液氮超声空化CFD模拟及实验研究

基于计算流体力学（CFD）和实验方法,研究频率为20 kHz的超声波诱导的液氮空化特性。数值建模采用Mixture多相流模型,Singhal空化模型和Realizable k-ε湍流模型,并通过动网格方法实现边界正弦振荡来模拟超声波发生器界面。模拟计算获得超声空化结构的周期变化特性,与实验观察相比发现现象上一致性较好。基于数值结果,分析了超声影响区压力和温度等参数的变化特性;发现由于热效应,使得液氮超声空化相比水超声空化具有不同特性。模拟了振子振幅、超声频率及系统压力等参数对空化的影响特性,并提出超声波诱导的空化数表达式,结果证明空化数越小越容易发生空化。计算结果深入揭示了液氮超声空化机理。     

耦合超声场的气液流动特性

功率超声作为一种新兴的绿色技术,越来越受到石油行业的重视。结合稠油超声降黏机制,从气泡瞬态演化规律和溃灭特性出发,对超声作用下空化气泡和空化流场进行数值模拟和实验验证。模拟结果表明,增加超声频率和减小气泡之间的距离会导致单个空化气泡最大半径的减小,气泡个数的增加会使气泡生长至破裂过程的速度减小,延长超声作用时间和增大超声频率可增加超声场中最大空化压力。实验表明,空化气泡不断在超声场中振荡并互相聚并,且随着超声作用时间的延长,该过程更加剧烈。研究内容为稠油超声降黏在石油化工行业的应用提供了重要的理论指导。     

考虑水蒸汽蒸发和冷凝的超声空化特性研究

超声空化泡在溃灭时能够产生局部高温高压等极端物理化学效应。今在现有超声空化理论的基础上,考虑了水蒸汽的蒸发和冷凝效应,建立了超声空化动力学方程。文中采用数值方法,模拟了超声空化气泡运动状态参量变换规律。结果表明,不考虑水蒸汽的蒸发冷凝时,气泡在溃灭时最高温度和最大压力分别为27944 K和9.9072 GPa;而考虑水蒸汽的蒸发冷凝时,其最高温度和最大压力分别为3303.7 K和2.2342 GPa。因此水蒸汽的蒸发和冷凝对超声空化过程具有不可忽略的影响。     

正八棱形套管连续式超声反应器声强分布研究

在大尺寸正八棱形套管连续式超声场污水处理装置内采用无限大障板上活塞形振动元为模型分析了其声场分布特性,采用声强测量仪测量了该反应室轴向和径向的声强分布。结果表明:反应器内声场由各换能器近声场部分叠加而成,轴向和径向的声强分布具有相似的分布结果;多频组合的声强分布均匀性优于单频平行辐射声场,正交辐射声场各频率组合都表现出较好的声强分布均匀性,其中以30-30-30-30kHz的频率组合最佳,声强变化幅度轴向小于5%,径向小于10%;混响声场轴向和径向的声强变化幅度均小于10%,且具有较高的声强强度,平均声强约为0.95W·cm-2,大大减少了由于反应器形状而产生的空化死角,有利于超声空化效应的发生。     

超声空化技术净化有机废水应用研究

本文简要介绍了超声空化技术净化有机废水的降解机理,通过对有机废水在超声条件下降解速度的影响因素(如频率,声强,化学因素,反应器的各项参数等)的分析,提出了超声空化技术在废水处理中的发展方向。     

强化换热管型对超声波传播特性及空化效果的影响

目前对于超声波除垢效果影响因素的研究主要局限在超声波参数和换热介质参数两方面,而对于管道几何结构对超声波除垢效果影响的研究少有报道。为解决这一问题,通过自制超声波实验台分别采用圆管、波纹管、螺纹管和横纹管测量不同管道入口和出口处的声强和空化噪声积分数,对超声波在不同管道中的传播特性和空化效果进行了分析,并深入分析了影响机理。结果表明,管道的几何结构对超声波传播特性和空化效果有着明显影响,相比于圆管,超声波在强化换热管中的传播特性较差,但是由于湍流强度的增加,超声波在横纹管和螺纹管中的空化效果要优于圆管,而波纹管中由于过高的湍流强度空化效果反而比圆管差。     

声化学反应器设计研究进展

论述声化学反应器的研究进展及设计的基本原理,包括反应器采用的超声换能器的端面面积、输出声强、ＣＳＴＲ和ＰＦＴ模型下两种反应器中物料衡算方程,增加声化学反应器中声化学产额的空化效应动力学途径以及换能器与反应溶液之间的电 声耦合关系     

Sterilization of circulating cooling water by ultrasound

将超声用于石油化工循环冷却水中异养菌的灭菌处理,详细系统地考察了各个影响因素：超声频率、声强、声场形式对冷却水净化处理的影响规律。通过正交实验得出,在超声声强为0.30 W/cm²下,采用28/40 kHz混频超声处理1000 mL循环冷却水,处理时间为60 min时灭菌率达到94.6%。抑菌实验表明,经过72 h后抑菌率仍为82.1%。结果说明了超声灭菌不仅能起到较好的灭菌效果,还有长久抑菌的作用。同时,利用超声处理KI溶液后的吸光度变化表示超声频率、声强与超声空化强度的关系,以此探索了超声灭菌的机理,认为超声空化作用是超声灭菌的一个重要原因,将超声用于循环冷却水灭菌过程将成为绿色环保的工业循环冷却水净化新方法。     

文丘里管空化器内空泡动力学特性的数值模拟

研究了文丘里管空化发生器内空泡的成长、溃灭特性,根据基本的R-P空泡运动方程,考虑了液体粘性、表面张力和可压缩性等因素的影响,运用四阶Runge-Kutta法对空泡径向非线性运动方程进行求解,得到空泡径向演变过程以及溃灭压力的变化趋势.讨论了初始汽泡半径、入口压力和文丘里管的喉径比等因素对空泡演变过程的影响.结果表明,流体的可压缩性对空泡溃灭的影响最大;空化发生器结构参数以及操作参数均对空泡运动特性产生影响,从而影响空化强度.所得结果对空化流场中空化泡演变规律的研究以及水力空化发生器的设计具有指导意义.     

超声场下薯类的渗透脱水

分别以马铃薯-氯化钠溶液体系和红薯-蔗糖溶液体系为研究对象,探讨了其在自然条件下及超声场下的渗透脱水,考察了渗透液浓度、切片厚度、渗透液温度、超声发生器输出电流对渗透脱水率的影响。结果表明渗透脱水率随着渗透液浓度、渗透液温度、超声发生器输出电流的增大而增大,随着切片厚度的增大而减小;与自然脱水相比,存在超声场时,渗透脱水率明显提高。同时,建立了马铃薯-氯化钠体系和红薯-蔗糖体系自然渗透脱水及超声场下渗透脱水的动力学模型。     

LiCl溶液垂直管外降膜发生效果的实验

为了探究LiCl水溶液在低位太阳能吸收式制冷系统中的发生过程中的传热传质效果,在降膜发生实验装置基础上研究了LiCl水溶液在垂直管外降膜发生的传热传质过程。阐述了不同运行工况如不同的热水和溶液的流量、热源的温度、溶液的浓度和系统压力对LiCl水溶液发生过程传热传质效果的影响。同时也进行了相同工况下LiBr水溶液的对比实验。结果表明相同运行工况下LiCl水溶液降膜发生过程和LiBr水溶液的降膜发生过程有着相似的变化规律。虽然LiCl水溶液的垂直降膜发生速率略低于LiBr水溶液,但传质效果相差不大,LiCl溶液的低运行浓度有利于循环热力性能的提升。     

基于膜分离器的NH3-H2O-LiBr吸收式制冷系统的研究分析

氨-水-溴化锂（NH₃-H₂O-LiBr）三元吸收式制冷系统中溴化锂的存在有利于发生过程的进行，降低循环精馏热，但阻碍了吸收氨的传质过程，对吸收性能不利。对此本文提出基于膜分离器的氨-水-溴化锂吸收式制冷循环，可将溴化锂从进入吸收器的溶液中分离出来，进而改善吸收性能。并进行了在膜分离器中分离溴化锂的实验，实验结果表明NH₃-H₂O-LiBr三元溶液在膜分离器中两次循环后分离效率达98%。基于实验中的分离效率，利用Aspen Plus模拟器，进一步模拟分析了基于膜分离器的氨-水-溴化锂吸收式制冷系统，并计算其性能系数（COP）。结果表明，与普通三元循环相比，基于膜分离器的新型循环的能耗较低，性能系数可提高近10%。当发生温度从60℃升高到120℃时，循环的发生器热负荷逐渐降低，COP逐渐增大，最大达0.5869，较普通循环高6%，此时溴化锂质量分数变化范围为0~30%。     

超声强化小型溴化锂吸收式制冷机性能实验研究

在10kW溴化锂吸收式制冷机发生器侧壁（厚度4mm）粘贴超声波振子,实验研究了频率为28kHz超声波在溴化锂溶液两种不同液位高度下对机组性能的影响,并对超声波强化溴化锂溶液沸腾传热传质机理进行了分析。实验结果表明：无超声波作用时,溶液泵转速控制电机运行频率从17Hz升高到18Hz,溶液泵流量升高,发生器中溴化锂溶液液位升高5cm,制冷量增加16.8%,但性能系数（COP）降低44.3%;而施加超声波作用可以强化溴化锂吸收式制冷机性能,且强化效果与溶液液位有关,当机组发生器内液位高于超声波换能器中心线8~10cm时,机组制冷量升高19.6%,COP提高13.8%;而当液位与换能器中心线相差3~5cm时,制冷量提升并不明显,仅为4.7%,COP提升5.4%。实验结果为超声波作用提升小型太阳能溴化锂吸收式制冷系统性能提供指导和依据。     

采用溴化锂制冷装置回收MDEA溶液余热节能技术总结

介绍溴化锂制冷装置回收MDEA溶液余热节能技术的难点和创新点.简述其工作原理和工艺流程,介绍设备设计选型及溴化锂制冷装置的运行情况.实际运行表明,该装置节能效益显著,年增产合成氨6 325 t,节电1 533.2 kW·h.     

Conceptual design of a novel hydrodynamic cavitation reactor

Hydrodynamic cavitation has been increasingly used as a substitute to conventional acoustic (or ultrasonic) cavitation for process intensification owing to its easy and efficient operation. In this paper, we have put forth conceptual design of a new kind of hydrodynamic cavitation reactor that uses a converging-diverging nozzle for generating pressure variation required for driving radial motion of cavitation bubbles. Moreover, the reactor uses externally introduced bubbles of a suitable gas (argon or air) for cavitation nucleation. This design differs from earlier designs used by researchers where an orifice plate is used for creating cavitating flow. The new design offers a good control over two crucial parameters that affect the cavitation intensity produced, viz. rate of nucleation and nature of pressure variation driving bubble motion. Using numerical simulations of bubble dynamics and associated heat and mass transfer, trends in cavitation intensity produced in the reactor are assessed with varying design parameters. The results of simulation show that the externally introduced bubbles undergo transient motion in the flow through the nozzle generating moderate cavitation intensity. On the basis of results of simulation, some recommendations have been made for the effective design and scale up of the new kind of hydrodynamic cavitation reactors using concept introduced in this paper.     

溴化锂及离子液体水溶液密度、黏度和表面张力测定与计算

常压条件下,实验测定了不同温度（283.15~343.15 K）下吸收制冷/热泵工质对——溴化锂（LiBr）、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（[EMIM][OAC]）和1-丁基-3-甲基咪唑硫氰酸盐（[BMIM][SCN]）水溶液的密度、黏度和表面张力,借助线性方程和Vogel-Tammann-Fulcher（VTF）模型,分别成功关联了密度和黏度实验值。研究结果表明：在相同条件下,溴化锂水溶液的密度大于离子液体水溶液的密度,而前者的黏度小于后者;对表面张力,随着溴化锂含量增加,其水溶液的表面张力值增加,而少量离子液体可使水的表面张力快速下降。根据实验黏度和表面张力分别获得了能量势垒和表面熵/焓,表明各水溶液中分子或离子迁移难易程度遵循[EMIM][OAC] > [BMIM][SCN] > LiBr,表面有序性遵循[BMIM][SCN] > [EMIM][OAC] > LiBr。研究结果可为吸收制冷/热泵工质对及低温余热回收系统的设计和计算提供可靠的数据支撑。     

溴化锂吸收式制冷机组的性能优化及节能改进

介绍了蒸汽双效型溴化锂吸收式制冷机的制冷原理;分析了机组性能劣化的主要因素有蒸汽压力、冷却水进口温度、冷水出口温度、不凝气体和能量增强剂;通过对机组的气密性、溴化锂溶液、冷剂水、冷水及冷却水水质的优化,运行中对冷水、冷剂水、蒸汽等的调节,制冷效率可提高35%,能耗下降420 MJ/t。     

Boiling Heat Transfer in an Acoustic Cavitation Field

An experimental study has been carried out to investigate systematically the effects of acoustic cavi-tation parameters and fluid subcooling on boiling of acetone around a horizontal circular tube. The experimental results show that acoustic cavitation enhanced remarkably the boiling heat transfer and decreased the incipient boiling superheat and that cavitation bubbles effect on boiling heat transfer reduced with cavitation distance. For boiling curves in a form of h-q", elevated cavitation distance shift nucleate boiling curves to the right of the corresponding ordinary pool boiling curve. The associated mechanism of heat transfer enhancement is analyzed with the consideration of cavitation bubble influence on vapor embryo.     

气隙式膜蒸馏在溴化锂吸收式制冷系统中的应用

以1H, 1H, 2H, 2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（PFDTES）为改性剂,采用表面接枝方法制备疏水性PFDTES-Al₂O₃管式复合膜,并将其应用于溴化锂吸收式制冷系统。通过LiBr/H₂O溶液的气隙式膜蒸馏实验,测试管式复合膜对溶液的分离性能。结果表明：通过PFDTES成功制备出疏水性PFDTES-Al₂O₃管式复合膜;膜蒸馏渗透通量随着操作压力、进料温度及进料流量的增大而增大,随着进料浓度的增大而减小;对于LiBr的截留率始终保持在99.99%以上。在膜蒸馏实验结果的基础上,进一步利用Aspen Plus软件模拟了基于PFDTES-Al₂O₃复合膜的新型溴化锂吸收式制冷系统的换热过程,研究该复合膜应用于溴化锂吸收式制冷系统的可行性。结果表明：性能系数（COP）随着LiBr/H₂O稀溶液浓度及流量的增大而减小,随着LiBr/H₂O稀溶液温度的升高而增大;并且LiBr/H₂O稀溶液温度及流量是主要的影响因素。在操作压力0.08MPa、LiBr/H₂O稀溶液流量86L/h、质量分数50%、温度＞70℃、冷侧流量120L/h和温度20℃的条件下,COP＞0.7,说明将PFDTES-Al₂O₃复合膜用于溴化锂吸收式制冷系统,不仅可以减小设备的体积,还能降低运行成本,具有较高的可行性。     

超声波作用下柠檬酸盐溶液中SO2的解吸机理

本文从超声波作用特点出发，利用数值计算研究了在超声解吸SO2过程中，超声波的作用机理，从理论上阐明了影响超声解吸SO2的主要因素，并对此进行了实验验证，实验结果与理论分析吻合较好。研究表明，超声场下脱除柠檬酸盐溶液中SO2在理论和实验室规模下是可行的；超声频率、溶液中气体含量以及溶液性质对超声解吸SO2影响较大；给溶液中增加空化气泡核如通入微量惰性气体，SO2解吸效率显著提高；超声频率越低，超声脱除SO2效果越好；给溶液施加适当搅拌，SO2解吸率提高20%～30%；溶液中SO2初始浓度越高，解吸效果越好。