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天骥列管式冷凝器(列管式换热器):离散斜向肋管式反应器的肋排列角度优化设计

浏览次数: 次发布日期:2019-08-29 10:55

列管式冷凝器列管式换热器专业生产厂家无锡天骥化工设备2019年8月29日讯  微藻是一类单细胞生物,其种类多,分布广,能有效利用光能与CO2进行光合作用。与其他植物相比,一方面,微藻光合作用效率高、生长速率快、含油量高且不必占用大量耕地面积;另一方面,微藻富含蛋白质、油脂、色素及多种不饱和脂肪酸等生理活性物质,是食品、动物饲料、生物能源、医药及精细化工等领域的重要原料来源。此外,微藻还可利用废水中的N、P元素,其养殖可与工业废气、有机污水的处理相结合,进而节省水资源。综上,微藻由于其无可比拟的优势,被认为是最有潜力替代石油的生物资源。微藻规模化培养是微藻利用的首要难题,目前普遍采用光生物反应器进行微藻培养,常用光生物反应器可分为开放式和封闭式。与开放式相比,封闭式光生物反应器可人为控制微藻生长环境,有效避免污染,同时降低水分蒸发,适合高密度培养。封闭式光生物反应器又可分为柱式、平板式和管式。其中,管式光生物反应器具有比表面积高、光程短、生物产量高的优点,是最具潜力进行商业大规模培养的反应器。影响微藻生长的因素很多,其中最重要的就是混合。由Cornet定律知,在管式反应器中,光强以指数方式衰减,将管内分为光区与暗区,藻细胞长期处于光区会产生光抑制现象,而长期处于暗区的藻细胞又无法吸收足够的光照,不利于藻细胞生长。有效的混合不仅可以促进藻液传质,避免细胞沉降,还有利于藻细胞进行光暗循环,光暗循环可以提高藻细胞的光能利用率和光合效率,促进藻细胞生长,得到较高的生物产量。

 

已有研究表明,在管内添加静态混合器可显著改善管内藻细胞传质和光暗循环情况。Zhang等在管式光生物反应器中添加螺旋形混合器,通过CFD模拟和实验验证,发现添加螺旋形混合器后的反应器生物产量较光管提高37.26% ;Cheng等将新型多孔型静态混合器引入管式反应器,CFD模拟结果表明,与光管相比,添加新型多孔混合器后管内形成较大旋流,湍动能为光管的1。3倍,同时光照方向平均速度梯度增大约1000倍,除此之外,在流动速度0.3m/s的情况下,光暗循环也提升了85.21%。Huang等基于模拟和实验证明光暗循环直接影响微藻生物产量,要形成良好的光暗循环,即藻细胞流动于光区与暗区,则需要在管内径向区域往复运动。Meng等采用场协同原理计算,发现带有三对离散斜向肋的管内形成了六股纵向涡流,是对流强化传热的最佳流场。Qin等首次将离散斜向肋引入管式光生物反应器,CFD模拟结果显示:带有离散斜向肋的管式反应器具有较高的平均光暗循环频率,与光管相比,平均光暗循环频率的增加幅度也远大于能耗的增加。加入离散斜向肋后,在管内横截面形成了纵向涡,促进藻细胞在光梯度方向上的流动,从而提高光暗循环频率,Meng等的研究表明,纵向涡的位置、个数与斜向肋的位置、个数相关,为获得更好的光暗循环,对离散斜向肋结构参数进行优化非常有必要。鉴于此,本文采用CFD模拟带离散斜向肋的管式反应器内流场情况,研究肋排列角度对管内小球藻藻液混合性能的影响,以获得最佳排列角度。

 

1

 模  型

 

1.1

几何模型

 

Qin等研究表明:两对离散斜向肋的涡分布于光暗分界线附近,藻液光暗循环最好,故本文以带有两对离散斜向肋的管式反应器进行模拟研究,其结构如图1,管内径50mm,离散斜向肋段长度为600mm。为保证粒子释放处流体充分发展,增加350mm延长段,同样,出口处增加650mm延长段防止出口回流,故计算域总长2.0m。肋的具体尺寸如图1(d),肋长30mm,肋宽6mm,肋高3mm,倾斜角度α。其中α为本文优化参数,选取α=15°、α=22.5°、α=30°、α=37.5°和α=45°分别进行研究。

 

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图1 反应器结构模型图

 

1。2

湍流模型

 

湍流模型的选取直接影响计算结果准确性,Zheng等[16]分别采用可实现k-ε模型、标准k-ω模型和SST k-ω三种湍流模型模拟了带三对离散斜向肋换热管的换热性能,将计算结果与实验数据对比发现,SST k-ω结果与实验数据吻合较好。故本文采用双方程模型,SST k-ω模型,当残差值小于10﹣6时,认为计算收敛。其控制方程如式(1)、式(2)。

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湍动能方程如式(3)。

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湍动能比耗散率方程如式(4)。

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式中,GkGω分别表示kω产生的湍流动能;YkYω表示kω的湍流耗散;SkSω为源项;σkσω分别为kω的湍流普朗特数。由FLUENT帮助文件得到求解所需常数为:σk,1=1.176,σω,1=20,σk,2=1.168,α1=0.31,βi,1=0.075,βi,2=0.0828。

 

1.3

粒子追踪模型

 

反应器内流场求解完毕后,可采用离散相模型求解藻细胞运动轨迹。小球藻平均直径约为3~10μm,远小于Kolmogrov尺度,故可假设为无质量无体积的被动颗粒,藻液密度与水相近,故假设藻液性质与水相同,粒子随机模型选择Discrete Random Walk Model。粒子受力方程为如式(5)。

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式中,uρ分别为流体速度、密度;upρp别为粒子速度、密度;FD为阻力系数。其中,虚拟质量力和Saff man升力可以忽略。

 

1.4

照模型

 

黄建科等研究了不同光照模型对浓度0.06~2.68g/L的小球藻衰减特性,发现藻细胞浓度超过0.67g/L后,同时考虑了藻细胞 对光的吸收和散射的Cornet模型比Lambert-Beer模型更为准确,本文藻细胞浓度为1.3g/L,所以选择Cornet光照模型模拟反应器内光照场,假设光照为平行光,光照方向为y轴。Cornet模型的数学表达为如式(6)~式(9)

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式中,I为反应器内某处光照强度;I0为入射光强度;EaEs分别为单位质量 藻细胞的光吸收系数、光散射系数;Cx为藻细胞浓度;L为光程;本文选取I0=375μmol/(m2·s)、800μmol/(m2·s)和1200μmol/(m2·s);根据文献[9],小球藻细胞浓度Cx=1.3g/L时,光吸收系数Ea=0.0014m2/g,光散射系Es=0.9022m2/g。

 

2

 评价指标

 

2.1

平均光暗循环频率

 

光照从反应器表面射入藻液内部呈指数衰减,以小球藻临界光照强度Ic=96.84μmol/(m2·s)将反应器内部分为光区与暗区,高于临界光强的区域为光区,藻细胞处于光抑制状态;低于临界光强的区域为暗区,藻细胞处于光限制状态。有效的混合使得藻细胞在光区与暗区往复运动形成光暗循环有利于藻细胞生长。为评价藻细胞在反应器内光暗循环的快慢,引入平均光暗循环频率。藻细胞在光区和暗区循环一次的时间定义为光暗循环周期,表达式如式(10)。

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式中,t1为藻细胞在光区停留时间;td为藻细胞在暗区停留时间;tc为光暗循环周期。则光暗循环频率为如式(11)。

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实际情况,单个藻细胞多次循环于光区与暗区,其平均光暗循环周期为如式(12)。

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将大量藻细胞进行统计平均,得到全局光暗循环周期为如式(13)。

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式中,N为藻细胞数目,本文以1000个粒子进行模拟。则全局平均光暗循环频率为如式(14)。

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平均光暗循环频率越高,越有利于藻细胞生长。

 

2.2

光暗循环强化效率

 

为了综合评价引入离散斜向肋后反应器平均光暗循环频率提升和能耗增加,引入光暗循环强化效率,定义为:光暗循环频率的无量纲增量与单位时间功耗的无量纲增量之比。光暗循环强化效率越高,说明单位功耗下平均光暗循环频率提升得越多,经济性能好。表达式如式(15)~式(17)。

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式中,fav,0E0分别为光管的平均光暗循环频率、单位时间功耗;favE分别为带离散斜向肋反应器的平均光暗循环频率、单位时间功耗。

单位时间功耗计算公式如式(18)~式(20)。

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式中,Φ为反应器体积流量;Uav为平均流速;S为横截面面积;ΔP为带离散斜向肋段进出口压力差。

 

由于光管与带离散斜向肋反应器横截面积和进口流速都相同,故单位时间功耗无量纲增量可简化为如式(21)。

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2.3

光梯度与速度场协同角

 

光照与混合是影响微藻生长最主要的两个因素,光照方向的混合可以提高传质效果和光合效率,故张雯雯将场协同理论应用到微藻光生物反应器的结构优化,提出:光梯度与速度场的夹角是描述光照场与速度场协同程度的关键因素。取协同角β余弦绝对值来评价其协同程度,其表达如式(22)。

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式中,I为反应器某处光照强度;U为反应器某处速度。|cosβ|越接近1,光梯度与速度场的协同程度越好,越有利于微藻生长。

 

3

 结果与讨论

 

3.1

网格划分

 

采用商业软件ANSYS ICEM 15.0对带离散斜向肋的管式反应器进行网格划分,考虑到斜向肋结构的复杂性,采用非结构性网格进行划分。本文采用SST k-ω模型,对边界层网格要求较高,需根据y+的计算对边界层和斜向肋进行加密。为保证模拟结果的准确性,利用ICEM划分粗网格、中等网格和细网格三种,以细网格为标准,比较不同网格数目进出口压差的误差,具体见表1。

 

表1 不同网格数进出口压力差的计算误差

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由表1知,中等网格较细网格误差仅为1.44%,为节省计算时间,本文采用中等网格进行计算,总网格数为3 594 925,网格示意图如图2所示。

 

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图2 网格示意图

 

3.2

离散斜向肋反应器流场特性

 

本文以入口速度0.5m/s,压力出口进行CFD模拟。图3为反应器内部流场特性图,从图3(a)可以看出,两对离散斜向肋产生了两对涡,涡的位置与肋所在位置一一对应。随着肋排列角度增大,上部的一对肋所对应的涡向y轴正方向移动;下部所对应的涡则向y轴负方向偏移少许,说明涡的位置由肋直接决定。图3(b)表明,随着离散斜向肋排列角度的增加,涡的强度也逐渐增大,当α=45°时,4个涡的强度最大,流体混合最充分。然而涡强度增大也伴随着能耗的增加,如图4所示,因此考虑到经济效益,需要对角度的选取进行更加全面的讨论。

 

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图3 反应器内部流场特性图z=900mm处

流线图及速度矢量图

 

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图4 离 散斜向肋段进出口压力差与角度的关系

 

3。3

排列角度对光暗循环的影响

 

z=300mm处释放1000个粒子,追踪其路径,为清楚显示,以下仅展示50个粒子在混合器段的路径图,如图5所示。可以发现,相比于光管,粒子在带有离散斜向肋的反应器内形成了往复运动,且随着排列角度增加,往复运动增强。进一步定量研究其径向速度(表2)发现,未添加离散斜向肋反应器的平均径向速度低至4×10﹣5m/s,添加离散斜向肋后得到较大提升,同时平均径向速度也随排列角度的增大而增大,α=45°时平均径向速度最大为:5.286×10﹣2m/s,该值较光管提高1320倍。

 

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图5 粒子径向位置随轴向位置的变化

 

表2 z=900 mm 处平均径向速度

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图6 为入射光I= 375μmol/(m2·s),I= 800μmol/(m2·s)和I= 1200μmol/(m2·s)三种情况下, 离散斜向肋不同排列角度时反应器内的平均光暗循环频率和光暗循环强化效率。可以看出,随着排列角度增加,平均光暗循环频率增加,这与平均径向速度随角度增大情况一致。结合图3(b)速度矢量图,角度越大,横截面内旋流也越大,流动方向与光梯度的方向一致,故强化了藻液在光区与暗区之间的往复流动。但大的角度伴随着大的能耗,为了全面评价反应器性能,引入光暗循环强化效率。图6表明,随着角度的增加,光暗循环强化效率呈现出先增加后减小的变化趋势。在三种不同的入射光照强度下,α=37.5°时均对应着最大的光暗循环强化效率,分别为2.4、0.9 和0.5。同时α=37.5° 和α=45°的平均光暗循环频率差值较小,分别为0.0089Hz、0.0769Hz和0.1167Hz,综合光暗循环强化效率与平均光暗循环频率,α=37.5°是一个较优排列角度。

 

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图6 不同光照条件下反应器平均光暗循环频率与

光暗强化效率

 

3。4

排列角度对协同角的影响

 

添加离散斜向肋旨在提高藻液在光梯度方向上的流动,为综合评价光照场与速度场的协同程度,本文计算了x=12.5mm(结构左右对称,只取一侧最具有代表性的涡中心区域)处光照方向上协同角余弦绝对值变化,如图7所示。协同角β=0°或180°时协同效果最好,即|cosβ|越接近1效果越好。可以看出,添加离散斜向肋的反应器相比于光管|cosβ|分布更加均匀,在暗区(y<0.01m)范围,协同程度更好。暗区光照强度低,藻细胞易沉积,该 区的协同程度尤其值得关注。α=37。5°和α=45°时,整个光照方向|cosβ|都较高,暗区|cosβ|均大于0。3,协同程度较其余角度都好。特别地,α=37.5°和α=45°暗区平均|cosβ|分别为0.65、0.63,而光管仅为0.44,这是因为离散斜向肋的加入使得反应器内形成旋流,带动藻液向光照方向运动,而光管中藻液没有足够的动力来克服重力,从而无法向光区运动。综上,离散斜向肋排列角度α=37。5°时,反应器光暗循环频率较高,光照场与速度场协同程度最好,同时具有最高的光暗循环强化效率,因此,从强化性能与经济性角度考虑,α=37.5°为最优角度。

 

 

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图7 不同排列角度下协同角余弦绝对值
x=12.5mm,z=900mm)

 

4

 结  论

本文以带有离散斜向肋的管式光生物反应器为对象,研究了光管以及五种肋排列角度:α=15°、22.5°、30°、37.5°、45°时反应器的性能。以平均光暗循环频率、光暗循环强化效率、光照场与速度场协同程度为评价指标,通过CFD计算模拟发现,三种不同光照条件下 [I= 375 μmol/(m2·s),800 μmol/(m2·s)和1200 μmol/(m2·s) ],反应器平均光暗循环频率均随着肋排列角度的增加而增加,而光暗循环强化效率则呈现先增大后减小的趋势,该结果具有普适性,可适用于其他不同光照强度。进一步研究光照场与速度场协同程度发现,α=37.5°时,反应器暗区协同程度最好,平均|cosβ|为0.65,相比于光管0.44得到较好改善,该结果与采用光暗循环强化效率为指标获得的结果一致。同时,在三种光照条件下,α=37。5°时其平均光暗循环频率较光管分别提高了8。0倍、3。7倍和2。5倍;且具有最高光暗循环强化效率,分别为2。37、0。90 和0。48。综上,α=37.5°为肋排列最优角度,该结论可为离散斜向肋管式反应器的结构设计提供参考。

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