氨水纳米溶液降膜发生过程的数值模拟与试验研究

发布时间：2017-11-03 01:10

  本文关键词：氨水纳米溶液降膜发生过程的数值模拟与试验研究

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【摘要】：针对利用低品位热能驱动的氨水吸收式制冷机组,由于性能系数较低、设备庞大笨重等缺点而制约了其广泛应用。本文采用工程热物理领域目前较为流行的纳米流体技术,即以一定的方式和比例向氨水中添加纳米颗粒,形成均匀分散的氨水纳米溶液,将其应用于氨水吸收式制冷系统中的降膜发生过程,研究纳米颗粒对氨水降膜过程是否存在强化发生的效果。本文主要从氨水纳米溶液的制备与特性研究、氨水纳米溶液降膜发生过程的数值模拟与试验研究、纳米颗粒强化氨水纳米溶液降膜发生机理分析等几个方面展开,主要工作内容和结论如下：1).氨水纳米溶液的制备与特性研究。文中介绍了一种氨水纳米溶液的优化制备方法,在适用于常温工况的氨水纳米溶液稳定性研究基础上,研究了高温处理对纳米溶液分散稳定性的影响,试验结果表明：在纳米颗粒种类试验范围内,高温处理对含表面活性剂的纳米溶液分散稳定性有弱化作用,对自分散良好的纳米溶液有强化分散效果。同时,本文探究了阴、阳离子表面活性剂复配氨水纳米溶液的稳定性和表面张力特性,试验结果表明：阴、阳离子表面活性剂在适当复配比例下,能够有效地改善氨水纳米溶液的分散稳定性和降低溶液表面张力。2).氨水纳米溶液降膜发生过程的数值模拟。本文提出了适合氨水纳米溶液的物性参数计算方程,建立了较为符合实际且便于求解的氨水纳米溶液降膜发生热质耦合的数学模型,通过对数学模型进行离散求解,得到了纳米颗粒浓度和氨组分浓度对氨水纳米溶液物性参数的影响规律,同时得到了管外液膜内的速度场、温度场、浓度场、液膜厚度、界面质量流率分布和界面热量流率分布等降膜发生试验无法直接测得的过程参量。模拟结果表明：氨水纳米溶液降膜发生过程中气液界面上的热质传递均主要由扩散项决定。3).氨水纳米溶液降膜发生过程的试验研究。通过氨水纳米溶液降膜发生系统试验,研究了纳米颗粒的种类和浓度、氨水纳米溶液的进口流量和氨组分浓度、发生压力等因素对降膜发生传热传质性能的影响。试验结果表明：五种纳米颗粒均有一定的强化发生效果,其中ZnFe2O4-氨水纳米溶液的发生速率和有效发生比最高,发生性能效果最好,有效发生比为1.44,炭黑、TiN、SiC和γ-Al2O3纳米溶液的强化发生效果依次递减；在纳米颗粒浓度试验范围内,随着纳米颗粒浓度的增大,氨水纳米溶液的发生效果呈现先增后减的趋势,在纳米颗粒浓度为0.3%时达到最佳值,有效发生比为1.85；在氨水初始浓度试验范围内,随着氨水初始浓度的增大,纯氨水和氨水纳米溶液的发生速率均有上升的趋势,但氨水纳米溶液的有效发生比却随之减小；在溶液进口流量试验范围内,随着溶液进口流量的增大,氨水纳米溶液和纯氨水的降膜发生效果均呈现先增后减的趋势,在溶液进口流量为12.7g/(m.s)时降膜发生速率达到最大,但氨水纳米溶液的有效发生比在溶液进口流量为9.6g/(m.s)时达到最佳,有效发生比为1.38;在发生压力试验范围内,随着降膜发生器主体压力的增大,纯氨水和氨水纳米溶液的发生速率均有下降的趋势,但氨水纳米溶液的有效发生比却随之增大。4).纳米颗粒强化氨水降膜发生过程的机理分析。结合氨水纳米溶液降膜发生过程的模拟和试验结果,以及前人关于纳米颗粒强化传热传质方面的研究,从颗粒的微运动和纳米溶液的物性等方面对纳米颗粒强化降膜发生过程的机理进行了初步的探讨和分析。
【关键词】：吸收式制冷 氨水 纳米溶液 降膜发生 数值模拟 试验研究
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB611
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 主要符号表9-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 课题研究背景及意义10
• 1.2 国内外研究现状10-14
• 1.2.1 纳米溶液的制备实验及物性研究11
• 1.2.2 溶液降膜蒸发的相关研究11-12
• 1.2.3 纳米颗粒用于溶液沸腾换热的实验研究12-13
• 1.2.4 纳米溶液传热传质的数值模拟研究13
• 1.2.5 氨水吸收式制冷中纳米颗粒的应用13-14
• 1.3 本文的主要工作14
• 1.4 本章小结14-15
• 第二章 氨水纳米溶液的制备与特性研究15-25
• 2.1 氨水纳米溶液的制备15-17
• 2.1.1 氨水纳米溶液稳定性的评价15-16
• 2.1.2 氨水纳米溶液的制备方法16-17
• 2.2 高温氨水纳米溶液的稳定性分析17-18
• 2.3 阴阳离子表面活性剂复配氨水纳米溶液的特性研究18-24
• 2.3.1 阴阳离子表面活性剂复配氨水纳米溶液的稳定性研究18-22
• 2.3.2 阴阳离子表面活性剂复配氨水纳米溶液的表面张力研究22-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 氨水纳米溶液降膜发生系统试验台25-34
• 3.1 降膜发生试验目的及内容25
• 3.2 降膜发生系统试验台的组成25-29
• 3.3 降膜发生系统试验的操作流程及注意事项29-32
• 3.3.1 降膜发生系统试验的操作流程29-31
• 3.3.2 降膜发生系统试验的注意事项31-32
• 3.4 氨水纳米溶液降膜发生效果的评价指标32-33
• 3.5 本章小结33-34
• 第四章 氨水纳米溶液降膜发生传热传质的数值模拟34-44
• 4.1 氨水纳米溶液的物性参数方程34-36
• 4.2 建立氨水纳米溶液降膜发生的物理模型和数学模型36-39
• 4.2.1 建立氨水纳米溶液降膜发生的物理模型36-37
• 4.2.2 建立氨水纳米溶液降膜发生的数学模型37-39
• 4.3 求解氨水纳米溶液降膜发生的数学模型39-43
• 4.3.1 求解液膜速度和膜厚39-40
• 4.3.2 控制方程组的离散化40-42
• 4.3.3 离散方程组的求解流程42-43
• 4.4 本章小结43-44
• 第五章 氨水纳米溶液降膜发生过程的模拟与试验结果分析44-57
• 5.1 氨水纳米溶液降膜发生过程的模拟结果与分析44-51
• 5.1.1 纳米颗粒和氨组分浓度对氨水纳米溶液物性参数的影响44-46
• 5.1.2 管外液膜的流场分布46-51
• 5.2 氨水纳米溶液降膜发生试验的结果与分析51-55
• 5.3 纳米颗粒强化氨水降膜发生过程的机理初步分析55-56
• 5.4 本章小结56-57
• 第六章 研究总结与展望57-60
• 6.1 研究工作总结57-58
• 6.2 研究展望58-60
• 参考文献60-65
• 致谢65-66
• 攻读硕士期间科研成果66

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