熱流逸效應(yīng)及其作用下的氣體分離研究.pdf

1、氣體熱流逸效應(yīng)是由微通道兩側(cè)微通道冷、熱兩側(cè)的溫差驅(qū)動(dòng)而形成的氣體流動(dòng)現(xiàn)象。純氣體介質(zhì)的熱流逸效應(yīng)有一定的輸送與升壓能力;在此基礎(chǔ)之上，混合氣體的熱流逸效應(yīng)還具備一定的分離效果?？紤]熱流逸自身優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于氣體分離，一方面可充分利用工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的余（廢）熱驅(qū)動(dòng)，且無(wú)運(yùn)動(dòng)部件帶來(lái)的損耗;另一方面，靈活的結(jié)構(gòu)不僅可按需分離出不同濃度的產(chǎn)品，還可與不同工業(yè)過(guò)程有機(jī)整合。
　　本文首先探討了13種常見(jiàn)純氣體在微通道內(nèi)的熱流逸效應(yīng)，分析

2、了氣體流態(tài)、微通道結(jié)構(gòu)尺寸、氣體分子特性以及溫差對(duì)流動(dòng)的影響。研究表明，流動(dòng)在過(guò)渡流領(lǐng)域初始階段時(shí)，氣體凈質(zhì)量流量較大;流動(dòng)處于自由分子流領(lǐng)域時(shí)，氣體壓差最大;而努森數(shù)與微通道幾何系數(shù)相互耦合，當(dāng)二者分別達(dá)到2.4和1000左右時(shí)，氣體凈質(zhì)量流量衰減幅度達(dá)99％。提升微通道冷、熱兩側(cè)溫差有助于提氣體流量與壓差。其次，基于以上討論，本文以He—Ar混合氣體為例，進(jìn)一步探討了二元混合氣體的熱流逸效應(yīng)，分析了混合物摩爾比、流態(tài)、微通道結(jié)構(gòu)尺寸

3、以及溫差等對(duì)混合物整體和氣體組元自身流動(dòng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在熱流逸效應(yīng)作用下，摩爾比一定的混合物在相同條件下的整體流動(dòng)與純氣體相似，且努森數(shù)與幾何系數(shù)的耦合使得氣體凈摩爾流量在二者分別達(dá)到1.6或1000左右時(shí)同樣衰減了99％;而He與Ar氣體組元?jiǎng)t會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)差異，分子質(zhì)量較小的He會(huì)更多地流向熱端一側(cè)，而Ar會(huì)更多地流向冷腔;混合物初始摩爾比和溫差越大，組元He與Ar兩者流動(dòng)差異也越大;此外，溫差在自由分子流領(lǐng)域產(chǎn)生的影響略強(qiáng)于過(guò)渡流

4、領(lǐng)域。
　　根據(jù)以上單級(jí)微通道內(nèi)熱流逸效應(yīng)的分析，進(jìn)一步分析了多級(jí)串聯(lián)的熱流逸式氣體分離模型。研究指出，提升溫差有助于提高單級(jí)分離單元的分離度，但無(wú)法保證多級(jí)串聯(lián)后獲得超過(guò)99％的提純度;此外分離單元的逐級(jí)分離度有一定差異，但變化幅度較小。
　　最后，結(jié)合常規(guī)熱驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)，以分離焦?fàn)t煤氣制H2為例，設(shè)計(jì)了一種余（廢）熱驅(qū)動(dòng)的熱流逸式氣體分離系統(tǒng)，提出了氣體分離系統(tǒng)的單位能耗模型。研究表明，氣體分離系統(tǒng)的單位產(chǎn)品能耗與分離單