单元体间蒸发速率的变化率过小经优化计算确定为沿管长方向为 个单元依据化学反应时间和海水停留时间相等计算得到沿管排方向单元体为 个 单元体面积从左边加热蒸汽进口至右边加热蒸汽出口逐渐增大沿竖直管排方向随单元体所处管周和管间的位置不同而不同解吸单元体尺寸的变化是由表 中化学反应时间分布引起的化学反应时间沿管长 方向增大且增大速率随竖直管排节点 的增大而增大沿竖直管排方向减少 化学反应时间沿管长方向的分布是由于管内冷凝传热系数沿管长方向减少引起的随着蒸汽在管内逐渐冷凝积聚在管内底部冷凝液的厚度增加使得沿管长方向蒸汽的通流面积降低管截面的平均传热系数减小沿管长方向管内蒸汽与底部冷凝液间汽液摩擦持续作用会使蒸汽冷凝压力降低与饱和蒸汽压力相对应的冷凝温度的降低管内冷凝的传热温差减少这样沿管长方向的冷凝速率减少 沿管长冷凝传热系数和冷凝速率的减少海水液膜的 值和盐度的变化速率随之降低造成液膜中 解吸的化学反应速率降低和化学反应时间增大 海水液膜沿竖直管排方向流经管间时没有海水蒸发并且在管间的停留时间显著小于流经管外壁的时间因此沿竖直管排方向上单元体尺寸大小与单元体包含的管周向和管间的区域位置紧密关联表 化学反应时间分布解吸单元化学反应时间/.图 解吸单元体的划分示意图 第 期 丁保君等:水平管束降膜蒸发中 解吸的微观特性 .海水液膜中碳酸盐组分浓度分布海水液膜 值及碳酸盐系统各组分的质量摩尔浓度分布如图 所示 值和 质量摩尔浓度随管排方向单元节点数 的增加而增大海水液膜 值沿管长方向节点数 的增加而几乎不变和 的质量摩尔浓度随管长方向节点数 的增加而降低降低速率 要大于 且降低速率随管排方向单元节点数的增加而增大和 的质量摩尔浓度随管排方向单元节点数 的增大而减少而 的降低速率大于 的图 海水液膜 值及碳酸盐系统质量摩尔浓度分布 和 质量摩尔浓度比 和 的大了至少一个数量级因此海水液膜中碳酸盐系统主要为 和 沿竖直管排方向海水沿传热管圆周连续蒸发液膜中碳酸盐离子平衡被打破而不断发生化学反应连续生成 并解吸会使控制反应()中的离子浓度发生显著变化造成的结果是海水液膜中的 浓度降低浓度增大浓度减小 值增大又通过逆向控制反应使 浓度减小其速率随管排方向液膜蒸发速率的降低而降低对于二级反应释放对离子浓度的影响要小于海水蒸发因此 浓度随管排方向单元节点数 的增大而增大 由于降膜蒸发传热系数随水平方向单元节点数的增加而降低碳酸盐系统各组分的质量摩尔浓度沿水平管长方向减少 值逐渐增大降膜蒸发对浓度最高的的影响最大因此 浓度沿管长 方向的变化最显著.解吸量的分布单位液膜面积每吨海水 解吸量在水平管束解吸单元体内的分布见表 解吸量随管排方向单元节点数 的增加而减少沿管排方向降低了 从./()减少到./()沿管长方向降低幅度较小约为./()从表 和图 中可知随管排方向单元节点数 的增加化学反应时间和海水液膜中 和 的质量摩尔浓度减少与依据化学反应时间和海水停留时间相等划分的解吸单元体相界面面积相应减少在控制反应()中解吸量减小这两方面共同作用造成 解吸量沿管排方向单元节点数的变化单元体内单位面积蒸发速率如图 所示液膜蒸发速率随管排方向单元节点数 的增加而减少使得海水液膜中碳酸盐离子浓度的变化变慢 山 东 建 筑 大 学 学 报 年解吸量减小随管长方向节点数 的增加液膜蒸发速率减少化学反应时间增大使得 解吸单元体面积随管长方向节点数 的增加而增大 沿管长方向 和 浓度降低和 解吸单元体面积增大导致了单位面积每吨海水 解吸量减小表 单位面积 解吸量分布解吸单元单位面积 解吸量/().图 单元体内单位面积蒸发速率的分布 结论文章建立了耦合水平管束降膜蒸发传热和 解吸的数学模型对 解吸单元体、碳酸盐组分浓度和 解吸量的分布进行了模拟得到的主要结论如下:()水平管内外传热系数的模拟值与实验值的吻合度较好验证了传热模型的准确性()沿竖直管排方向化学反应时间逐渐减小且减小速率降低沿水平管长方向化学反应时间随竖直管排节点数的增加而变大()主导 解吸速率的 和 在微元内的浓度显著高于 和 浓度()单位面积蒸发速率和单位面积每吨海水解吸量沿竖直管排和水平管长方向都减少参考文献:叶梓阳欧阳新萍赵加普.()与 在水平强化管外降膜蒸发实验对比.化学工程():.李强蒲亮邵翔宇等.水平管降膜蒸发换热特性的模拟研究.太阳能学报():.赵亚磊.横向气流作用下水平管降膜动特性研究.济南:山东大学.张婷王学生陈琴珠.横槽管内降膜蒸发传热特性的实验研究.化学工程():.().:.:.刘佳琦.气流作用下水平管降膜流动传热特性研究.大连:大连理工大学.:.().:.:.:.索高峰.水平管降膜蒸发传热研究.天津:天津大学.葛明慧赵军王世学等.含高浓度 的水蒸气在竖直平板上的凝结传热实验研究.热科学与技术():.胡浩威牛东唐上朝等.大量不凝性气体存在时不同润湿性传热管冷凝传热特性实验研究.西安交通大学学报():.(下转第 页)山 东 建 筑 大 学 学 报 年速的收敛性达到与次优算法相同的最小收敛值 的迭代次数平均可节省.参考文献:.:.():.吕鑫 慕晓冬 张钧.基于改进麻雀搜索算法的多阈值图像分割.系统工程与电子技术():.常君杰 李东兴 钟欣等.改进乌鸦算法的二维 熵多阈值图像分割算法.山东理工大学学报(自然科学版)():.贾鹤鸣 彭晓旭 邢致恺等.改进萤火虫优化算法的 熵污油图像分割.智能系统学报 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