温差对气液交叉流PM2.5去除效率影响

针对过程工业尾气PM2.5污染问题,提出以废气废水构建交叉流界面,利用高温工业废气与低温废水之间形成温差发生传热捕集尾气中PM2.5。研究含PM2.5高温工业废气横掠错排降膜阵列的传热传质,分析气液温差对PM2.5去除效率的影响,理论推导PM2.5去除效率表达式,结果表明PM2.5去除效率随气液温差增加而增大。对直径3mm的降膜阵列,气体Reynolds数为140的实例计算显示,气液温差由20oC增加至80oC时,单排降膜阵列PM2.5去除效率由0.33%提高至0.66%,200排降膜阵列去除效率由48.5%提高至73.2%,由350排液柱群组成的分离通道整体去除效率可达到90%。对高温工业尾气横掠降膜阵列进行实验验证,理论分析与实验结果吻合良好。     

降膜阵列脱除工业尾气PM2.5效率研究

提出一种低压降、大通量、高效率降膜阵列式,利用废水废气交叉流界面脱除工业尾气中PM2.5技术。以含Al2O3粉末的气溶胶流体模拟工业尾气横掠20列×90排直径3mm的降膜阵列进行实验,结果表明降膜阵列脱除尾气PM2.5效率随降膜阵列传质面积增大而增大,随处理量的增大而降低。当体积流量为111.3m3/h,相应的尾气雷诺数为230时,传质面积为0.0942m2的单排降膜阵列脱除PM2.5的效率为0.794%,此工况下,传质面积为37.7m2的400排降膜阵列脱除PM2.5的理论效率可达95.8%。     

尾气湿含量对气液交叉流阵列捕集PM2.5的影响

针对过程工业尾气中PM2.5治理难题,提出以废水-废气构建的气液交叉流降膜阵列系统,利用工业尾气冷凝组分冷凝捕集尾气中PM2.5。基于质量衡算和传质速率方程,得到以尾气湿含量为控制参数的气液交叉流PM2.5捕集效率模型。理论结果表明,进口尾气湿含量从0.28kg/kg增加到0.52kg/kg,单排降膜阵列PM2.5捕集效率从0.64%增加到1.26%。湿含量为0.52kg/kg时,预测182排降膜阵列组成长度为819mm的分离通道整体分离效率可达到90%。通过20列×90排降膜阵列进行实验验证,表明理论与实验结果基本一致。     

多场耦合作用脱除PM2.5的数值模拟与实验研究

气液间传热传质推动力是PM2.5脱除的关键因素。基于欧拉-拉格朗日模型,考虑热泳力、扩散泳力影响,对流场、温度场和浓度场耦合作用下液膜捕集颗粒过程进行模拟。模拟结果表明:水蒸气浓度差对PM2.5脱除作用明显,当颗粒粒径d_p=1μm时,在水温20℃,气体入口温度60℃,气体入口相对湿度由0.575提高到0.757时,20排液膜柱阵列颗粒脱除总效率提高了35.1%。最后通过含尘气体横掠液膜柱阵列除尘实验验证了模拟结果的准确性。     

气液交叉流阵列除湿与PM2.5脱除耦合研究

针对工业尾气高湿度、PM2.5难去除特性,提出废气-废水多相交叉流阵列脱除PM2.5的新方法,尾气横掠液膜柱阵列,蒸汽发生冷凝带动PM2.5向气液界面运动。使所有液膜柱阵列成为独立脱湿除PM2.5分离单元并组成串-并联结构,对分离单元建立水蒸气和PM2.5颗粒传质微分方程,颗粒的脱除速度正比于水蒸气传质通量,得出尾气冷凝脱湿、除PM2.5效率。理论分析表明,PM2.5颗粒脱除效率正比于水蒸气脱除量,对交叉流阵列入口尾气T=100℃、H=0.626kg/kg,气液界面Tw=20℃,100排交叉流阵列组成的串-并联结构液膜柱群湿度脱除、PM2.5脱除效率分别为96%、70%。对20(列)×100(排)交叉流阵列进行实验,实验值略大于理论值。     

气液交叉流变温变湿脱除工业废气PM_(2.5)

利用工业废气与废水之间的传热传质推动力,构建以扩散泳机理为主脱除PM_(2.5)的气液交叉流阵列(GLCA)。废水在重力作用下分布到垂直布置的导流线阵列表面形成降膜流动液柱群,含尘含湿废气横掠液膜柱群传热传质,带动PM_(2.5)朝水蒸气冷凝的气液界面定向移动(扩散泳),从而使每个液膜柱均成为独立的颗粒脱除单元。建模并求解得到单元效率计算方法,逐排计算GLCA随温湿度变化而变的单元效率,从而建立GLCA液膜柱群颗粒脱除累积效率模型。24 (列)×100 (排)交叉流阵列实验结果表明实验值与模型预测值较为吻合,揭示了GLCA气液传质推动力是PM_(2.5)脱除效率的控制性因素。据此设计了变温变湿GLCA串联组合,利用废热源使废气周期性升温增湿恢复传质推动力,提高脱除PM_(2.5)总效率。模型结果表明:饱和废气温度60℃、气体Re数为72. 6条件下,经过总排数1160的变温变湿GLCA串联组合,PM_(2.5)脱除效率可达90%以上。     

气液交叉流阵列PM2.5热泳和扩散泳拟传质模型

基于气溶胶中PM2.5微细颗粒物拟流体特性，对气液交叉流阵列中PM2.5在气溶胶流体传热传质边界层内热泳和扩散泳运动进行拟传质机理分析，与跟随气体的对流传质相叠加，建立了气液交叉流阵列PM2.5热泳和扩散泳拟传质模型，并进行了实验检验。实验在固定对流条件下，考察了不同气液相温度差导致的热泳、不同气相湿度差导致的扩散泳和颗粒粒径等因素对气液交叉流阵列PM2.5拟传质系数的影响。实验数据统计值与模型表达趋势一致，在初始温差40℃、初始湿度0.118 kg/kg条件下，100排气液交叉流阵列PM2.5拟传质系数模型预测值为3.33×10^-3 m/s、实验值为3.75×10^-3 m/s。     

气液交叉流阵列PM2.5热泳和扩散泳拟传质模型

基于气溶胶中PM2.5微细颗粒物拟流体特性,对气液交叉流阵列中PM2.5在气溶胶流体传热传质边界层内热泳和扩散泳运动进行拟传质机理分析,与跟随气体的对流传质相叠加,建立了气液交叉流阵列PM2.5热泳和扩散泳拟传质模型,并进行了实验检验。实验在固定对流条件下,考察了不同气液相温度差导致的热泳、不同气相湿度差导致的扩散泳和颗粒粒径等因素对气液交叉流阵列PM2.5拟传质系数的影响。实验数据统计值与模型表达趋势一致,在初始温差40℃、初始湿度0.118 kg/kg条件下,100排气液交叉流阵列PM2.5拟传质系数模型预测值为3.33×10~(-3)m/s、实验值为3.75×10~(-3)m/s。     

气液交叉流自增湿促进PM2.5颗粒长大模型

研究气液交叉流阵列内传热传质自增湿形成过饱和条件下水蒸汽在PM_(2.5)颗粒表面经历异质核化凝结长大的机理,并建立颗粒长大计算模型,逐排计算,确定颗粒粒径变化量。模型分析与计算结果解释了自增湿由强到弱的阵列条件下,实验检测到的PM_(2.5)颗粒粒径增长速度先增大后减小的规律。在气体温度T_(in)=41.2℃,饱和度S_R=0.85,横掠温度T_w=5℃的一个单元(100排)降膜交叉阵列实验条件下,最大可达5.5μm/s的增长速度,且模型预测颗粒长大后粒径分布与实验结果吻合较好。     

除尘滤料对微细颗粒捕集性能的研究

工业粉尘排放是大气中微细颗粒尤其PM2.5的主要来源之一,袋式除尘器中的滤料是颗粒捕集的关键。以实验手段,系统研究了几种典型针刺毡及覆膜滤料的阻力特性、全尘捕集效率及微细粉尘捕集效率。数据显示,滤料在老化后阻力增加,覆膜滤料增幅最小;常规滤料在洁净状态时对全尘的效率超过99.9%,老化稳定后效率在99.99%以上;尽管滤料对全尘的效率很高,但其对10μm颗粒的效率在94%～99%之间,对2μm的效率在52%～92%之间,仍有很大的提升需求     

垂直短管内弹状泡上升时壁面传递

采用电化学方法对短管内弹状泡上升时壁面传递进行了瞬时测量 ,并与充分发展弹状流动力模型计算结果进行了比较 ,表明该过程是没有充分发展的弹状流动 ;壁面剪应力与Sherwood数均在弹状泡到来时达到最小 ,而在弹状泡尾部达到最大 .弹泡周围液膜的壁面剪应力和Sherwood数与文献理论值较吻合 .对边界层分布的分析表明 ,过冲液膜对液弹段的壁面剪应力影响显著 ,对壁面传质的影响可忽略 .     

横掠液柱流的微粒运动机理及PM2.5捕获(Ⅱ) 重型柴油机尾气PM2.5捕获效率

根据（Ⅰ）报提出的液柱交叉流PM_2.5颗粒附面运动与吸收机理及模型计算方法,设计了以钻井废水吸收钻井柴油机尾气PM_2.5的液柱交叉流吸收现场试验装置。吸收器具有高温绝热蒸发与低温绝热冷凝两个操作空间,柴油机尾气通过绝热蒸发空间降温增湿,携带水蒸气到绝热冷凝空间通过扩散在液柱表面冷凝,形成热泳和扩散双重强化PM_2.5吸收分离机制。模型计算显示该机制下0.01～1.0 μm范围内颗粒粒径与分离效率关系不显著,设计工况下单液柱分离效率1.17%～1.36%。由200排三角形布置的液柱构成的吸收器总体分离效率90%～93%。该过程可同时蒸发废水461.2 kg·h^-1。但颗粒分离效率随蒸发负荷及液柱温度的上升而降低,温升10℃、单液柱分离效率降低60%。现场模型试验装置监测数据与本文模型计算总分离效率基本接近。     

CONJUGATE HEAT TRANSFER IN FALLING LAMINAR LIQUID FILMS

An analysis is presented for the heat transfer characteristics of a falling liquid film flow over a fin by the conjugate convection-conduction theory. Numerical results are presented for the dimensionless heat transfer coefficients, local and overall heat fluxes and temperature distribution of the fin by a simultaneous solution of the convective boundary layer equations of the fluid and the energy equation of the fin.     

降膜熔融结晶过程的数值模拟

通过对降膜熔融结晶过程中晶层界面的热质传递特征及降膜表面上液膜流动和传质传热的分析,建立了描述该过程晶层生长的稳态模型,并进行了无量纲变化。在自制降膜结晶装置中,以二元共晶混合物DDH I-D IPP为例,考察了流量、Stefan数及过热度变化时晶层厚度的变化,结果表明,晶体厚度随着Stefan数增加而增加,晶层厚度随着时间而增加,达到一定时间后,晶层厚度变化趋于平缓。同时,晶层厚度随着初始过热度的增加而急剧降低,随后趋于平缓。同时,采用所建立的模型对晶层厚度进行了计算,计算结果与实验结果基本吻合。     

非牛顿流体薄膜流中传质和传热的理论研究

本文从分析服从幂律的非牛顿流体薄膜流中速度分布入手,将其与扩散（导热）微分方程相结合,对不同的气液接触时间或距离进行了理论计算。 本文对方程给出了当流体的流变指数n取任意正有理数值时无穷级数解的求法。在此基础上,我们利用四阶Runge-Kutta法与Wegstien迭代法,求出了流变指数n为1/4,1/3,1/2,1/1.4,1/1.2,1,1.25,2.5,∞等一系列局部Sh数值与平均数值;当n=1即变为牛顿型流体时,与文献的结果十分吻合。     

加热热通量对微柱群通道内强迫对流换热的影响

以去离子水为工质,流经宽度3.5mm、长度40mm的叉排微柱群板,微柱群由直径500μm,高度分别为500、750、1000μm的微柱组成。实验研究微柱群内部加热热通量对换热特性的影响。采用电加热棒进行加热,测量微柱群板Reynolds数在100～1000之间时的进出口温度与流量,进而获得微柱群内部Nusselt数。研究结果表明,加热热通量对微柱群换热特性有重要影响。一方面,加热热通量的增大导致工质平均温度升高,工质Prandtl数降低,削弱了工质的换热能力;另一方面,加热热通量的增大降低了工质黏度,加剧了工质热运动,扰动增强,强化了工质的换热能力。当Re较低时,加热热通量的增大由于削弱了端壁面效应对换热的不利影响,同时增加了壁面与工质之间的温差,从而导致换热强化;随着Re的增大,端壁面效应减弱,因而加热热通量的增大对微柱群内部换热的影响减弱。     

横掠液柱流的微粒运动机理及PM2.5捕获(Ⅰ)附面运动轨迹与分离半径

提出了横掠液柱流的速度场和温度场推动PM_2.5微粒附面运动机理,建立了微粒附面运动微分方程和数值积分反演方法,计算粒子运动轨迹并预测可吸收的微粒运动最大分离半径。定义最大分离半径与液柱表面之间附面层的厚度为分离厚度,以气溶胶流体通过该区域的体积流量与横掠单液柱的总体积流量之比代表单液柱吸收效率;热泳推动力是强化吸收效率的主要因素。基于单液柱吸收效率,按串联模型导出规则排列的液柱群整体分离效率计算公式,依据液柱交叉流几何结构、流体流动和气液两相传热传质参数即可确定整体分离效率。对交叉流Reynolds数为170的实例计算显示,直径4 mm的单液柱吸收效率为1.18%,由195排液柱群组成的长度为1170 mm的分离通道整体分离效率达到90%。     

HEAT TRANSFER IN A SUBCOOLED WATER FILM FALLING ACROSS A HORIZONTAL HEATED TUBE

A numerical simulation and an experimental study were carried out for sensible heat transfer for a subcooled water film falling across a horizontal heated tube. A laminar model and a turbulent model were adopted to calculate the heat transfer coefficient. The whole wetting zone on the tube surface was divided into two zones: the top stagnation zone and the lateral free film flow zone. The initial boundary conditions for the free film flow zone were determined by calculating the fluid and the temperature fields in the stagnation zone. A modified wall function method was used for the turbulent model. The comparisons between the experimental data and the numerical solutions show that the experimental data agree reasonably well with the laminar model solutions. Finally, two simple correlations were proposed for predicting the convective heat transfer of a falling film for engineering applications.     

考虑界面蒸发时的降液膜流动传热

The interfacial evaporative heat transfer was included in the semi-empirical study of the heat transfer for the falling liquid film flow. The investigations showed that, the inclusion of the interfacial evaporative heat transfer in the turbulent model would lower the predicted convective heat transfer coefficient. Predictions of the new model resulted in a prominent deviation from that predictions of the normal model in the case of large mass flow rate and low wall heat flux. This deviation will be decreased with increasing wall heat flux, such that it will be asymptotic zero at very high wall heat flux. Predictions of the new model agreed well with the current experimental measurements. This study has verified that the Reynolds number is not the sole crucial parameter for heat transferof falling liquid film flow, and wall heat flux will be another important independent parameter. This result is consistent with our previous studies.