鹽水液滴真空蒸發(fā)過(guò)程的熱力學(xué)研究
基于質(zhì)量與能量守恒原理、熱力學(xué)理論和相變傳熱傳質(zhì)原理，建立了單個(gè)鹽水液滴真空蒸發(fā)過(guò)程的數學(xué)模型，對比理論模擬結果與實(shí)驗數據，驗證了模型的有效性。通過(guò)模型計算探討了液滴的無(wú)量綱面積，液滴內部濃度分布和溫度分布隨時(shí)間的變化，理論分析了鹽水液滴真空蒸發(fā)過(guò)程中溫度變化的影響因素。結果表明，抽真空過(guò)程中，鹽水液滴內部存在顯著(zhù)溫差，而濃度梯度很小。最終環(huán)境壓力、液滴初始鹽分濃度和初始直徑對溫度變化影響顯著(zhù); 而液滴初始溫度對真空蒸發(fā)過(guò)程影響很小。真空蒸發(fā)的基本原理是利用抽真空降壓而使液體相變蒸發(fā)，鹽水溶液的真空蒸發(fā)過(guò)程廣泛的應用于海水淡化和工業(yè)脫鹽領(lǐng)域，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為研究單個(gè)鹽水液滴真空蒸發(fā)過(guò)程的溫度變化對閃蒸蒸發(fā)器的設計具有重要的參考價(jià)值。
液滴的真空蒸發(fā)是一個(gè)傳熱傳質(zhì)的耦合遷移過(guò)程。到目前為止，已有眾多學(xué)者對真空蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗和理論研究。Owen、Satoh、劉偉民采用熱電偶懸掛法實(shí)驗研究了純水液滴真空蒸發(fā)過(guò)程的形態(tài)和溫度變化規律。時(shí)圣店實(shí)驗研究了真空蒸發(fā)冷凝制備超細Cu 粉的方法和規律，獲得了蒸發(fā)溫度、真空度、保溫時(shí)間和冷凝條件對Cu 粉粒度和形貌的影響規律。理論研究方面，Kim利用擴散蒸發(fā)控制模型分析了水滴真空蒸發(fā)過(guò)程中的熱質(zhì)交換; 章學(xué)來(lái)對水滴的真空閃蒸/冷凍過(guò)程建立數學(xué)模型，預測溫度變化過(guò)程; 張世偉對純水真空蒸發(fā)凍結過(guò)程建立了集總參數熱力學(xué)模型，獲得了整個(gè)過(guò)程的質(zhì)量、溫度、壓力-時(shí)間曲線(xiàn)。然而目前針對鹽水液滴的真空蒸發(fā)過(guò)程研究較少。Gopalakrishna、Zhang對鹽水溶液的真空蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗和理論研究，分析了初始液膜濃度、液膜高度和過(guò)熱度對蒸發(fā)過(guò)程中液膜溫度及非平衡度的影響。駱騫針對鹽水液滴真空蒸發(fā)過(guò)程的溫度變化進(jìn)行了實(shí)驗研究，分析了最終環(huán)境壓力、液滴濃度、初始溫度和初始直徑的影響。
現有文獻對液滴真空蒸發(fā)過(guò)程的研究主要集中于純水液滴，而對鹽水液滴真空蒸發(fā)熱力學(xué)過(guò)程的理論研究較少。鹽水液滴的真空蒸發(fā)機理較純水液滴更為復雜，還涉及到內部的組分擴散。在本人的前期工作中對純水液滴的真空蒸發(fā)過(guò)程建立了數學(xué)模型，實(shí)驗獲得了鹽水液滴真空蒸發(fā)過(guò)程的溫度變化。本文在文獻工作的基礎上，針對鹽水液滴的真空蒸發(fā)過(guò)程開(kāi)展理論研究，建立了相應的數學(xué)模型。模型考慮了液滴內部的溫度梯度和濃度梯度，通過(guò)與實(shí)驗測量液滴溫度比較，驗證了模型的有效性。通過(guò)模型計算，掌握了液滴的無(wú)量綱積，內部濃度分布和溫度分布隨時(shí)間的變化，并分析了影響鹽水液滴真空蒸發(fā)過(guò)程溫度變化的主要因素。
鹽水液滴真空蒸發(fā)的數學(xué)模型
本文針對鹽水液滴的真空蒸發(fā)過(guò)程建立數學(xué)模型，模型考慮了抽真空過(guò)程中測試罐內的壓力變化以及由此引起的對流效應，液滴內部的溫度梯度和濃度梯度，液滴表面的蒸發(fā)和對流換熱。模型假設如下: ①液滴為球形，只考慮溫度和濃度沿徑向的變化; ②液滴表面的傳熱傳質(zhì)認為是準穩態(tài); ③液滴表面與周?chē)h(huán)境的輻射換熱忽略不計; ④不考慮液滴表面發(fā)生的結冰或析鹽過(guò)程。
結論
本文針對鹽水液滴的真空蒸發(fā)冷卻過(guò)程進(jìn)行分析模擬，建立了該過(guò)程的熱力學(xué)模型。模型考慮了抽真空過(guò)程中的環(huán)境壓力下降，液滴周?chē)臍饬鬟\動(dòng)，液滴表面的蒸發(fā)換熱和對流換熱，以及液滴內部的溫度梯度和濃度梯度。通過(guò)模型計算獲得鹽水液滴真空蒸發(fā)過(guò)程中其中心溫度和表面溫度隨時(shí)間的變化，與實(shí)驗測量結果比較，兩者吻合較好，從而驗證了本文模型的有效性。
采用模型計算獲得了鹽水液滴的無(wú)量綱面積，內部濃度分布和溫度分布隨時(shí)間的變化。結果表明: 抽真空的快速降壓階段，液滴的無(wú)量綱面積與時(shí)間呈現出顯著(zhù)的非線(xiàn)性。同時(shí)快速降壓造成液滴表面溫度迅速下降，液滴內部存在顯著(zhù)溫差; 進(jìn)入壓力維持階段后，液滴表面蒸發(fā)速度減慢，表面溫度與中心溫度逐漸趨于一致。而該過(guò)程中液滴內部鹽分濃度的變化很小。
通過(guò)模型計算與實(shí)驗數據對比，對鹽水液滴真空蒸發(fā)過(guò)程中溫度變化的影響因素進(jìn)行了分析。結果表明，影響液滴溫度變化的主要因素有: 最終環(huán)境壓力、液滴初始鹽分濃度和初始直徑。最終環(huán)境壓力越低、液滴初始鹽分濃度越小、初始直徑越小，液滴蒸發(fā)速率越快，最低溫度也越低。而液滴初始溫度的影響很小，初始溫度越高，降壓階段液滴溫度下降越快，但對最低溫度和回升階段的溫度變化影響不大。
