导热高分子材料中空纤维换热器的制备与测试完整版

本科生毕业论文学院化工学院专业化学工程与工艺年级2009级2013年6月15日姓名XXXXXXXXXXX指导教师XXXX本科生毕业论文任务书题目：导热高分子材料中空纤维换热器的制备与测试学院名称化工学院专业化学工程与工艺学生姓名XXX学号指导教师职称一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。）1）论文工作基础：本课题组已对中空纤维换热器的换热进行过基础研究与测试，其中包括中空纤维换热器的制备；中空纤维换热器传热系数的测试；中空纤维材料导热性能的改进，如PVDF填充导热颗粒，PP填充导热颗粒；用CFD对中空纤维换热器内部流体进行分析。2）研究条件：本课题组具备进行中空纤维换热器制作和测试的基本条件。具备CFD仿真模拟条件。3）应用环境：中空纤维换热器作为紧凑型塑料换热器的一种，有诸多优点，包括耐腐蚀和结垢、价格低、能耗低、占地少、重量轻容易搬运等，可应用于化工、制药、炼油以及食品等行业。4）工作目的：通过本课题的研究，找出一种可以改善中空纤维换热器换热性能的优化结构。二、参考文献[1]D.M.Zarkadas,B.A.Li,K.K.Sirkar,Polymerichollowfiberheatexchangers(PHFHEs):Anewtypeofcompactheatexchangerforlowertemperatureapplications[J].ProceedingsoftheASMEsummerheattransferconference.4(2005)429-438.[2]D.M.Zarkadas,K.K.Sirkar,Polymerichollowfiberheatexchangers:analternativeforlowertemperatureapplications[J].Industrial&EngineeringChemistryResearch.43(2004)8093-8106.[3]L.Song,B.A.Li,D.M.Zarkadas,etal,PolymericHollow-FiberHeatExchangersforThermalDesalinationProcesses[J].Industrial&EngineeringChemistryResearch.49(2010)11961–11977.[4]丛凯丽，聚偏氟乙烯基导热中空纤维及其换热器的制备与表征[D].天津，天津大学，2010[5]Qin,Y.C.,Li,B.A.,Wang,S.C.Experimentalinvestigationofanovelpolymericheatexchangerusingmodifiedpolypropylenehollowfibers[J],Industrial&EngineeringChemistryResearch.2012,51,882-890三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。）1）研究内容：中空纤维换热器作为紧凑型塑料换热器的一种，有诸多优点，包括耐腐蚀和结垢、价格低、能耗低、占地少、重量轻容易搬运等，推进中空纤维换热器的广泛应用符合当前换热器的发展趋势，满足节能降耗的工业要求。但是目前中空纤维换热器的研究主要集中在材料性能的改进，很少针对于结构的改进。本课题即是通过进行中空纤维换热器的结构改进从而提升其换热效果。2）主要指标与技术参数：中空纤维换热器管程和壳程流速；中空纤维换热器总传热系数U；中空纤维换热器壳程压降；3）具体要求：找出对中空纤维换热器结构进行改进的具体方法，通过具体数据表明强化效果，并分析产生换热强化作用的具体原因。应用CFD分析中空纤维换热器强化与未强化时内部流体的形态差异。指导教师（签字）年月日审题小组组长（签字）天津大学本科生毕业论文开题报告课题名称导热高分子材料中空纤维换热器的制备与测试学院名称化工学院专业名称化学工程与工艺1)课题来源及意义换热器作为热量传递的设备，广泛应用于化工、制药、炼油以及食品等行业。经统计分析可知在通常的化工厂中，设备总投资中的三分之一都用于换热器方面的投资；在炼油厂中，换热设备的投资额大约占到总设备投资额的35%-40%，生产中用于换热器的动力消耗占到总消耗的20%-30%，换热器的检修工作量一般可占到总检修量的60%-70%；热法是海水淡化一直以来采用的主要方法，各式各样的换热器构成了热法海水淡化工艺的主要组成部分。传统的金属换热器易腐蚀、易结垢，并且价格高，不易搬运。中空纤维换热器作为紧凑型塑料换热器的一种，有诸多优点，包括耐腐蚀和结垢、价格低、能耗低、占地少、重量轻容易搬运等，推进中空纤维换热器的广泛应用符合当前换热器的发展趋势，满足节能降耗的工业要求。但是目前中空纤维换热器的研究主要集中在材料性能的改进，很少针对于结构的改进。若能通过对中空纤维换热器的结构改进使其换热效率进一步得到提升，将使其变得更加节能和高效，符合节能减排发展战略要求。因此本课题具有重要意义。2)国内外的发展状况从1975年美国杜邦公司成功研制了第一台塑料换热器至今，国内外导热高分子换热器已经有长足的发展。Sirkar等人提出中空纤维换热器的概念，并成功制备了聚丙烯中空纤维换热器，并成功应用于低温换热、热法脱盐和药物结晶方面；Zaheed等人对高分子传热元件用于制备紧凑型高分子换热器进行了总结，对多种高分子材料如PVDF、PEEK等制备换热器的优缺点进行了分析、并将其应用在燃料电池的生产过程中；Luckow等人对高分子换热器用于“气-液”换热时在节能方面进行了分析，指出高分子换热器在制备和使用过程中的耗能均低于铝、钛制备的换热器，在海水淡化方面有着很好的应用前景。在国内对于高分子传热元件的研究主要包括以下三类：①氟塑料及其复合材料换热器，②聚丙烯、聚氯乙烯及其复合材料换热器，③中空纤维膜换热器，并学生姓名指导教师投入实际生产。例如，石墨改性聚丙烯管壳式换热器已成功应在于氯化苯车间苯蒸汽的回收方面；三氯乙醛冷凝器；含氯化氢气体的废液处理过程；2009年清华大学以改性聚丙烯制备了翅壳片管式换热器，成功应用于空调换热，且在腐蚀性废气、海水淡化、水处理热泵系统]等方面有着良好的应用前景。近年来，西安交通大学的王赞社等人将直接接触式膜蒸馏的概念和操作过程引入到换热器的设计中，提出了一种既有传热又有传质的新型中空纤维膜换热器。华南理工大学的张炎等人研究了基于PVAL/PVDF复合透湿膜的全热交换器的透热、透湿性能，实验测定了其在空调排风中，新风与排风之间的显热交换能力和水蒸气交换能力，并建立了基于亲水/憎水复合膜的逆流膜全热交换器传热传质计算模型。3)本课题的研究目标和内容本课题通过制备复合聚丙烯导热高分子换热器，采用恒温控制器将热水温度控制在85℃，冷却水则是常温自来水。测试管程热流体和壳程冷流体的流速对换热器总传热系数的影响。并通Sirkar和Zarkadas提出的理论公式计算管程和壳程分别的对流传热系数，分析管程和壳程流速对传热阻力分布的影响，并通过流股模拟软件建立换热器模型，模拟换热器内流体的速度分布，对实验结果给予解释。另外制备一个与之前换热管数、排列方式都相同，只是在管间加入一层聚丙烯网的中空纤维换热器。我们将其称为强化的中空纤维换热器，在相同的条件下，测试其总传热系数随管程和壳程流速的变化规律，以及由于加网后，壳程对流传热系数和传热阻力的变化。通过换热器强化传热评价指标评价加网后，换热器的强化效果。通过本课题的研究，一方面测试了复合聚丙烯中空纤维换热器的换热性能，得到总传热系数随冷热流体流速的变化规律，及换热过程中各部分热阻随流速的变化规律；另一方面，通过尝试一种新的换热器强化方法，检验其是否具有改善换热器换热性能的作用，并得到强化效果具体是如何实现的。4)研究手段及进度本课题通过实验和CFD模拟相结合的方法进行研究。目前通过实验，我们已知换热器经过加网强化后其换热性能得到显著改善，同时我们结合CFD仿真模拟进行换热器内部流体分析，发现加网后的换热器内部流体的温度和流速分布更加均匀。5)实验方案的可行性：实验中所需要测试的变量包括：换热器管程和壳程的进出口温度，热水和自来水的流量，壳程进出口之间的压力降。温度的测量可通过热电偶温度计，热水和冷却水可磁力流量泵输送，并通过球阀控制和转子流量计测量流量，压力降可通过U-型管测量，即本实验可以完成。在中空纤维换热器管间加入塑料网之后，相当于将原有流道切成两部分，而流速不变，这势必会是速度边界层和热边界层均减薄，传热阻力减小，因此是具有强化传热的作用。通过将常规金属换热器的强化传热评价指标用于中空纤维换热器，就可得到加网后的强化效果评价。由于强化措施操作简单、不增加制造和设计的难度，且强化效果明显，是一种可行的传热强化途径。6)已具备的实验条件自制中空纤维换热器，恒温水浴装置，流量计，热点偶，温度巡检仪，泵，U形水银柱，保温棉。7)主要参考文献：[1].D.M.Zarkadas,K.K.Sirkar,Polymerichollowfiberheatexchangers:Analternativeforlowertemperatureapplications[J],Ind.Eng.Chem.Res.,2004,43:8093-8106[2].L.M.Song,L.B.An,D.M.Zarkadasetal,Polymerichollow-fiberheatexchangersforthermaldesalinationprocesses,Ind.Eng.Chem.Res.2010,49:11961–11977[3].D.M.Zarkadas,K.K.Sirkar,Solidhollowfibercoolingcrystallization[J],Ind.Eng.Chem.Res.,2004,43:7163-7180[4].D.M.Zarkadas,K.K.Sirkar,Coolingcrystallizationofparacetamolinhollowfiberdevices[J],Ind.Eng.Chem.Res.,2007,46:2928-2935[5].L.Zaheeda,R.J.J.Jachuck,Reviewofpolymercompactheatexchangers,withspecialemphasisonapolymerfilmunit[J],AppliedThermalEngineering,2004,24:2323–2358[6].L.Zaheeda,R.J.J.Jachuck,Performanceofasquare,cross-corrugated,polymerfilm,compact,heat-exchangerwithpotentialapplicationinfuelcells[J],JournalofPowerSources,2005,140:304–310[7].P.Luckow,A.Bar-Cohen,P.Rodgers,J.Cevallos,Energyefficientpolymersforgas-liquidheatexchangers[J],JournalofEnergyResourcesTechnology,2010,132(21):1-8[8].李守烈，延长盐酸脱析工艺中再沸器使用寿命的探讨[J]，中国氯碱，1989,9:30-31[9].濮阳楠,周本省，聚丙烯换热器[J]，腐蚀与防护,1990,4:190-193[10].冯世敬，石墨改性聚丙烯设备的应用[J]，化工装备技术,1990,1:37-38[11].L.Chen,L.Zhen,G.Z.Yuan,Experimentalinvestigationofplasticinned-tubeheatexchangers,withemphasisonmaterialthermalconductivity[