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系統識別號 U0002-0108201214513900
中文論文名稱 直接接觸式薄膜蒸餾於改善熱質傳效益之研究
英文論文名稱 Theoretical and experimental studies of heat and mass flux enhancement in direct contact membrane distillation
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 黃承皓
研究生英文姓名 Cheng-Hao Huang
電子信箱 600400062@s00.tku.edu.tw
學號 600400062
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-07-11
論文頁數 130頁
口試委員 指導教授-何啟東
共同指導教授-張正良
委員-蔡少偉
委員-鄭東文
委員-萬文彬
中文關鍵字 紊流促進因子  薄膜蒸餾  溫度極化  產量提升 
英文關鍵字 turbulence promoter  membrane distillation  temperature polarization  trans-membrane flux increment 
學科別分類
中文摘要 薄膜蒸餾(membrane distillation)為近來廣受重視的一種技術,其特色為具有裝置簡潔、低成本、可模組化、高介面面積等多方面之優勢,直接接觸式薄膜蒸餾原理乃是利用薄膜兩側的飽和蒸汽壓差為驅動力促使水蒸氣通過薄膜,進而達到分離的效果,然而,薄膜蒸餾存在所謂的溫度極化現象,對於系統產能有相當顯著的影響,此現象越明顯則產能相對低落。
本研究針對薄膜蒸餾之主要設備進行效率改善的研究,目的為:(1)設計新型紊流促進因子(Turbulence promoter),以求有效改善系統內部的溫度極化現象進而提升系統產能,並歸納出一經驗公式,描述此型式的紊流促進因子對於通道內部熱對流效應的影響;(2)藉由一維數學模型針對薄膜蒸餾設備的熱量與質量傳送機制進行研究,配合實驗分析以驗證經驗公式與數學模型的正確性;(3)探討設計參數及操作條件對於薄膜蒸餾系統之流體溫度分佈、溫度極化現象、純水透膜通量增加百分率與水力損耗提升百分率的影響。
研究結果顯示,平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統之理論值與實驗值的相對誤差總平均為10.07 %,而新型紊流促進因子能夠有效的提升系統透膜通量,在本研究設定的操作條件之中,最高可達到40%的增益。本研究以操作在低體積流率之設備為主,除了可以降低操作成本外,經由新穎的改善策略可提升設備效能並得到令人滿意的熱量及質量傳送效率改善效果。
英文摘要 Membrane distillation (MD) is a membrane technology and it widely uses to remove melt salts from the seawater as referred to desalination. The advantages of membrane distillation in desalination processes can be summarized as follows: (1) it is easy to scale-up the operating device; (2) membrane processes can be easily incorporated with other separation processes; (3) the membrane properties are changeable and can be improved; (4) the separation processes can be carried out continuously. The direct contact membrane distillation (DCMD) design is a MD operation for which liquids directly contact both membrane surfaces. The existence of temperature gradient in a DCMD means that the membrane surface temperatures always contrast with bulk temperatures. This phenomenon, called temperature polarization, may cause a considerable loss of the thermal driving force leading to lower rates of mass flux across the membrane. Attempts to reduce the effect of temperature polarization were made implementing turbulence promoters to improve the flow characteristic. The purposes of this study are (1) to develop the heat transfer correlation for the rough surface channel; (2) to develop a one-dimensional mathematical model and propose a general numerical method for solving this mathematical model in predicting pure water productivity of membrane distillation systems; (3) to study the effect of temperature distributions and temperature polarization on the pure water productivity improvement of the membrane distillation systems. The correlation equation of estimating heat transfer for the turbulence promoter was obtained and the results show that the agreement between the experimental results and the theoretical prediction are fairly good. The new design of turbulence promoter can effectively enhance the mass flux, among the operating conditions set in this study, up to 40% of the gain.
論文目次 目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅲ
圖目錄 Ⅵ
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1-1 引言 1
1-2 薄膜蒸餾系統簡介 3
1-3 研究動機與方向 6
第二章 文獻回顧 8
2-1 直接接觸式薄膜蒸餾 8
2-2 紊流促進因子 11
第三章 理論分析 14
3-1 直接接觸式薄膜蒸餾之熱量、質量傳送機制分析 14
3-1-1 直接接觸式薄膜蒸餾質傳機制之理論分析 15
3-1-2 直接接觸式薄膜蒸餾熱傳機制之理論分析 20
3-1-3 溫度極化現象 23
3-2 新型紊流促進因子納賽數經驗公式之建立 25
3-2-1 納賽數經驗公式模型 26
3-2-2 實驗數據之取得與分析計算流程 29
3-3 平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統一維理論模型之建立 33
3-3-1 平板型薄膜蒸餾系統一維理論模型 34
3-3-2 系統水力損耗 37
3-3-3理論數據取得與計算分析流程-朗吉庫塔數值解析方法 39
3-4 數學模擬參數之設定 44
第四章 實驗分析 46
4-1 平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統 46
4-2 鋁板表面粗糙化流程與量測方式 52
4-3 實驗步驟 56
第五章 結果與討論 57
5-1 新型紊流促進因子之納賽數經驗公式迴歸分析 57
5-2平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統 62
5-2-1 系統操作變因對於透膜通量之影響 62
5-2-2 溫度分佈與溫度極化現象 62
5-3 添加紊流促進因子之平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統 76
5-3-1 紊流促進因子對於透膜通量之影響 76
5-3-2 溫度分佈與溫度極化現象 77
5-4 不同通道厚度與模組長寬比例之平板型薄膜蒸餾系統 87
5-4-1 通道厚度與模組長寬比例對於透膜通量之影響 87
5-4-2溫度分佈與溫度極化現象 88
5-5 模組設計參數於透膜通量與水力損耗之影響 102
5-5-1 透膜通量增益程度與水力損耗提升程度 102
5-5-2 透膜通量與水力損耗提升程度之比較 104
第六章 結論 112
6-1 新型紊流促進因子之納賽數經驗公式迴歸分析 112
6-2 平板型直接接觸式薄膜蒸 113
6-3 添加紊流促進因子之平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統 113
6-4 不同通道厚度與模組長寬比例之平板型薄膜蒸餾系統 114
6-5 模組設計參數於透膜通量與水力損耗之影響 114
符號說明 115
參考文獻 120
附錄 經驗公式迴歸數據 125

圖目錄
圖1-1 海水淡化成本 3
圖1-2 薄膜蒸餾模組之型態 4
圖1-3 薄膜蒸餾之模組型式 5
圖1-4 研究架構圖 7
圖3-1 薄膜蒸餾系統熱量及質量傳送機制示意圖 14
圖3-2 質量傳送之阻力串聯模式 17
圖3-3 熱量傳送之阻力串聯模式 20
圖3-4 溫度極化示意圖 23
圖3-5 溫度極化現象改善示意圖 25
圖3-6 不同操作流態之溫度分佈示意圖 29
圖3-7 熱對流係數運算流程圖 32
圖3-8 順流操作之平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統示意圖 34
圖3-9 逆流操作之平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統示意圖 36
圖3-10 朗吉庫塔法求解順流型式聯立方程組之計算示意圖 41
圖3-11 朗吉庫塔法求解逆流型式聯立方程組之計算示意圖 41
圖3-12 順流式平板型薄膜蒸餾系統運算流程圖 42
圖3-13 逆流式平板型薄膜蒸餾系統運算流程圖 43
圖4-1 平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統簡圖 47
圖4-2 平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統實驗設備圖 47
圖4-3 直接接觸式薄膜蒸餾模組分解圖 49
圖4-4 溢流桶實際圖 51
圖4-5 表面粗化工法與量測示意圖 53
圖4-6 表面粗糙化之鋁板實際圖 54
圖5-1-1 納賽數比值與通道表面相對粗糙度關係圖 60
圖5-1-2 納賽數理論值與實驗值比較圖 61
圖5-2-1 順流操作下且進料端流體為純水時,不同操作參數對於透膜通量之影響65
圖5-2-2 順流操作下且進料端流體為鹽水時,不同操作參數對於透膜通量之影響66
圖5-2-3 逆流操作下且進料端流體為純水時,不同操作參數對於透膜通量之影響67
圖5-2-4 逆流操作下且進料端流體為鹽水時,不同操作參數對於透膜通量之影響68
圖5-2-5 順流狀態下且進料端流體為鹽水時,不同體積流率於主流區域與薄膜表面溫度分佈之影響 71
圖5-2-6 逆流狀態下且進料端流體為鹽水時,不同體積流率於主流區域與薄膜表面溫度分佈之影響 72
圖5-2-7 順流狀態下且進料端流體為鹽水時,不同操作參數於溫度極化係數之影響 73
圖5-2-8 逆流狀態下且進料端流體為鹽水時,不同操作參數於溫度極化係數之影響 74
圖5-3-1 順流操作下且進料端流體為鹽水時,不同通道表面相對粗糙度與操作參數對於透膜通量之影響 79
圖5-3-2 逆流操作下且進料端流體為鹽水時,不同通道表面相對粗糙度與操作參數對於透膜通量之影響 80
圖5-3-3 順流狀態下且進料端流體為鹽水時,不同通道表面相對粗糙度於主流區域與薄膜表面溫度分佈之影響 83
圖5-3-4 逆流狀態下且進料端流體為鹽水時,不同通道表面相對粗糙度於主流區域與薄膜表面溫度分佈之影響 84
圖5-3-5 順流狀態下且進料端流體為鹽水時,不同通道表面相對粗糙度與操作參數於溫度極化係數之影響 85
圖5-3-6 逆流狀態下且進料端流體為鹽水時,不同通道表面相對粗糙度與操作參數於溫度極化係數之影響 86
圖5-4-1 順流操作下且進料端流體為鹽水時,不同通道厚度與操作參數對於透膜通量之影響 90
圖5-4-2 逆流操作下且進料端流體為鹽水時,不同通道厚度與操作參數對於透膜通量之影響 91
圖5-4-3 順流操作下且進料端流體為鹽水時,不同模組長寬比例與操作參數對於透膜通量之影響 92
圖5-4-4 逆流操作下且進料端流體為鹽水時,不同模組長寬比例與操作參數對於透膜通量之影響 93
圖5-4-5 順流狀態下且進料端流體為鹽水時,不同通道厚度於主流區域與薄膜表面溫度分佈之影響 94
圖5-4-6 逆流狀態下且進料端流體為鹽水時,不同通道厚度於主流區域與薄膜表面溫度分佈之影響 95
圖5-4-7 順流狀態下且進料端流體為鹽水時,不同模組長寬比例於主流區域與薄膜表面溫度分佈之影響 96
圖5-4-8 逆流狀態下且進料端流體為鹽水時,不同模組長寬比例於主流區域與薄膜表面溫度分佈之影響 97
圖5-4-9 順流狀態下且進料端流體為鹽水時,不同通道厚度與操作參數於溫度極化係數之影響 98
圖5-4-10逆流狀態下且進料端流體為鹽水時,不同通道厚度與操作參數於溫度極化係數之影響 99
圖5-4-11 順流狀態下且進料端流體為鹽水時,不同模組長寬比例與操作參數於溫度極化係數之影響 100
圖5-4-12 逆流狀態下且進料端流體為鹽水時,不同模組長寬比例與操作參數於溫度極化係數之影響 101

表目錄
表1-1 全球水資源蘊含量分佈情形 1 表1-2 不同操作型態之薄膜蒸餾應用領域 5
表3-1 經驗式參數表 26
表3-2 模組相關參數 44
表3-3 疏水性薄膜(聚四氟乙烯+聚丙烯複合膜)相關參數 44
表3-4 流體相關參數 44
表3-5 流體相關參數式 45
表4-1 PTFE/PP複合膜之薄膜性質 49
表4-2 表面粗糙化之鋁板規格數據表 54
表4-3 物質表面絕對粗糙度比較表 55
表5-1-1 納賽數經驗公式所需實驗數據之操作變因表 57
表5-2-1 順流操作下平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統,實驗值與理論值之相對誤差比較表 69
表5-2-2 逆流操作下平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統,實驗值與理論值之相對誤差比較表 70
表5-2-3 不同操作流向且進料端流體為鹽水時,於平均溫度極化係數之影響比較表 75
表5-3-1 順流操作下平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統,實驗值與理論值之相對誤差比較表 81
表5-3-2 逆流操作下平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統,實驗值與理論值之相對誤差比較表 82
表5-5-1 順流操作下平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統,不同通道相對粗糙度之理論透膜通量增益比例表 105
表5-5-2 逆流操作下平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統,不同通道相對粗糙度之理論透膜通量增益比例表 105
表5-5-3 順流操作下平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統,不同通道厚度之理論透膜通量增益比例表 106
表5-5-4 逆流操作下平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統,不同通道厚度之理論透膜通量增益比例表 106
表5-5-5 順流操作下平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統,不同模組長寬比例之理論透膜通量增益比例表 107
表5-5-6 逆流操作下平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統,不同模組長寬比例之理論透膜通量增益比例表 107
表5-5-7 不同通道表面相對粗糙度之水力損耗提升程度比較表 108
表5-5-8 不同通道厚度之水力損耗提升程度比較表 109
表5-5-9 不同模組長寬比例之水力損耗提升程度比較表 110
表5-5-10 順流操作下,不同模組設計參數之理論透膜通量增益程度與水力損耗提升程度比值表 111
表5-5-11 逆流操作下,不同模組設計參數之理論透膜通量增益程度與水力損耗提升程度比值表 111
表A-1 經驗公式迴歸分析所需數據表(平板型系統逆流操作下,進料端通道壁面粗糙度為 ,流體為純水之實驗數據) 125
表A-2 經驗公式迴歸分析所需數據表(平板型系統逆流操作下,進料端通道壁面粗糙度為 ,流體為鹽水之實驗數據) 126
表A-3 經驗公式迴歸分析所需數據表(平板型系統逆流操作下,進料端通道壁面粗糙度為 ,流體為純水之實驗數據) 127
表A-4 經驗公式迴歸分析所需數據表(平板型系統逆流操作下,進料端通道壁面粗糙度為 ,流體為鹽水之實驗數據) 128
表A-5 經驗公式迴歸分析所需數據表(平板型系統逆流操作下,進料端通道壁面粗糙度為 ,流體為純水之實驗數據) 129
表A-6 經驗公式迴歸分析所需數據表(平板型系統逆流操作下,進料端通道壁面粗糙度為 ,流體為鹽水之實驗數據) 130
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