（流体机械及工程专业论文）纤维束不均一性能膜组件壳程传递性能影响的试验研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 纤维束不均一性对膜组件壳程传递性能影响的试验研究 摘要 中空纤维膜组件是分离工程技术中常用的设备元件，有着比表面积高、操作范围宽、 结构简单以及造价低廉等优点。然而，由于制造等原因，纤维束在壳程呈随机分布状态。 纤维束的不均一性导致壳程流动形态十分复杂，再加之壳程中同时存在纤维弯曲、进出 口错流等众多影响因素，使得不同研究者所得的中空纤维膜组件壳程传递关联式存在很 大差距，至今未能就纤维束不均一性对膜组件壳程传递的影响规律形成统一认识。为了 进一步深入研究纤维束不均一性对壳程传递的影响规律，本文考虑到传热与传质具有类 比性，以及温度测量较浓度测量更精准且易实现在线测量，故构想用不锈钢管代替中空 纤维，搭建传热试验装置，试验研究壳程中管束不均一排布对壳程传递的影响规律。 试验在填充率为1 0 、2 0 矛1 13 0 的传热试验装置中进行。试验中管程走冷水，管 程流体雷诺数r e 在9 1 4 2 1 5 4 4 8 5 范围内，温度在1 6 9 0 0 c 3 0 3 1o c 范围内。壳程流体 分别为纯水、5 0 甘油水溶液、7 5 甘油水溶液、9 0 甘油水溶液和纯甘油。试验中壳 程流体雷诺数r e 在0 0 0 0 3 1 - 5 0 0 0 5 范围内，温度在2 1 9 4 0 c - 4 9 9 9 0 c 范围内。经过一系 列的实验研究，得到如下结论： ( 1 ) 对于纯水介质( 普朗特数p r 近似常数) ，一系列实验研究表明：在填充率为 1 0 时，传热努赛尔数n u 与雷诺数r e 的0 5 9 9 次方成线性关系；在填充率为2 0 时， 传热努赛尔数n u 与雷诺数r e 的o 5 6 6 次方成线性关系；在填充率为3 0 时，传热努赛 尔数n u 与雷诺数r e 的0 5 0 7 次方成线性关系。 ( 2 ) 在5 0 甘油水溶液、7 5 甘油水溶液、9 0 甘油水溶液和纯甘油介质中的一系 列实验研究表明：在填充率为1 0 时，参数n u r e o 5 9 9 与普朗特数p r 的0 6 11 次方近似 成线性关系；在填充率为2 0 时，参数n u r e n 5 6 6 与普朗特数p r 的0 4 8 5 次方近似成线 性关系；在填充率为3 0 时，参数n u r e o 5 0 7 与普朗特数p r 的0 4 2 3 次方近似成线性关 系。 ( 3 ) 回归得出填充率范围在1 0 3 0 ，雷诺数r e 范围在0 0 0 0 3 1 - 5 0 0 0 5 ，普朗 特数p r 范围在3 6 6 8 1 3 1 1 5 时，管束不均一分布下的壳程传热准数关联式。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 本文关联式与p r a s a d ，c o s t e l l o ，g a w r o n s k i 等人提出的关联式的预测趋势相 同：传递系数随着填充率的提高而减小。 关键词：中空纤维膜组件，不均一性，热质类比，壳程传递性能 i i 浙江工业大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ee f f e c to f n o n u n i f o r m i t yo ff i b e rb u n d l e so ns h e l l s i d e t r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fm e m b r a n em o d u l e s a b s t r a c t h o l l o wf i b e rm e m b r a n em o d u l e sa r eb r o a d l yu s e di nt h e s e p a r a t i o ne n g i n e e r i n g t e c h n o l o g ya se q u i p m e n tc o m p o n e n tw i t ht h ea d v a n t a g e so fh i g hs p e c i f i cs u r f a c ea r e a ，l a r g e o p e r a t i n gr a n g e ，s i m p l e s t r u c t u r ea n dl o wc o s t h o w e v e r , d u et os o m er e a s o n ss u c ha s m a n u f a c t u r e ，f i b e rb u n d l e sa r er a n d o m l yd i s t r i b u t e di nt h es h e l l - s i d e t h en o n u n i f o r m i t yo f f i b e rb u n d l e sr e s u l t si nt h ec o m p l i c a t e dc h a r a c t e r i s t i co ft h ef l o wp a t t e r ni nt h es h e l l s i d e a d d i t i o n a l l y , s o m ee f f e c tf a c t o r ss u c ha sf i b e r sa r ep l i a b l ea n dc r o s s f l o we x i s t si nt h ea r e a s t h a ta r ec l o s e dt ot h e i n p u ta n do u t p u tp o r t s t h e r e f o r e ，t h e r ea r ed i f f e r e n c e sb e t w e e n r e s e a r c h e r sa b o u tt r a n s f e rc o r r e l a t i o n so fs h e l l - s i d e b yn o w , p e o p l eh a v en o tr e a c h e da n a g r e e m e n ta b o u tl a wo fh o wt h en o n u n i f o r m i t yo ff i b e rb u n d l e sa f f e c t st h et r a n s f e r p e r f o r m a n c eo fs h e l l s i d ei nt h em e m b r a n em o d u l e sy e t i no r d e rt os t u d yt h i sd i f f i c u l t p r o b l e mt h o r o u g h l y , i nt h el i g h to fh e a ta n dm a s st r a n s f e ra n a l o g ya sw e l la st e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ti sm o r ea c c u r a t et h a nc o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t ，a n dc o u l da c h i e v er e a l t i m e m o n i t o r i n g s ow ec o n c e i v et h ei d e at h a tu s es t a i n l e s ss t e e lr a t h e rt h a nh o l l o wf i b e rt ob u i l d t h eh e a tt r a n s f e rt e s td e v i c e ，e x p e r i m e n t a ls t u d yt h ee f f e c tl a wo fn o n u n i f o r ma r r a n g e m e n to f t u b eb u n d l e so nt h et r a n s f e rp r o c e s so fs h e l l - s i d e t h e s es t u d i e sw e r ec a r r i e do u ti nt h r e ed i f f e r e n tt e s td e v i c e sw i t hp a c k i n gd e n s i t yo f10 ， 2 0 a n d3 0 ，r e s p e c t i v e l y t h ec o l dw a t e rf l o w e di nt h et u b e - s i d e ，w i t hr e y n o l d sn u m b e rr e w a sb e t w e e n9 1 4 2a n d1 5 4 4 8 5a n d t e m p e r a t u r ew a si nt h er a n g ef r o m1 6 9 0o ct o3 0 3 l o c t h ef l u i df l o w e di nt h es h e l l s i d ew a sp u r ew a t e r , g l y c e r o ls o l u t i o n 淅t h5 0 ，7 5 ，9 0 m a s sc o n c e n t r a t i o no fg l y c e r o la n dp u r eg l y c e r o l ，r e s p e c t i v e l y t h er en u m b e ro fs h e l l s i d e f l u i dw a sf r o mo 0 0 0 31t o5 0 0 0 5 ，t h et e m p e r a t u r ew a si nt h er a n g ef r o m21 9 4o ct o4 9 9 9 0 c a f t e rc a r r y i n go u tas e r i e so fe x p e r i m e n t a ls t u d i e s ，r e a c h e dt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) f i r s t l y , e m p l o y e dp u r ew a t e ra ss h e l l - s i d ef l u i d ( p r a n d t ln u m b e rp ri sa p p r o x i m a t e c o n s t a n t ) ，as e r i e so fe x p e r i m e n t a ls t u d i e si n d i c a t e dt h a t ：w h e np a c k e dd e n s i t yi s 10 ，t h e i i i 浙江工业大学硕士学位论文 n u s s e l tn u m b e rn ui sl i n e a rw i t hr eo ft h ep o w e ro 5 9 9 ；w h e nt h ep a c k e dd e n s i t yi s2 0 ，t h e n ui sl i n e a rw i t hr eo ft h ep o w e r0 5 6 6 ；w h e nt h ep a c k e dd e n s i t yi s3 0 ，t h en u i sl i n e a r w i t l lr eo ft h ep o w e r0 5 0 7 ( 2 ) s e c o n d l y , e m p l o y e d5 0 ，7 5 ，9 0 g l y c e r o ls o l u t i o na n dp u r eg l y c e r o la ss h e l l s i d e f l u i d ，as e r i e so fe x p e r i m e n t a ls t u d i e si n d i c a t e dt h a t ：w h e nt h ep a c k e dd e n s i t yi s 10 ，t h e n u r e o 5 9 9i sa p p r o x i m a t el i n e a rw i t hp ro ft h ep o w e r0 611 ；w h e nt h ep a c k e dd e n s i t yi s2 0 n u r e o 5 6 6i sl i n e a rw i t hp ro ft h ep o w e r0 4 8 5 ；w h e nt h ep a c k e dd e n s i t yi s3 0 ，n u r e o 5 0 7i s l i n e a rw i t hp ro ft h ep o w e r0 4 2 3 ( 3 ) t h i r d l y , t h eh e a tt r a n s f e rc o r r e l a t i o nw a sd r a w n t oa p p l yt ot h ec o n d i t i o n st h a tp a c k e d d e n s i t yi sb e t w e e n10 a n d3 0 ，t h er ei sb e t w e e n0 0 0 0 3 1a n d5 0 0 0 5 ，t h ep ri sb e t w e e n 3 6 6a n d8131 15 ，r e s p e c t i v e l y t h ec o r r e l a t i o na sf o l l o w s ( 4 ) f i n a l l y , t h es i m i l a rp r e d i c t i o nt e n d e n c yo f t h i sp a p e rw i t hs o m er e s e a r c h e r si st h a tt h e t r a n s f e rc o e f f i c i e n td e c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s i n gp a c k e dd e n s i t y k e yw o r d s ：h o l l o wf i b e rm e m b r a n em o d u l e s ，n o n u n i f o r m i t y , h e a ta n dm a s sa n a l o g y , s h e l l s i d et r a n s f e rp e r f o r m a n c e 浙江工业大学硕士学位论文 引言 第1 章绪论 膜分离过程是采用具有选择透过性的多孔薄膜作为屏障，实现对混合组分气体或液 体进行分离、浓缩、提纯或净化的一种高效技术【l 】。由于避免了传统分离设备中两种流 体之间的相互接触，膜分离可以有效克服诸如液泛、起泡和雾沫夹带等操作问题，且具 有操作范围宽、分离效率高、两相流速可独立控制、可直接线性放大和结构紧凑等优点。 因此，自2 0 世纪8 0 年代以来，膜分离过程的研究已成为废水处理、海水淡化、果汁浓缩、 金属离子提取、血液透析、废气吸收等领域的研究热剧2 圳。 膜分离技术的核心部件是膜组件，膜组件的结构形式主要有板框式、螺旋卷式、中 空纤维式、管式和毛细管式 5 1 ，其中中空纤维式膜组件以其比表面积大、结构简单、造 价低廉等特点而得到广泛应用。 在对中空纤维膜组件的研究中，其传递性能( 包括传质和传热) 一直是众多学者关 注的焦点。膜组件中传递过程包括三个部分，其中管程传递和跨膜传递已有比较准确的 数学公式描述。由于膜组件内纤维数量极多且呈不均一分布，使得壳程流动形态和传递 现象十分复杂，人们对膜组件壳程传递性能还未形成统一认识。随着水资源短缺、环境 污染等问题日益突出，人类对分离设备效能提出了更高要求，这就促使膜分离装置必须 朝着高效性、大型化方向发展。为了指导膜组件设计、优化和放大，迫切需要弄清楚膜 组件中的流动特性和传质( 热) 机理，并建立通用的传质( 热) 经验关联式和数学描述 模型，以实现对膜组件传递性能的准确预测，推动膜分离工业的快速发展。 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 膜及膜分离概述 1 1 1国内外膜技术的发展 17 4 8 年，法国学者a b b en o l l e t 看到水自发地透过猪膀胱而首先发现了渗透现象【6 j ， 直到1 9 世纪中叶g r a h a m 发现了透析现象，人们才开始重视膜分离技术的研究。1 9 1 8 年， z s i n g m o n d y 成功研制出微孔滤膜，用来分离和富集微生物和极细分子。19 3 0 年，t r e o r e l l 等对膜电动势进行了研究，为电渗析和膜电极的发明打下了基础r 7 1 。2 0 世纪5 0 年代初， 离子交换膜研制成功，电渗析开始进入工业应用。1 9 5 3 年，r e i d 在美国盐水局提出了反 渗透技术的研究方案，使从海水( 苦咸水) 中获得廉价淡水成为可能。2 0 世纪6 0 年代， l o e b 矛n s o u n i r a j a n 发明了非对称醋酸纤维素反渗透膜【8 j ，使膜分离技术开始进入工程应用 领域。2 0 世纪7 0 年代以来，随着膜分离装置的工业化生产，膜分离技术开始在各个科学 研究及工业领域得到日益广泛的应用。目前，国内外关于膜的研究方向主要集中在三个 方面【9 ：( 1 ) 高性能、抗污染的膜材料和相关膜设备的研发；( 2 ) 不同类型制膜工艺 的优化和控制；( 3 ) 膜分离设备的自动化控制。 膜分离技术的发展，引发了分离工业的革命。目前，已经成熟和不断研发的膜分离 过程有微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 、反渗透( r o ) 、膜萃取( m e ) 、膜蒸馏( m d ) 、膜 反应器( m r ) 和生物膜( b m ) 等，并广泛应用于信息科学、食品饮料、医药卫生、生物工 程、能源环保等各领域，对经济发展和环境保护等产生了显著促进作用【l0 1 。1 9 5 0 年，与 膜分离技术相关工业产品的年销售量只有5 0 0 万美元，而1 9 8 1 年已经上升到5 亿美元【1 1 1 ， 2 0 0 7 年全球膜工业总产值己达至1 j 3 6 0 亿美元左右【l2 i 。 中国膜技术的起步晚于发达国家，为了推动我国膜工业的快速发展，在“8 6 3 ”、 “9 7 3 ”计划和国家自然科学基金的大力支持下，以徐南平院士为核心的一批科学家展 开了一系列关于膜材料、膜机理的研究【9 j 。 经过几十年的发展，中国膜产业逐渐走向成熟，不断缩小与国际先进水平的差距。 特别是近1 5 年来，中国膜产品市场发展非常迅速，年均增长3 0 左右，总产值已从1 9 9 3 年2 亿元上升到2 0 0 8 年2 0 0 亿元( 膜产业总产值是指膜制品、膜组件、膜附属设备及相关 工程的总值，其中膜制品与膜组件是整个行业的核心) 【l2 | 。国家发改委、科技部、商务 部联合发布的当前优先发展的高技术产业化重点领域指南，把膜技术产业放到重要 位置1 9 j ，中国的膜技术产业具有十分广阔的发展前景。 2 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 2 膜分离的特点 作为一种替代传统分离过程的新型高效技术，膜分离具有以下优势： ( 1 ) 不需要两流体具有密度差，可以独立调节两相流率，操作范围更宽； ( 2 ) 拥有巨大的比表面积，因此分离通量大； ( 3 ) 膜组件的放大几乎呈线性关系，更容易实现设备的放大； ( 4 ) 不存在起泡、液泛和雾沫夹带等不利因素； ( 5 ) 分离过程具有节能环保的特点，可在温和条件下实现分离。 同时，膜分离也存在以下缺点： ( 1 ) 由于膜的存在，引入了新的分离阻力膜阻力； ( 2 ) 膜易受污染，长期操作后稳定性差，而且寿命较有限。 1 1 3 膜材料及膜分类 膜是膜分离过程的基础，膜材料开发在膜技术发展中占有重要地位。醋酸纤维素非 对称膜在2 0 世纪6 0 年代就开始得到应用，至今仍然在反渗透、超滤和气体分离领域占有 一定市场。近年来，人们逐渐开发出化学稳定性更好、承压能力更强的高分子合成膜材 料，主要有聚乙烯( p e ) 、聚四氟乙烯( p t f e ) 、聚偏氟乙烯( p v d f ) 、聚丙烯( p p ) 和聚氯乙烯( p v c ) 等。此外，为了提高膜性能，多种材料形成的复合膜材料也逐渐投 入使用。 根据膜的性质可以将其分为生物膜和合成膜两大类，其中合成膜又可分为有机膜和 无机膜。另外，根据形态结构不同，又可以分为固态膜、液膜及气膜三类，目前工业上 应用最多的是固态膜。 1 1 4 膜分离的应用 由于膜分离过程具有诸多优势，使其在有害气体分离、污水处理、海水淡化、食品 加工以及石油化工等行业有着广泛的应用，被公认为2 0 世纪末至2 1 世纪中期最有发展前 途的高新技术之一 1 3 1 。 目前，微滤、超滤、纳滤和反渗透等传统膜分离技术已经十分成熟，而膜生物反应 器、膜渗透蒸发、膜吸收、膜萃取和膜蒸馏等新型膜分离技术也逐渐得到广泛应用。实 现膜分离的装置统称为膜器，将几种膜分离过程联合起来使各自发挥其最大效率，称之 气 浙江工业大学硕士学位论文 为膜集成工艺【9 1 。 1 2 中空纤维膜组件 膜组件是膜分离装置( 膜器) 的核心部件，其结构形式直接影响膜分离过程的性能。 膜组件结构形式主要有：板框式( p l a t e a n d f r a m e 或p l a t e s h e e t ) 、螺旋卷式( s p i r a l - w o u n d ) 、 中空纤维式( h o l l o w f i b e r ) 、管式( t u b u l a r ) 和毛细管式( c a p i l l a r y ) 。 在以上几类膜组件中，中空纤维式膜组件应用最广，它具有以下优点： ( 1 ) 比表面积大。中空纤维直径小，在装置中可紧密排列，膜组件比表面积可高达 1 6 0 0 6 6 0 0 m 2 m 3 ，而填料塔和板式塔的比表面积仅为3 0 8 0 0m 2 m 3 【1 4 】。 ( 2 ) 结构简单，不用任何支撑体。中空纤维可以自支撑，从而使膜组件的加工更加简便。 ( 3 ) 制造工艺成熟，造价低廉。其单位标准组件的生产费用为螺旋卷式的1 7 5 ，仅为管式、 板框式的1 1 2 0 川。 1 2 1 典型结构 中空纤维膜组件是将无数根微细中空纤维丝填入圆筒形壳体，两端用管板固定而形 成的膜组件，一种流体在纤维腔内流动( 称为管程流动) ，另一种流体则在纤维之间的 空隙流动( 称为壳程流动) ，两种流体互不混合但可以通过膜孔进行接触传质。 中空纤维膜组件的结构主要有平行流式和错流式两类。平行流式的典型结构如图 1 1 所示，纤维沿膜组件轴向平行排列，管程与壳程流体以并流或逆流的形式平行流动。 它与管壳式换热器的结构十分相似，但两者又有较大的差别 1 4 】： ( 1 ) 中空纤维在壳程呈不均匀分布； ( 2 ) 纤维丝刚度不足，易受流体冲击而弯f h j 、扭转和扰动； ( 3 ) 中空纤维长径比很大，可以达到1 0 3 1 0 4 ，而换热组件中只有5 0 1 0 0 ； ( 4 ) 膜组件中的雷诺数较低，流动通常处于层流状态； ( 5 ) 膜组件中一般不含折流板。 4 浙江工业大学硕士学位论文 管扳 ，p 野壤宠 _ = 嚣教 图1 - 1平行流式中空纤维膜组件典型结构 错流式中空纤维膜组件大体形状和平行流式差不多，但它引入了多孔中心分配管使 壳程流体垂直于纤维表面流动，目前最常见的错流式膜组件为l i q u i c e le x t r a f l o w 型。 虽然错流式膜组件的传质效率要高于平行流式膜组件 3 , 1 5 , 1 6 1 ，但其造价高昂，流动形态 和传质特性也更加复杂，因此目前使用最多的还是平行流式中空纤维膜组件。 1 2 2 传质理论 中空纤维膜组件中的传质司按串联阻力模型( r e s i s t a n c e - i n - s e r i e s ) 分为三个部分： ( 1 ) 组分通过管程浓度边界层的传质； ( 2 ) 组分通过膜孔的跨膜传质； ( 3 ) 组分通过壳程浓度边界层的传质。 以液液传质为例，当传质从管程到壳程时，传质阻力表达式如式( 1 1 ) 所示： 石12 i 1 + 轰+ 瓦d , n p k s a o ( 1 - ) t 砌t 砜址 “ 如果传质是从壳程到管程，传质阻力表达式则为式( 1 - 2 ) ： 一1 2i1+ao石u,+鬲aoo,ktotalp k m ( 1 2 ) k sd hp k 矗m 、1 。 一般地，进口段的管程传质系数可以用l e v e q u e 方程来计算口，1 7 ： 戳= 等乩6 2 ( r e 。甜3 3 ， 跨膜传质系数的计算公式为 1 8 ，1 9 】： k ，m ：尝 ( 1 一4 )2 _( 。) 由于壳程流动的复杂性，其传质系数到目前为i e 还没有明确计算公式。研究者普遍 浙江工业大学硕士学位论文 借鉴管程传质解形式，通过实验数据来拟合壳程传质关联式，其大体形式如下： 观= 等= 彳珊衅7 5 ， 1 2 3 壳程传质性能的影响因素 中空纤维在膜组件中随机分布，纤维间空隙大小不一，导致壳程流动形态十分复杂。 壳程流动特点如下： ( 1 ) 壳程流动分布不均，空隙大的地方流量很大，容易形成沟流；空隙不足的地方则 很少有流体流过，其极端情况是产生“死区”。 ( 2 ) 纤维刚性不足，易受流体冲击而弯曲、扭转和变形，导致流道不再沿轴向平行分 布，流束为了寻找最优路径而不断分裂和聚合，使流动形态变得复杂。 ( 3 ) 流体在壳程进、出口区域呈错流状态。 从目前的文献来看，大部分学者都认为纤维随机分布引起流动的分布不均是造成膜 组件传质- 。i , 工h u 台日匕u 下降的主要原因，而填充率直接影响纤维不均一性【2 0 。此外，浓差极化、 温差极化、膜材料类型和物理特性、膜污染和膜润湿等也会对膜分离性能产生一定影响。 1 2 - 3 1 流动分布不均 到目前为止，诸多学者通过实验或数值计算的方式从不同角度证明了壳程流动的分 布不均，存在沟流和“死区”现象。 c o s t e l l o 禾h f a n e 2 1 实验测量了膜组件壳程阻力系数，表明随机排布时阻力系数明显 小于规则排布时的阻力系数，说明不规则排布时纤维束间存在流动分布不均。陈冰冰2 2 1 在研究中也发现类似现象。 c h e n 矛i l h l a v a c e k e 2 3 j 通过模拟计算表明，在一定条件下多达5 0 的流体仅通过2 0 流 道面积，流动分布不均导致单位膜面积蚪1 - 1 2 厶匕b 匕下降。b a o 和l l i p s c o m b 2 4 - 2 6 】通过数值模拟发 现同一截面单元内局部传质系数相差较大，间接证明了壳程流动的分布不均。 w u 和c h e n 2 7 1 通过理论模型和实验测量相结合的方式来研究流动分布对膜组件壳 程传质性能的影响。实验采用激光散斑显示技术对流动作了初步观测，发现壳程流体的 分布不均引发局部错流和湍流现象。 w a n g 等 2 8 】采用标准差来描述纤维分布的不均匀程度，研究中发现填充率为5 0 6 浙江工业大学硕士学位论文 时标准差最大，说明此时纤维分布最不均匀。实验中绘制了停留时间分布曲线( r t d ) 曲线，表明不同区域内溶质到达壳程出口的时间不相等，说明壳程流体分布不均。 此外，文献【2 9 ，3 0 1 的研究也表明壳程流动存在不同程度的沟流现象。 1 2 3 2 填充率 膜组件的填充率，也称为封装分率或装填密度，它是指纤维体积占组件有效体积的 百分数，其计算公式如式1 6 所示： 椰斟 ( 1 6 ) 其中，矽为填充率，n 为纤维数量，丸。为纤维外径，皿为膜组件内径。 填充率影响纤维在膜组件壳程的分布状况，从而影响流体的分布，进而影响壳程传 质过程。 y a n g 和c u s s l e r 3 1 的研究表明壳程传质系数与填充率没有直接关联。g a w r o n s k i 和 w r z e s i n s k a 1 8 1 ，c o s t e l l o 禾d f a n e 2 1 1 以及p r a s a d $ 1 s i r k a r 3 2 1 的实验结果表明，随着填充率的 提高，传质系数逐渐减小。k o o s g l s a n g a n i l 3 3 】给出的一种解释是，由于填充率提高，纤维 表面的浓度边界层产生重叠干扰，从而导致传质速率下降。而d i n g 等【2 0 】却认为，随着填 充率提高，沟流效应被削弱，壳程流体分布趋于均匀，传质系数提高。g u o 等【3 4 j 进行了 萃取实验，得到- 禾d d i n g 类似的结论。 w u s e l c h e n 2 7 1 的实验结果表明传质系数随填充率的提高先减小后增大，当填充率为 o 5 2 时传质系数有最小值。w a n g ：y 等 2 8 1 得到了与w u 和c h e n 相似的结论，发现填充率为0 5 左右时的传质系数最低。与此矛盾的是，李利君【3 5 1 通过气体吸收实验表明传质系数随填 充率的提高先增大后减小。同样，文献 3 0 , 3 6 也得到了与李利君类似的趋势。 l i p n i z k i 和f i e l d 3 7 】归纳了不同填充率下传质l i , 工n - - 台月匕g 的影响因素。他们对填充率进行分 区，并对每一个区间传质系数的影响因素给出了解释。结论如下：( 1 ) d 区( 矽 0 2 6 ) ， 因为填充率较小，不存在“死区”，且沟流的影响也较小，主要的影响因素是错流和传 质表面的更新作用，它们都促进了传质。作者从传热传质类比分析，认为传质系数也是 随填充率的提高而下降。( 2 ) c 区( o 2 6 0 0 4 ) ，虽然传质边界层能够不断更新以及存 在局部错流，但由于纤维的增多使得流动变得很不均匀，开始出现沟流和“死区”，因 而大多数学者认为传质系数在该区间随着填充率的增大而下降。( 3 ) b 区( o 4 1 1 ) ( 4 3 a ) 勋= 1 2 5 g e ( g z 1 1 ) ( 4 3 b ) z h e n g 5 6 1 得到的壳程传质关联式为： s h = _ _ 丢& ( 0 1 4 + 0 + 3 9 ( 4 4 ) ( 0 8 6 0 3 矽) 其中，0 2 矽 0 5 ，6 0 矽 1 2 0 0 。 从式( 4 2 ) ( 4 4 ) 中可以看到：g z 数是r e 数和s c ( p r ) 数的函数，其 指数不为0 3 3 ，说明s c ( p r ) 数指数也不一定为0 3 3 。 对此，本文提出研究s c ( p r ) 数对壳程s h ( n u ) 的影响。 浙江工业大学硕士学位论文 根据第2 章拟定的试验方案，管程流体为冷水，壳程热流体分别为5 0 、7 5 、 9 0 甘油水溶液以及纯甘油，在填充率为1 0 、2 0 和3 0 的换热组件中进行了 一系列试验研究。结合第3 章中的研究结果，分析得到了传热准数关联式( 1 - 9 b ) 中普朗特数p r 指数1 ，。 4 1 物性数据的计算 在第2 章中，仅得到了不同配比的甘油水溶液在1 0 0 c 、2 0o c 、3 0o c 、4 0o c 和5 0o c 下的物性数据。通过m a t l a b 软件对已有数据进行多项式拟合，获得甘油 物性随温度变化的关联式，从而可计算1 0 5 0o c 范围内的所有物性数据。表4 1 列出了5 0 甘油水溶液的物性原始值和通过拟合得到的关联式的计算值。 表4 1 5 0 甘油溶液原始值和计算值对照表 从表4 1 可以看出，物性数据原始值与拟合公式计算值之间相差较小，表明 通过四次多项式来计算物性数据是可行的。试验中所有溶液的物性计算公式见附 录。 4 2 普朗特数变化对传热努赛尔数的影响 为了研究普朗特数p r 对传热努赛尔数n u 的影响，在不同填充率的换热组 件中进行了一系列的试验研究。 4 0 浙江工业大学硕士学位论文 ( 一) 1 0 填充率 ( 1 ) 试验条件 试验中管程和壳程流体的主体平均温度以及雷诺数r e 的范围如表4 2 所 不。 表4 - 21 0 填充率下的试验条件 ( 2 ) 数据处理 对实验数据进行整理，得到的主要结果如表4 3 所示。 表4 31 0 填充率下的数据处理结果 从第3 章中已知1 0 填充率下雷诺数r e 指数值为o 5 9 9 ，结合纯水试验条 件下得到的数据，借鉴研究雷诺数r e 变化对传热努赛尔数n u 的影响的方法， 绘制l o g ( n u r e n 5 9 9 ) 与l o g ( p r ) 的关系图，如图4 1 所示。 4 1 浙江工业大学硕士学位论文 、 o g 、 o z 、 o l o g ( p r ) 图4 11 0 填充率下p r 数对n u 数的影响 对图4 1 中的数据点进行线性拟合，得到l o g ( n u r e0 5 9 9 ) 与l o g ( p r ) 的0 6 1 1 次方近似成线性关系( 见图中直线) ，其关系式如式( 4 5 ) 所示。 l o g ( n u r e o 舶9 ) = 0 6 1 1 l o g ( p r ) 一1 3 3 3 ( 4 5 ) 其中，r 2 = 0 8 3 8 。 ( 二) 2 0 填充率 ( 1 ) 试验条件 试验中管程和壳程流体的主体平均温度以及雷诺数r e 的范围如表4 4 所示。 表4 42 0 填充率下的试验条件 4 2 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 数据处理 对实验数据进行整理，得到的主要结果如表4 5 所示。 表4 52 0 填充率下的数据处理结果 2 0 填充率下得到的雷诺数r e 指数为0 5 6 6 。同样地，结合纯水试验条件下 得到的数据，缣l jl o g ( n u r e n 5 6 6 ) 与l o g ( p r ) 的关系图，如图4 - 2 所示。 g 、 冀 6 o 配 、 o z 、 o l o g ( p r ) 图4 - 22 0 填充率下p r 数对n u 数的影响 对图4 2 中的数据点进行线性拟合，得到l o g ( n u r e0 + 5 6 6 ) 与l o g ( p r ) 的0 4 8 5 次方近似成线性关系( 见图中直线) ，其关系式如( 4 - 6 ) 所示。 l o g ( n u r e o 5 6 6 ) = 0 4 8 5 x l o g ( p r ) 一1 2 5 9 ( 4 - 6 ) 其中，r 2 = 0 7 0 5 4 3 浙江工业大学硕士学位论文 ( 三) 3 0 填充率 ( 1 ) 试验条件 试验中管程和壳程流体的主体平均温度以及雷诺数r e 的范围如表4 - 6 所示。 表4 - 63 0 填充率下的试验条件 ( 2 ) 数据处理 对实验数据进行整理，得到的主要结果如表4 - 6 所示： 表4 73 0 填充率下的数据处理结果 3 0 填充率下得到的雷诺数r e 指数为o 5 0 7 。同样地，结合纯水试验条件下 得到的数据，绘制l o g ( n u r e0 。5 0 7 ) 与l o g ( p r ) 的关系图，如图4 - 3 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 、 景 o 匕 、 = z 、一 卫 l o g ( p n 图4 33 0 填充率下p r 数对n u 数的影响 对图4 3 中的数据点进行线性拟合，得到l o g ( n u r e0 5 0 7 ) 与j o g ( p r ) 的0 4 2 3 次方近似成线性关系( 见图中直线) ，其关系式如( 4 7 ) 所示。 l o g ( n u r e ) ：0 4 2 3 l o g ( p r ) 一1 2 3 7 ( 4 - 7 ) 其中，r 2 = 0 8 7 4 4 3 结果分析 从图4 1 4 3 中可以看到，除纯水之外，甘油水溶液和纯甘油作为壳程流体 得到的数据点比较发散。可能的原因是：甘油及其水溶液的动力黏度很高，而且 黏度对温度变化非常敏感，因此换热组件内沿轴向方向上相邻微元区域内流体的 物性可能相差非常大，在这种情况下以主体平均温度( 进出口温度的平均值) 来 计算流体物性值可能存在较大偏差。尽管如此，图4 1 - 4 3 中的数据点仍然显示 出一定的规律性，即l o g ( n u r e 卢) 与l o g ( p r ) 近似成线性关系。 图4 1 4 3 中直线的斜率即为普朗特数p r 指数y ，通过直线与纵坐标的截距 可以计算传热准数关联式( 1 9 b ) 中的常数项彳。不同填充率下的普朗特数p r 指数值7 和常数项彳值如表4 8 所示： 4 5 浙江工业大学硕士学位论文 表4 8 不同填充率下的y 和么的大小 从目前的文献来看，在对中空纤维膜组件壳程传质( 热) 性能的研究中，几 乎所有学者都直接设定传质( 热) 准数关联式中s c ( p r ) 数指数为0 3 3 ，可能 是他们认为物性变化对管程和壳程传质( 热) 的影响规律相同，从而直接借鉴管 程传质( 热) 的研究结果。本文通过改变流体物性进行的试验研究结果表明：传 热准数关联式p r 数指数也不为o 3 3 。从图4 1 4 3 以及表4 2 、4 4 和4 - 6 中可以 看到： ( 1 ) 试验中壳程雷诺数r e 都非常低，符合中空纤维膜组件壳程流动的雷 诺数r e 范围； ( 2 ) 不同填充率下得到的普朗特数p r 指数都不等于0 3 3 ，而是介于o 4 2 3 和o 6 1 1 之间。表明在换热管不均一分布的情况下，物性变化对传热性能的影响 规律并不是确定的，而且填充率对传热准数关联式中普朗特数p r 指数有影响。 4 4 本章小结 在本章的研究中，用5 0 、7 5 、9 0 甘油水溶液及纯甘油作为壳程流体， 管程仍然走冷水，分别在填充率为1 0 、2 0 和3 0 的换热组件中进行传热试验。 在第3 章研究结果的基础上，研究了p r 数变化( 物性变化) 对传热性能的影响。 主要结论如下： ( 1 ) 在换热管不均一分布下，即使壳程雷诺数r e 较小，普朗特数p r 指数 y 也不等于o 3 3 。 ( 2 ) 在填充率为1 0 时，参数n u r e o 。5 9 9 与普朗特数p r 的0 6 11 次方近似 成线性关系；在填充率为2 0 时，参数n u r e o 5 6 6 与普朗特数p r 的0 4 8 5 次方近 似成线性关系；在填充率为3 0 时，参数n u r e 5 0 7 与普朗特数p r 的0 4 2 3 次方 4 6 浙江工业大学硕士学位论文 近似成线性关系。 ( 3 ) 在试验研究范围内，普朗特数p r 指数y 随填充率提高而减小。由于目 前相关研究较少，在此无法对该现象给出合理解释，还需要在后续研究中进行深 入分析。 4 7 浙江工业大学硕士学位论文 第5 章结果与讨论 5 1 雷诺数指数的对比 在第3 章的试验研究中，先假定了水的普朗特数p r 保持恒定( 实际变化范 围是3 6 6 - 5 8 6 ) ，并以l o g ( n u ) 对l o g ( r e ) 的形式作图计算得到雷诺数r e 的指数。 现在，根据第4 章中得到的普朗特数p r 指数y ，通过l o g ( n u p ，) 对l o g ( r e ) 的 形式重新作图并计算雷诺数r e 指数。将两种情况下的处理结果进行比较，如 图5 1 5 3 所示。 ，“、 o z 、，_ o s 己 童 l o g ( r e ) 图5 11 0 填充率下的对比 c 、 适 。- z 、 立 l o g ( r e ) 图5 22 0 填充率下的对比 4 8 - 、 警 气 璺 ： z 、 b d 旦 浙江工业大学硕士学位论文 。、 = z - _ ， o l o g ( r e ) 图5 - 33 0 填充率下的对比 表5 1 列出了两种情况下得到的雷诺数r e 指数值。 表5 1 雷诺数r e 指数的对比 p 簧 。- 厶 、 ： z - 旦 从图5 1 - 5 3 和表5 - 1 中可以看到：对于不同的填充率，分别以l o g ( n u ) 和 l o g ( n u p r 7 ) 的形式对l o g ( r e ) 作图求取雷诺数r e 指数p 时，采用最小二乘法拟 合得到的两条直线基本保持平行状态；当填充率为3 0 时，两者相差的最大值仅 为1 0 8 5 。因此，在第3 章假设水的普朗特数p r 恒定，以此拟合雷诺数r e 指 数的思路是可行的，在本文后面的分析中仍然采用第3 章得到的值。 5 2 传热准数关联式 根据第3 章、第4 章以及5 1 节所做的研究和分析，可以得到适