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系統識別號 U0002-1808201413143400
中文論文名稱 薄膜蒸餾傳輸特性之計算流體力學研究
英文論文名稱 CFD study of transport characteristics of 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 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 許建安
研究生英文姓名 Jian-An Hsu
學號 601400087
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-07-21
論文頁數 154頁
口試委員 指導教授-張煖
共同指導教授-張正良
委員-程學恆
委員-陳錫仁
中文關鍵字 計算流體力學  薄膜蒸餾  流力  熱傳  粗糙面  間隔物 
英文關鍵字 Computational fluid dynamics  Membrane distillation  Hydrodynamics  Heat transfer  Surface roughness  Spacers 
學科別分類
中文摘要 本研究利用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)模擬探討薄膜蒸餾模組內之流力與熱傳特性。本研究使用FLUENT軟體模擬了操作於層流範圍的三種模組,包括使用具粗糙面與具間隔物通道的直接接觸式模組,以及真空式模組。透膜熱質傳是利用使用者定義函數納入模式中。
流力方面,具粗糙面通道之摩擦因子與使用受限水力直徑之關聯式預測值接近;具間隔物通道之各重複單元具有類似流場,且壓損隨間隔物空隙率減小而增大;真空式模組液體側壓損較關聯式預測值低。在熱傳方面,具粗糙面通道與真空式模組均有明顯的入口熱發展區,其熱傳通量與質傳通量均顯著地高出後段穩定區。有無介面質傳對熱傳係數之影響不大。具間隔物通道之熱傳係數隨圓柱物之配置位置呈上下震盪變化。
英文摘要 In this study, the fluid flow and heat transfer in the membrane distillation (MD) modules are investigated by the computational fluid dynamics (CFD) simulation. The FLUENT software is used to simulate three laminar flow MD modules, including the direct contact type MD (DCMD) modules with roughened-surface and spacer-filled channels as well as the vacuum type MD (VMD). The trans-membrane heat and mass transfer are taken into account using the user-defined-functions in FLUENT.
In fluid flow, the simulated friction factors of the roughened-surface channels are close to the correlation predictions using constricted hydraulic diameters. For the spacer-filled channels, the flow fields of individual repeated units are similar and the pressure drop increases with the reduction of spacer voidage. For VMD, the fluid side pressure drops are lower than that predicted from correlations.
In heat transfer, the entrance thermal developing section, which gives higher heat and mass transfer rates, is observed in both roughened-surface channels and the VMD channels. The trans-membrane mass transfer does significantly affect the heat transfer coefficient. For the spacer-filled channels, the local heat transfer coefficients fluctuate with the layout of the spacer filaments.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與範疇 9
1.3 論文組織與架構 9
第二章 文獻回顧 10
2.1 薄膜蒸餾程序 10
2.1.1 粗糙面強化 11
2.1.2 間隔物強化 16
2.2 薄膜蒸餾之計算流體力學模擬 19
第三章 薄膜熱質傳模式 25
3.1 質傳模式 25
3.2 熱傳模式 28
第四章 模擬系統 32
4.1 具粗糙面直接接觸式薄膜蒸餾模組 32
4.2 具間隔物直接接觸式薄膜蒸餾模組 38
4.3 真空式薄膜蒸餾模組 44
第五章 計算流體力學模式建立 47
5.1 統制方程式與模式 47
5.2 使用者定義函數 50
5.3 求解設定 51
5.3.1 離散方法 51
5.3.2 速度-壓力耦合方法 52
5.3.3 收斂準則與疊代參數 53
第六章 網格建立與模式驗證 54
6.1 具粗糙面之直接接觸式薄膜蒸餾平板模組 54
6.1.1 網格繪製 54
6.1.2 網格無關化分析 57
6.1.3 模式驗證 64
6.2 具間隔物之直接接觸式薄膜蒸餾平板模組 67
6.2.1 網格繪製 67
6.2.2 網格無關化分析 69
6.2.2 模式驗證 79
6.3 真空式薄膜蒸餾中空纖維模組 82
6.3.1 網格繪製 82
6.3.2 網格無關化分析 83
6.3.3 模式驗證 85
第七章 模擬結果與討論 86
7.1.1 模組內等高分佈圖 92
7.1.1.1 速度 92
7.1.1.2 壓力 94
7.1.1.3 溫度 95
7.1.2 質傳特性 96
7.1.3 熱傳效應 98
7.1.3.1 基本個案分佈 98
7.1.3.2 介面質傳效應 100
7.1.4 關聯式比較 103
7.1.4.1 摩擦因子 103
7.1.4.2 熱發展區長度 104
7.1.4.4 局部熱傳係數 107
7.1.4.4 平均熱傳係數 109
7.1.5 熱強化效率 111
7.2 具間隔物之直接接觸式薄膜蒸餾平板模組 113
7.2.1 模組內等高分佈圖 114
7.2.1.1 速度 114
7.2.1.2 壓力 117
7.2.1.3 溫度分佈 118
7.2.2 質傳特性 119
7.2.3 熱傳效應 123
7.2.4 關聯式比較 129
7.2.4.1 摩擦因子 129
7.2.4.2 平均熱傳係數 130
7.2.4.3 熱傳效益提升係數 131
7.3 真空式薄膜蒸餾中空纖維模組 132
7.3.1 模組內等高分佈圖 133
7.3.1.1 速度 133
7.3.1.2 壓力 133
7.3.1.3 溫度 134
7.3.1.4 相體積分率 135
7.3.2 質傳特性 136
7.3.3 熱傳特性 138
7.3.4 關聯式比較 141
7.3.4.1 摩擦因子 141
7.3.4.2 平均納賽數 142
第八章 結論與建議 143
符號說明 148
參考文獻 151

圖目錄
圖1.1 薄膜蒸餾配置 3
圖1.2 薄膜介面狀態 5
圖1.3 DCMD模組內熱質傳 6
圖1.4 薄膜內之質傳 6
圖1.5 薄膜蒸餾之熱傳 8
圖2.1 粗糙面高度與分離流程度 12
圖2.2 太陽能加熱管使用不同幾何形狀粗糙面之熱流力效益比較 15
圖2.3 流體通道板 17
圖2.4 網狀間隔物 17
圖2.5 間隔物不同方位配置 20
圖2.6 三種間隔物幾何配置 21
圖2.7 間隔物之幾何參數 22
圖2.8 間隔物重複單元之定義 22
圖2.9 狹窄通道模擬範圍與邊界定義 23
圖2.10 薄膜介面邊界之定義 24
圖3.1 薄膜內之質傳機制與阻力聯結 26
圖3.2 薄膜蒸餾之熱傳與阻力聯結 29
圖3.3 複合膜結構與熱傳導阻力 30
圖4.1 粗糙面直接接觸式薄膜蒸餾模組 33
圖4.2 粗糙面製備程序與量測儀器 33
圖4.3 粗糙面照片 34
圖4.4 粗糙面突出物配置 35
圖4.5 具間格物直接接觸式薄膜蒸餾模組 39
圖4.6 最小重複單元與關節點 40
圖4.7 間隔物接觸點處理 41
圖4.8 流體區塊內銳角處處理(水力角45度個案) 42
圖4.9 殼側自由表面 45
圖4.10 中空纖維模組模擬系統 45
圖5.1 使用者定義函數(UDF)計算流程 51
圖6.1 具粗糙面通道與突出物尺寸代號 55
圖6.2 R0模組網格 61
圖6.3 R24模組網格 62
圖6.4 R44模組網格 63
圖6.5 具間隔物通道區塊定義 67
圖6.6 具間隔物通道網格無關化模擬系統 70
圖6.7 θ=90度,Lm=8mm 間隔物系統部分個案之網格 72
圖6.8 θ=45度,Lm=11mm 間隔物系統部分個案之網格 74
圖6.9 L8T90模組網格 76
圖6.10 L11T45模組網格 77
圖6.11 WOS模組網格 78
圖6.12 具間隔物模組直接接觸式薄膜蒸餾實驗結果 80
圖6.13 非重疊網狀間隔物結構 81
圖6.14 中空纖維真空式薄膜蒸餾模組模擬系統 82
圖6.15 真空式薄膜蒸餾中空纖維模組網格 84
圖7.1 溫度邊界層與熱發展區示意圖 87
圖7.2 具粗糙面通道基本個案x-z剖面(y=0.5Wch)之速度等高線圖 92
圖7.3 具粗糙面通道基本個案x-z剖面(y=0.5Wch)近突出物之流線分佈 93
圖7.4 具粗糙面通道基本個案x-z剖面(y=0.5Wch)近突出物之等速度流場 93
圖7.5 具粗糙面基本個案x-z剖面(y=0.5Wch)之壓力等高線圖 94
圖7.6 具粗糙面通道基本個案x-z剖面(y=0.5Wch)之溫度等高線圖 95
圖7.7 具粗糙面通道進口流量對模組平均質傳通量之影響 96
圖7.8 具粗糙面通道基本個案質傳通量縱向分佈 97
圖7.9 R44通道基本個案溫度縱向分佈 98
圖7.10 具粗糙面通道基本個案溫度極化係數縱向分佈 99
圖7.11 具粗糙面通道基本個案之熱傳通量縱向分佈 99
圖7.12 具粗糙面通道基本個案熱傳係數縱向分佈 99
圖7.13 具粗糙面通道介面質傳效應-溫度 101
圖7.14 介面質傳效應-透膜熱傳通量與溫度極化係數 102
圖7.15 具粗糙面通道介面質傳效應-熱傳係數 102
圖7.16 具粗糙面通道基本個案摩擦因子模擬結果與關聯式之比較 103
圖7.17 具粗糙面通道基本個案摩擦因子模擬結果與關聯式之比較-介面質傳效應 104
圖7.18 具粗糙面通道熱發展區長度模擬結果與關聯式之比較 106
圖7.19 具粗糙面通道熱發展區長度模擬結果-順逆流配置 106
圖7.20 具粗糙面通道局部熱傳係數模擬結果與關聯式之比較-介面質傳效應 108
圖7.21 具粗糙面通道局部熱傳係數模擬結果與關聯式之比較-順逆流配置效應 109
圖7.22 具粗糙面通道模組平均熱傳係數模擬結果 110
圖7.23 R24通道之熱強化效率 112
圖7.24 R44通道之熱強化效率 112
圖7.25 L8T90通道流體流動路徑示意圖 114
圖7.26 L11T45通道流體流動路徑示意圖 115
圖7.27 L8T90通道基本個案之速度分佈 116
圖7.28 L11T45通道基本個案之速度分佈 116
圖7.29 L8T90與L11T45通道基本個案之壓力分佈 117
圖7.30 L8T90與L11T45通道基本個案之溫度分佈 118
圖7.31 間隔物通道基本個案之局部質傳通量 119
圖7.32 間隔物通道之平均質傳通量隨進料速度之變化 120
圖7.33 具間隔物通道之質傳通量與膜面剪應力分佈 122
圖7.34 具間隔物通道之功率數隨雷諾數之變化 122
圖7.35 具間隔物通道基本個案之溫度與溫度極化係數分佈 125
圖7.36 具間隔物通道基本個案之熱傳通量分佈 125
圖7.37 具間隔物通道基本個案之局部熱傳係數分佈 127
圖7.38 具間隔物通道平均熱傳係數隨雷諾數之變化 127
圖7.39 具間隔物通道摩擦因子模擬結果與關聯式之比較 129
圖7.40 具間隔物通道熱傳係數模擬結果與關聯式之比較 130
圖7.41 真空式薄膜蒸餾模組基本個案速度等高分佈 133
圖7.42 真空式薄膜蒸餾模組基本個案壓力等高分佈 134
圖7.43 真空式薄膜蒸餾模組基本個案溫度等高分佈 134
圖7.44 真空式薄膜蒸餾模組基本個案相體積分率等高分佈 135
圖7.45 真空式薄膜蒸餾模組基本個案質傳通量縱向分佈 136
圖7.46 真空式薄膜蒸餾模組操作條件對平均質傳通量之影響 138
圖7.47 真空式薄膜蒸餾模組基本個案熱傳特性縱向分佈 140
圖7.48 真空式薄膜蒸餾模組摩擦因子模擬值與關聯式之比較 141
圖7.49 真空式薄膜蒸餾模組納賽數模擬值與關聯式之比較 142

表目錄
表1.1薄膜蒸餾優缺點 2
表4.1粗糙面尺寸設定 36
表4.2粗糙面直接接觸式薄膜蒸餾模組規格與薄膜特性 37
表4.3具間隔物之直接接觸式薄膜蒸餾模組模擬個案 42
表4.4具間隔物直接接觸式薄膜蒸餾模組規格與薄膜特性 43
表4.5中空纖維模組規格與薄膜特性 46
表5.1求解設定 53
表6.1 R0通道基本個案網格尺寸 55
表6.2 R24通道基本個案網格尺寸 56
表6.3 R44通道基本個案網格尺寸 56
表6.4 R0網格無關化分析個案 58
表6.5 R0通道網格無關化分析結果 58
表6.6 R24網格無關化分析個案 59
表6.7 R24通道網格無關化分析結果 59
表6.8 R44網格無關化分析個案 60
表6.9 R44通道網格無關化分析結果 60
表6.10 R0通道之模擬與實驗結果比較 65
表6.11 R24通道之模擬與實驗結果比較 65
表6.12 R44通道之模擬與實驗結果比較 66
表6.13 具間隔物通道網格資訊 68
表6.14 無間隔物通道(WOS)網格尺寸 68
表6.15 θ=90度,Lm=8mm 間隔物系統間隔物區塊(Volume 2)網格無關化分析個案與結果 70
表6.16 θ=90度,Lm=8mm 間隔物系統平滑區塊(Volumes 1&3)網格無關化分析個案與結果 71
表6.17 θ=45度,Lm=11mm 間隔物系統間隔物區塊(Volume 2)網格無關化分析個案與結果 73
表6.18 θ=45度,Lm=11mm間隔物系統平滑區塊(Volumes 1&3)網格無關化分析個案與結果 73
表6.19 無間隔物通道高度方向網格無關化分析個案 75
表6.20 無間隔物通道高度方向網格無關化分析結果 75
表6.21 無間隔物通道實驗與模擬結果之比較 80
表6.22 具間隔物通道實驗與模擬結果之比較 80
表6.23 中空纖維真空式薄膜蒸餾模組基本個案網格繪製 82
表6.24 真空式薄膜蒸餾中空纖維模組網格無關化分析個案 83
表6.25 真空式薄膜蒸餾中空纖維模組網格無關化分析結果 83
表6.26 中空纖維真空式薄膜蒸餾模組之模擬與實驗結果 85
表7.1 層流摩擦因子關聯式 87
表7.2 邊界層發展區長度關聯式 88
表7.3 文獻熱傳關聯式 89
表7.4 具粗糙面直接接觸式模組之模擬個案 91
表7.5 熱發展區長度與質傳量貢獻 97
表7.6 具粗糙面通道基本個案之薄膜熱傳導熱量與總熱傳量比值 100
表7.7 具粗糙面通道熱發展區長度模擬結果與關聯式之比較 105
表7.8 具粗糙面通道模組平均熱傳係數模擬結果 111
表7.9 具間隔物之模擬個案 113
表7.10 具間隔物通道模擬個案之雷諾數與平均熱傳係數 128
表7.11 具間隔物通道基本個案之薄膜熱傳導熱量與總熱傳量比值 128
表7.12 熱傳效益提升係數模擬結果與關聯式之比較 132
表7.13 真空式薄膜蒸餾模組模擬個案 132
參考文獻 Ahmad,A.L., Lau,K.K., Abu Bakar., M.Z., “Impact of different spacer filament geometries on concentration polarization control in narrow membrane channel,”Journal of Membrane Science, 262, 138-152, 2005.
Al-Sharif,S., Albeirutty,M., Cipollina,A., Micale., G.,“Modelling flow and heat transfer in spacer-filled membrane distillation channels using open source CFD code,”Desalination, 311, 103-112, 2013.
Bird, R.B., Stewart, W.E., Lightfoot, E.N., Transport phenomena, Wiley, New York, 1960.
Camacho,L.M., Dumee,L., Zhang,J., Li, J., Duke, M., Gomez,J., Gray, S., “Advances in membrane distillation for water desalination and purification applications,” Water, 5, 94-196, 2013.
Cao,Z., Wiley,D.E., Fane, A.G., “CFD simulations of net-type turbulence promoters in a narrow channel,”Journal of Membrane Science, 185, 157-176, 2001.
Chernyshov, M.N., Meindersma, G.W., Haan de, A.B.,“Comparison of spacers for temperature polarization reduction in air gap membrane distillation,” Desalination, 183, 363-374,2005.
DaCosta,A.R., Fane, A.G., Fell, C.J.D., Fraken, A.C.M., “Optimal channel spacer design for ultrafiltration,”Journal of Membrane Science, 62, 275-291, 1991.
DaCosta,A.R., Fane, A.G., Wiley, D.E., “Spacer characterization and pressure drop modeling inspacer-filled channels for ultrafiltration,”Journal of Membrane Science,87, 79-98, 1994.
Fane, A.G.,Schofield, R.W.,Fell, C.J.D.,“The efficient use of energy in membrane distillation,”Desalination, 64, 231-243, 1987.
Fan,H.W.,Peng,Y.L.,“Application of PVDF membranes in desalination and comparison of the VMD and DCMD processes,”Chemical Engineering Science, 79,94-102, 2012.
Fimbres-Weihs, G.A., Wiley, D.E., “Review of 3D CFD modeling of flow and mass transfer in narrow spacer-filled channels in membranemodules,”Chemical Engineering and Processing, 49, 759-781,2010.
Gawande, V.B.,Dhoble,A.S., Zodpe, D.B., “Effectofroughnessgeometriesonheattransferenhancementin solarthermalsystems – A review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 32, 347-378, 2014.
Glatzel, W.D., Tomaz, M.C., “The effect of turbulence promoters on heat transfer and pressure drop in plate heat exchanger,” CSIR Special Report CHEM, 53, 1966.
Ho, C.D., Chang, H., Chang, C.L., “Theoretical and experimental studies of performance enhancement with roughened surface in direct contact membrane distillation desalination,” Journal of Membrane Science,433, 160-166, 2013.
Khayet, M., Velazquez, A., Mengual, J.I., “Modelling mass transport through a porous partition: Effect of pore size distribution,”Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics, 29, 279-299, 2005.
Lawson, K.W., Lloyd, D.R., “Membrane distillation,” Journal of Membrane Science, 124, 1-25, 1997.
Lewis, M.J., “Optimizingthethermohydraulicperformanceofroughsurfaces,”International Journal of Heat and Mass Transfer, 18, 1243-1248, 1975.
Li,F., Meindersma,W., Haan de,A.B., Reith, T., “Experimental validation of CFD mass transfer simulations in flat channels with non-woven net spacers,”Journal of Membrane Science, 232, 19-30, 2004.
Li,F., Meindersma,W., Haan de,A.B.,Reith, T., “Novel spacers for mass transfer enhancement in membrane separations,”Journal of Membrane Science, 253, 1-12, 2005.
Li,Y.L., Tung, K.L., “CFD simulation of fluid flow through spacer-filledmembrane module: selecting suitable cell typesfor periodic boundary conditions,”Desalination, 233, 351-358, 2008.
Martinez-Diez, L., Vazquez-Gonzalez, M.I., Florido-Diaz, F.J., “Study of membrane distillation using channel spacers,”Journal of Membrane Science, 144, 45-56, 1998.
Martinez,L.,Rodriguez-Maroto,J.M.,“Membrane thickness reduction effects on direct contact membrane distillation performance,”Journal of Membrane Science, 312,143-156, 2008.
Mason, E.A.,Malinauskas, A.P.,Gas transport in porous media: the dusty-gas model, Elsevier, Amsterdam, 1983.
Perry, A.E., Schofield, W.H., Joubert, P.N., “Rough wall turbulent boundary layers,”Journal of Fluid Mechanics, 37, 383-413, 1969. 
Phattaranawik, J.,Jiraratananon, R., Fane, A.G., Halim, C.,“Mass flux enhancement using spacer filled channels in direct contact membrane distillation,”Journal of Membrane Science, 187, 193-201, 2001.
Phattaranawik, J.,Jiraratananon, R., Fane, A.G., “Heat transport and membrane distillation coefficients in direct contact membrane distillation,”Journal of Membrane Science, 212, 177-193, 2003a.
Phattaranawik, J., Jiraratananon, R., Fane, A.G., “Effect of pore size distribution and air flux on mass transport in direct contact membrane distillation,”Journal of Membrane Science, 215, 75-85, 2003b.
Phattaranawik, J., Jiraratananon, R., Fane, A.G., “Effects of net type spacers on heat and mass transfer in direct contact membrane distillation and comparison with ultrafiltration studies,”Journal of Membrane Science, 217, 193-206,2003c.
Schwinge, J., Wiley, D.E., Fane, A.G., Guenther, R.,“Characterization of a zigzag spacer for ultrafiltration,”Journal of Membrane Science, 172, 19-31, 2000.
Shakaib,M., Haq,M.E., Ahmed,I., Yunus,R.M.,“Modeling the Effect of Spacer Orientation onHeat Transfer in Membrane Distillation,”World Academy of Science, Engineering and Technology, 72, 279-282, 2010.
Shirazian,S., Moghadassi,A., Moradi, S.,“Numerical simulation of mass transfer in gas–liquid hollow fibermembrane contactors for laminar flow conditions,”Simulation Modelling Practice and Theory, 17, 708-718, 2009.
Shock, G., Miquel, A.,“Mass transfer and pressure loss in spiral wound modules,” Desalination, 64, 339-352, 1987.
Tang, N., Zhang, H., Wang, W., “Computational fluid dynamics numerical simulation of vacuum membrane,” Desalination, 274, 120-129, 2011.
Webb, R.L., Eckert, R.G., Goldstein, R.J., “Heat transfer and friction in tubes with repeated-rib roughness,”International Journal of Heat and Mass Transfer, 14, 601-617, 1971.
Yang,X., Yu,H., Wang,R., Fane,A.G.,“Analysis of the effect of turbulence promoters in hollowfiber membrane distillation modules by computational fluid dynamic (CFD) simulations,”Journal of Membrane Science,415-416, 758-769, 2012.
Yu,H., Yang,X., Wang,R., Fane, A.G., “Numerical simulation of heat and mass transfer in direct membrane distillationin a hollow fiber module with laminar flow,”Journal of Membrane Science, 384, 107-116, 2011.
Yu,H., Yang,X., Wang,R., Fane, A.G.,“Analysis of heat and mass transfer by CFD for performance enhancement indirect contact membrane distillation,”Journal of Membrane Science, 405-406, 38-47, 2012.
Zhang, J.H.,Li,J.D., Duke,M., Hoang,M., Xie, Z.L., Groth,A.,Tun, C., Gray, S.,“Modelling ofvacuummembranedistillation,”Journal ofMembraneScience, 434, 1-9, 2013.
呂紹綱, 真空式薄膜蒸餾之研究-模組性能與系統最佳化, 淡江大學碩士論文, 2011.
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