脂肪酸甲酯降膜蒸发器传热及流体力学性能研究

发布时间：2017-08-05 01:13

  本文关键词：脂肪酸甲酯降膜蒸发器传热及流体力学性能研究

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【摘要】：脂肪酸甲酯又称生物柴油,是由动植物油脂与甲醇通过交酯化反应而生成的,其具有各种优良的性能,被世界各国视为较有发展潜力的一种新型绿色能源。工业上生产生物柴油主要利用废弃的油脂为原料,以酸、碱催化其与甲醇反应得到粗甲酯,再利用减压分馏工艺得到精制脂肪酸甲酯。利用传统的多管排列式蒸发器对高粘度、易结垢的粗甲酯进行蒸发,容易造成布液器堵塞,且结垢后的传热管难以清理。因此,针对该类物质的性质,本文设计了一种新型的蒸发器,并搭建试验台,对蒸发器的蒸发传热性能进行了实验研究,为该类蒸发器的设计提供参考。本文首先以降膜蒸发实验系统的操作流程及设定的蒸发量为依据,对试验系统中所需要的主要设备,如降膜蒸发器结构、液体分布器、电加热组件、冷凝器及储罐等进行了详细的设计,并对实验装置进行了安装及调试。然后利用调试好的实验装置进行了降膜蒸发传热试验。首先对常压下,不同进料流量和进料温度下,液体分布器的布膜效果及不同锥度角的蒸发器筒壁上液膜流动的状态进行了试验,确定了在物料蒸发温度下保证物料成膜流动的最佳流量范围为1.3~3.0m3/h。然后对蒸发器输入加热功率对蒸发传热的影响进行了研究,发现在湍流状态下,降膜传热系数随热通量的增大,表现出初期短暂增大而又逐渐减小的趋势,并确定了后续其他单因素试验的最佳输入电压(300V)。接着在选定的输入功率及流量范围下,对降膜蒸发传热系数和筒体半锥度角及降膜流动雷诺数之间的关系进行试验研究,结果表明:蒸发器筒体锥度角的存在能够有效的改善液膜流动状态,增强传热效能,提高传热系数;而较大的降膜雷诺数增大了液膜厚度,反而对传热系数造成负面的影响。最后,利用CFD软件采用流体体积函数法(VOF)对流体在倾斜壁面上的降膜流动情况进行了数值模拟,以考察壁面锥度角、进料流量、接触角及表面张力对液膜流动过程及液膜厚度和流速的影响。
【关键词】：脂肪酸甲酯 降膜蒸发器 传热系数 数值模拟
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.62
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-25
• 1.1 研究的背景和意义10-11
• 1.2 脂肪酸甲酯（生物柴油）概述11-15
• 1.2.1 脂肪酸甲酯制备技术12
• 1.2.2 废弃油脂制脂肪酸甲酯工艺流程12-15
• 1.3 降膜蒸发原理及研究进展15-19
• 1.3.1 降膜流动原理15-19
• 1.4 降膜蒸发传热研究现状和存在问题19-24
• 1.4.1 理论研究进展19-21
• 1.4.2 降膜蒸发传热实验研究进展21-24
• 1.5 本课题的研究内容24
• 1.6 本课题的创新点24-25
• 2 降膜蒸发实验装置设计25-46
• 2.1 降膜蒸发器设计25-32
• 2.1.1 降膜蒸发器工艺设计26-29
• 2.1.2 蒸发器筒体的厚度计算29-30
• 2.1.3 蒸发器封头壁厚计算30-31
• 2.1.4 蒸发器各接管设计31-32
• 2.2 蒸发器液体分布器设计32-35
• 2.2.1 液体分布器布液原理及型式32-33
• 2.2.2 液体分布器工艺设计33-35
• 2.3 蒸发器加热组件设计35-41
• 2.3.1 电加热功率计算36-38
• 2.3.2 电加热带的设计38-41
• 2.4 蒸发系统中冷凝器及储罐的设计41-43
• 2.4.1 冷凝器的设计41-42
• 2.4.2 储罐及缓冲罐的设计42-43
• 2.5 蒸发系统中管路及其他组件设计43-45
• 2.6 本章小结45-46
• 3 降膜蒸发器传热性能实验研究46-63
• 3.1 降膜蒸发传热介绍46-50
• 3.1.1 降膜蒸发传热原理46-47
• 3.1.2 降膜蒸发传热计算模型47-50
• 3.2 降膜蒸发传热实验流程及方法50-54
• 3.2.1 降膜蒸发实验流程51-52
• 3.2.2 降膜蒸发实验方法和步骤52-54
• 3.3 不同锥度角的蒸发器最小成膜流量的测定54-55
• 3.4 降膜蒸发传热实验结果及分析55-62
• 3.4.1 降膜蒸发传热实验结果55-58
• 3.4.2 热通量对蒸发器传热性能的影响58-59
• 3.4.3 蒸发器筒体锥度角对传热系数的影响59-60
• 3.4.4 物料流量对传热系数的影响60-61
• 3.4.5 降膜蒸发传热系数关联式61-62
• 3.5 本章小结62-63
• 4 降膜蒸发器流体力学性能数值模拟63-77
• 4.1 物理模型63-64
• 4.2 数学模型64-67
• 4.2.1 控制方程64-65
• 4.2.2 动量源项65-66
• 4.2.3 数值条件66-67
• 4.3 网格划分及数值求解方法67-68
• 4.4 计算结果及分析68-76
• 4.4.1 接触角及表面张力对降膜流动行为的影响68-70
• 4.4.2 壁面倾角对降膜流动的影响70-74
• 4.4.3 降膜雷诺数Re对液膜流动的影响74-76
• 4.5 本章小结76-77
• 5 结论和展望77-79
• 5.1 结论77-78
• 5.2 展望78-79
• 参考文献79-83
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果83-84
• 致谢84

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本文编号：622547