探究加压增湿过程气液传热传质机理研究

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1、天津大学博士学位论文加压增湿过程气液传热传质机理研究姓名：刘建新申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：王世昌;白鹏2000.3.1摘要t在工业生产过程中，许多传热传质过程都是在加压条件下进行的。为了实现这些传热传质设备的设计和放大，需要认识加压条件下气液两相流体动力学和传热传质特征，掌握其传递机理。而过去对气液两相传热传质过程的认识，大都是基于常压条件的延伸，很少直接涉及加压效应。／本文以研究湿化空气透平(HAT，HumidAirTurbine)循环中主要单元设备增湿器内的空气增湿现象为背景，针对空气加压增湿过程中

2、气液两相传热传质相互耦合这一复杂问题，把湿壁塔中气体加压增湿作为研究的基本过程，深入探索加压对气液两相传热传质过程的影响。本文的目的在于揭示气体加压增湿的内在传递机理，提出可用于加压条件下气液传热传质的理论模型，并以此为基础，建立湿壁塔中的气液传热传质过程的数学模型，以求定量地分析加压对气液两相传递行为的影响程度，为进一步研究填料塔中气体加压增湿过程及其设备的设计提供理论基础。体文共涉及四部分内容：1)对目前加压条件下气液传质设备中两相传递行为的研究和气液传质理论的进展进行了概括性叙述；2)系统地分析了加压对气液两相传

3、递过程的各种影响，提出了在气体加压增湿中应考虑的高压行为(包括物性变化、气液界面热力学非理想性，压力脉动及界面剪切应力)，推导出界面剪应力作用下计算液膜传热系数关系式。在此基础上，分析了气体界面附近湍动结构及相关的湍动传输项，建立了适合于加压条件下气液两相传热传质过程的理论模型；3)建立了测试湿壁塔内空气加压增湿的实验装置，实验上获得了气体加压增湿的宏观试验数据；4)针对湿壁塔内空气加压增湿过程，基于建立的理论模型，提出了描述气液两相传热传质行为的数学模型，并通过数值计算，对空气加压增湿行为进行了系统地定量分析。详细内

4、容分述如下：首先，根据加压条件下物质分子间相互作用的特点，分析了加压条件下气液两相物理性能的变化特征和界面热力学行为，在此基础上，讨论了它们对气液两相流体动力特性的影响。分析结果表明：就单相流体来讲，液体物理性能受压力的影响不大，而气体有些物理性能将一定程度地受到加压的影响，其中气体的密度和运动粘度将会发生较大的变化，且当压力达到气体的临界压力附近时，这一变化尤为明显。随着压力的增加，气体动力学行为和传热传质过程对气体物性变化(密度和运动粘度)的敏感性增强，物性变化引起的浮力效应在传递过程中成为一个不容忽视的因素。加压

5、导致液膜运动的不稳定性加剧。通过气液界面，气体获取了液侧传输的热量而升温，界面附近气侧温度的上升和加剧波动的液膜共同作用，就造成气体中压力脉动增强，进而对气体的传热传质过程产生影响。在气液界面处，加压引起了界面剪切应力的增大，从而破坏液膜的稳定性和液膜内的传热过程。为了描述界面剪切应力对液膜传热的影响，本文推导出了受剪应力作用下计算液膜传热系数关系式。结合相关气液传质设备中的加压实验，本文把气液物性变化引起的浮力效应、界面上热力学非理想性、界面剪切应力及压力脉动传输等作为受加压影响将产生变化的主要方面，并对其进行分析。

6、通过对加压气体界面附近湍动传输项量缄分析，提出了“压力传输”的概念。在此基础上，修改了表征气体湍动动能k和耗散率￡的输运方程，提出了描述空气加压增湿的涡粘模型。实验是在自行设计的具有恒定气液界面面积的湿壁塔中进行的。实验物系是空气一水。针对加压的实际情况，本文采用干湿球温度法来确定气体的湿度。实验结果表明：加压将减小水分向空气中的挥发量，气侧传热传质系数随压力增大而减小。在提出的涡扩散模型基础上，针对湿壁塔中空气加压增湿过程，建立了描述该过程的数学模型。通过有限体积法对控制方程进行离散化处理，以SIMPLE算法为基础，

7、采用非均匀网格，交替方向隐式(ADI)技术，并在压力修正方程计算中应用欠松弛法来加快收敛速度，对该数学模型进行了数值计算。计算结果发现：压力影响气液传输的实质在于改变了气液界面附近湍动剪切应力和湍动动能大小，从而改变了气液传输的特征尺度和涡扩散系数，使气体组分沿径向温度和浓度分布发生变化，降低了气体界面附近径向温度和浓度梯度，最终导致气液传热传质速率的变化。随着压力和气液进口温差的增加，浮力对气体局部传热传质系数的影响增大。气体沿轴向绝对湿度变化随压力的增大而减少，计算值与试验测量数据吻合较好，它进一步证明了本模型的可

8、靠性。本文空气加压增湿实验与理论研究表明，对于HAT循环加压增湿塔，采用适中压力比，提高进水温度和液气比是提高HAT循环效率的有效途径。同时，对于加压填料塔设计和分析问题，必须考虑自然对流影响。，主题词：气液传热传质，加压效应，传热传质机理，增湿，涡扩散模型，压力波动，浮力，非理想孬为ABSTRACTManyindustrialp