论文题目: 薄膜蒸发器蒸发过程数值模拟及其CAD系统开发
论文类型: 博士论文
论文专业: 化学工程
作者: 贺小华
导师: 陆小华
关键词: 薄膜蒸发器,流场,温度场,边界层,数值模拟,参数化绘图,剪裁与消隐
文献来源: 南京工业大学
发表年度: 2005
论文摘要: 机械搅拌式薄膜蒸发器(简称薄膜蒸发器)是利用旋转的刮板将料液分散成均匀的薄膜,以进行物料浓缩的一种新型高效蒸发设备,与其它薄膜蒸发器相比,液膜的形成不是籍二次蒸汽的施曳而是靠机械作用。它传热系数高,蒸发强度大,可实现真空操作, 特别适用于热敏性、高沸点和高粘度物料的蒸发浓缩。目前, 薄膜蒸发器的研究和推广应用获得了一些进展,但由于刮板刮擦成膜及沸腾传热的复杂性,用于薄膜蒸发器设计计算的基础数据仍显不足,很多设计和产品都是在成功经验上进行工程放大估算的结果,在国内尚没有一套完整的理论计算设计方法。施工图的绘制多数是直接在AUTOCAD 底层平台上,调用绘图命令绘制,工作量大,效率低,影响了薄膜蒸发器的设计、开发周期。本文在自行研制的0.4m2薄膜蒸发器实验装置的基础上,运用数值模拟和实验研究的方法,分析探讨了薄膜蒸发器内不同料液的流动与传热性能,针对薄膜蒸发器的设计现状和软件工程思想,开发了薄膜蒸发器CAD应用系统,旨在帮助用户实现薄膜蒸发器设计计算、施工图绘制一体化。本文的主要工作和研究结果如下: 1)建立了薄膜蒸发器内不同料液的流动模型,针对高粘度物料提出了一种物料膜厚计算方法。采用CFX4.4 软件模拟了薄膜蒸发器内介质水及粘性料液的流动过程, 得到了各种速度分布。研究结果表明:增加刮板转速, 可以明显促进液膜内流体的径向混合,增加液膜和圈形波内流体的物质交换。各料液在任一转速下,均存在同一最佳进料量。对纯物质水,最佳进料量下对应的流动边界层厚度与膜厚之比值δf/δ值为最小。粘度对薄膜蒸发器内流动状态影响显著。粘性料液的轴向速度分布与水存在差异,且在液膜厚度内没有形成明显的流动边界层。2) 建立了薄膜蒸发器内不同料液的传热计算模型,获得了沿轴向及膜厚方向的液膜平均温度分布,并计算了各参数下加热段液膜内给热系数α。研究结果表明:各料液在不同操作条件下均存在同一最佳进料量,此时其圈形波内截面平均速度u s达到最大值, 相应的膜内给热系数α也达到最大值。对介质水,高转速或最佳进料量下流动边界层厚度与膜厚之比值δf/δ以及温度边界层厚度与膜厚之比值δt/δ均为最小。流动边
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 前言
1.2 本文研究主要内容
第二章 薄膜蒸发器研究进展
2.1 薄膜蒸发器的基本结构、类型、工作原理及其性能特点
2.1.1 基本结构
2.1.2 类型
2.1.3 工作原理
2.1.4 性能特点
2.2 蒸发机理研究
2.2.1 流体力学研究
2.2.2 传热研究
2.2.3 传质研究
2.2.4 数学模型
2.3 强化传热研究
2.4 应用范围
2.5 薄膜蒸发器的计算机辅助设计技术
2.5.1 CAD/CAM 技术发展
2.5.2 薄膜蒸发器CAD 应用与发展
第三章 薄膜蒸发器内流体流动数值模拟
3.1 前言
3.2 数值计算研究进展
3.2.1 概述
3.2.2 CFD技术及其在化工领域中的应用
3.3 粘性流体力学基本理论
3.4 湍流数学模型的选取
3.5 CFX4.4软件简介
3.6 薄膜蒸发器内流体流动模型
3.6.1 流体流动几何模型
3.6.2 Komori 模型分析
3.6.3 Komori 模型模拟结果
3.6.4 圈形波自由面尺寸的确定
3.7 介质水流动过程数值模拟
3.7.1 几何模型
3.7.2 物理模型
3.7.3 模拟结果与分析
3.8 粘性料液A 流动过程数值模拟
3.8.1 几何模型
3.8.2 物理模型
3.8.3 模拟结果与分析
3.9 粘性料液A 与纯物质水流动特性比较
3.10 本章小结
第四章 薄膜蒸发器内温度场及传热性能的数值模拟
4.1 引言
4.2 传热模型的确定
4.2.1 传热计算的分离模型与耦合模型
4.2.1.1 分离解方法
4.2.1.2 耦合解方法
4.2.2 计算数学模型
4.2.3 几何模型
4.2.4 物理模型
4.3 介质水的传热模拟计算与分析
4.3.1 计算方案及所对应的几何模型参数
4.3.2 液膜内给热系数的计算
4.3.3 蒸发段长度和给热系数影响因子
4.3.4 温度场分布
4.4 粘性料液的传热模拟计算与分析
4.4.1 计算方案及所对应的几何模型参数
4.4.2 给热系数影响因子分析
4.4.3 温度场分布
4.5 不同密度料液的传热模拟计算与分析
4.5.1 计算方案及所对应的几何模型参数
4.5.2 给热系数影响因子分析
4.5.3 温度场分布
4.6 流体流动对传热过程的影响
4.7 本章小结
第五章 薄膜蒸发器传热蒸发性能的实验研究
5.1 引言
5.2 实验装置的设计
5.2.1 设计的指导思想
5.2.2 实验流程设计
5.2.3 主要设备的设计要求与选型说明
5.3 介质水的加热蒸发实验与分析
5.3.1 实验方案
5.3.2 实验结果与分析
5.3.3 实验值与计算值的比较
5.4 以烧碱为物料的加热蒸发实验与分析
5.4.1 实验方案
5.4.2 实验结果与分析
5.5 本章小结
第六章 薄膜蒸发器CAD 应用系统开发—设计计算子系统
6.1 引言
6.2 系统软、硬件环境
6.2.1 系统硬件环境
6.2.2 系统软件环境
6.3 系统体系结构
6.3.1 系统的数据流通途径
6.3.2 数据库技术
6.3.2.1 数据库
6.3.2.2 数据库模型
6.3.2.3 Visual Basic 中访问数据库技术
6.3.3 系统模块设计
6.3.3.1 设计计算子系统
6.3.3.2 参数化绘图子系统
6.3.3.3 结果输出子系统
6.3.3.4 管理系统
6.4 薄膜蒸发器的设计计算
6.4.1 工艺计算
6.4.1.1 液体滞留量(W_L )及停留时间(τ)
6.4.1.2 液膜厚度δ
6.4.1.3 基本传热公式
6.4.1.4 筒体内侧料液的给热系数α_i
6.4.1.5 夹套内蒸汽冷凝给热系数α_0
6.4.1.6 刮板的驱动功率P
6.4.1.7 基于最佳进料量的薄膜蒸发器规格尺寸
6.4.1.8 工艺计算流程
6.4.2 强度计算
6.4.2.1 内筒体和分离筒
6.4.2.2 夹套筒体
6.4.2.3 平盖
6.4.2.4 搅拌轴
6.4.3 部件设计
6.4.3.1 管口
6.4.3.2 筒体
6.4.3.3 其它
6.5 设计计算实例
6.5.1 程序主界面
6.5.2 设计计算系统
6.5.2.1 工艺计算
6.5.2.2 强度计算
6.6 本章小结
第七章 薄膜蒸发器CAD应用系统开发——参数化绘图子系统
7.1 引言
7.2 参数化设计技术
7.2.1 零件图参数化设计
7.2.2 装配图参数化设计
7.3 薄膜蒸发器的参数化绘图
7.3.1 参数化绘图策略
7.3.2 图形分解
7.3.3 基本构件图绘制
7.3.4 部件图绘制
7.3.5 装配图绘制
7.3.6 设计数据表、管口表、明细栏、标题栏
7.4 部件图、装配图的主视图剪裁与消隐
7.4.1 基本原理及削隐步骤
7.4.2 关键技术
7.4.3 二维装配削隐的实现
7.5 参数化绘图实例
7.5.1 基本构件图绘制
7.5.2 组合件的装配
7.5.3 装配图的生成
7.6 本章小结
第八章 总结和展望
8.1 全文工作总结
8.2 本文工作主要创新点
8.3 今后工作展望
参考文献
攻读博士期间发表的与论文相关的文章及获得的科技奖励
致谢
发布时间: 2005-10-13
参考文献
- [1].内冷式刮膜薄膜蒸发器传热蒸发与应用研究[D]. 皮丕辉.华南理工大学2003
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