Μελέτη φαινομένων μεταφοράς σε στοιχεία μεμβρανών αφαλάτωσης
Creators: name: Κουτσού, Χρυσαφένια Π.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2007
Subjects: Τεχνολογία μεμβρανών
Στοιχεία σπειροειδούς μορφής
Γεωμετρία πλεγμάτων
Διαμόρφωση πεδίου ροής, μεταφορά μάζας
Υπολογιστική ρευστοδυναμική
Membrane technology
Spirally wound elements
Spacer geometry
Flow field development/mass transfer
Computational fluid dynamics

description: Στην παρούσα διδακτορική διατριβή περιγράφεται θεωρητική και πειραματική μελέτη των φαινομένων μεταφοράς που λαμβάνουν χώρα στα στοιχεία σπειροειδούς μορφής, που χρησιμοποιούνται ευρέως στις διεργασίες αφαλάτωσης και επεξεργασίας νερού με μεμβράνες. Τα παραπάνω στοχεία διαθέτουν ένα πολυμερικό υλικό, με τη μορφή πλέγματος, το οποίο τοποθετείται μεταξύ των γειτονικών φύλλων των μεμβρανών και δημιουργεί το απαραίτητο διάκενο για την κυκλοφορία του νερού της τροφοδοσίας. Τα πλέγματα αυτά προάγουν την ανάπτυξη τυρβώδους κατάστασης και αυξάνουν τις διατμηματικές τάσεις επάνω στην επιφάνεια της μεβράνης, έχοντας σαν αποτέλεσμα τη μείωση των ανεπιθύμητων φαινομένων της πόλωσης συγκέντρωσης και της ρύπανσης των μεμβρανών. Αποτέλεσμα της παραπάνω λειτουργίας των πλεγμάτων είναι η βελτίωση των συντελεστών μεταφοράς μάζας. Εντούτοις, τα πλάγματα αυτά συντείνουν στην αύξηση της πτώσης πίεσης και στη δημιουργία ζωνών περιορισμένης ροής. Η παρούσα διατριβή έχει σκοπό τη μελέτη της επίδρασης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των πλεγμάτων στα ρευστοδυναμικά χαρακτηριστικά και στη μεταφορά μάζας των στοιχείων σπειροειδούς μορφής και τον προσδιορισμό των πλεγμάτων που με την κατά το δυνατόν μικρότερη πτώση πίεσης. Τα πλέγματα που εξετάσονται αποτελούνται από δύο επάλληλες σειρές, παράλληλων μεταξύ τους κυλινδρικών ινών, οι οποίες "τέμνονται" υπό ορισμένη γωνία και βρίσκονται σε επαφή και με τις δύο επιφάνειες της μεμβράνης. Το πεδίο ροής και η μεταφορά μάζας στις παραπάνω περίπλοκες γεωμετρίες, καθορίζεται από φυσικές και γεωμετρικές παραμέτρους, όπως οι αριθμοί Reynolds και Schmidt, η διάμετρος των κυλινδρικών ινών D, η μεταξύ τους απόσταση L, η γωνία "τομής" τους β, καθώς επίσης και η γωνία της κύριας κατεύθυνσης της ροής α. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν διδιάστατες και τρισδιάστατες προσομοιώσεις της ροής και της μεταφοράς μάζας, που λαμβάνει χώρα μέσα σε κανάλι με ένθετο πλέγμα. Στις προσομοιώσεις αυτές έγινε απ'ευθείας επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes, χωρίς τη χρησιμοποίηση κάποιου προσεγγιστικού μοντέλου τύρβης. Η περιοχή αριθμών Reynolds που καλύφθηκε είναι τυπική της λειτουργίας των στοιχείων σπειροειδούς μορφής και ταυτόχρονα μελετήθηκαν καινούργια γεωμετρικά χαρακτηριστικά πλέγματος
description: In the present PhD thesis, a theoretic and experimental study of transport phenomena, in spirally wound desalination membrane elements, is described. These elements are equired with a polymeric material, which is called spacer, and it is placed between neighbouring membrane leaves, creating the necessary spacing for the feed water flow. In addition, these spacers enhance turbulence development and increase shear stressers at the channel walls, resulting in the reduction of the undesirable phenomena of concentration polarization and membrane fouling. As a consequence mass transfer coefficients are increased. At the same time spacers contribute to the increase of pressure drop and in the creation of dead flow areas. The objective of this work is the study of spacer geometry impact, on the flow field development and mass transfer, which take place in spiral wound elements and the optimization of spacer geometry in terms of high mass transfer coefficients and shear stress in low pressure drop. The examined spacers consist of two successive rows of parallel with each other cylinders, which intersect at a certain angle and are in touch with the two membrane surfaces. Flow field and mass transfer in these complicated geometries is defined by phusical and geometrical parameters, like Reynolds and Schmidt numbers, cylinders diameter(D), the distance between the cylinders(L), the intersection angle(β), as well as the orientation angle of spacer towards the direction of the mean flow(a). For this purpose, two and three dimensional simulations of the flow field and mass transfer in spacer-filled channels have been performed. Direct numerical simulations of the Navier-Stokes, continuity and mass balance equations is performed without adopting any turbulence model. The covered Reynolds number area is typical of the spiral wound elements operations and at the same time new spacer geometries are examined