氯化锂溶液液滴真空闪蒸过程温度分布特性研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海海事大学商船学院 作者:高文忠

  除湿溶液再生是维持除湿过程持续进行的必备条件,其效率直接影响整个系统的性能。以常用除湿溶液氯化锂为研究对象,在理论分析其液滴闪蒸过程表面温度的变化基础上,进行了实验测试分析。实验结果表明,典型工况下,液滴中心温度和外表面温度变化趋势基本一致,但整个过程两者温度互有高低;绝对压力是影响闪蒸速度的核心因素,压力越低,闪蒸越强烈;在无辐射换热时,液滴初始温度对蒸发所能达到的最低温度影响较小,辐射热对液滴闪蒸过程蒸发强度和热量传递的影响较为显著,不容忽视;液滴闪蒸模型适应于无辐射热影响的绝热闪蒸过程,而兼有辐射热的闪蒸过程则需要对计算结果进行修正。

  基于世界范围内能源紧张的宏观背景,以废热、余热及太阳能为驱动热源的溶液除湿空调近年来得到快速发展。再生器作为循环利用除湿溶液的核心设备之一,其热质传递性能的优劣直接关系到整个系统除湿能力的发挥及运行安全。

  基于绝热交换装置的高效性,近年来对其热质传递性能的研究较多,如Goswami等先后实验测试以三甘醇溶液和氯化锂溶液为吸湿剂的逆流填料塔式除湿器与再生器的性能;赵云以太阳能作为驱动热源,实验研究了采用氯化钙溶液、螺旋网状填料的逆流填料塔的再生热质传递过程;Lof等和Patnaik等以热空气作为再生热源的再生实验中,空气出口含湿量与溶液出口等效含湿量会出现高于二者进口状态的情况;殷勇高实验了带有内部加热的绝热再生器,结果表明二次加热既可以提高传质效率还能提高传热效率。Gandhidsan测试了热源与填料式再生器内水分蒸发速率的相互关系。另外,叉流多级再生的热质传递过程也取得了一些研究成果。鉴于绝热再生过程水分蒸发使再生溶液温度降低,导致溶液和空气的水蒸汽分压力差减小,从而弱化了它们之间的热质传递驱动力,部分学者采用中间再热的方式,或者使用在溶液中添加乳化相变材料的方法维持其较高的传质驱动力,和绝热过程相比,可提高热质传递效率20%左右。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为以上研究均在常压下通过采取多种措施,促进再生效率的提升。作者在前人研究的基础上,采用闪蒸的方法再生稀溶液,即当液滴从饱和或过冷状态突然降到过热状态,或者对其加热使液滴温度突然高出其饱和温度一定范围,液滴就会发生闪蒸,溶液中的水分就是蒸发脱离溶液,该过程剧烈、高效。在其他领域已经对液滴的闪蒸有了一定的研究基础,如Shepherd、Avedisian等将有机液滴悬浮在不易混合的流体中,在很大的过热温度范围内,清晰观察到液滴内部沸腾且完整的图像;Owen观察了悬挂在热电偶上液滴的形态变化,并研究了其基本特性。理论角度,Shin.HT采用扩散控制蒸发模型对液滴结冰过程的温度响应进行了理论结算,获得了其相应过程性质;IsaoSatoh使用突然降压的方式获得了液滴温度由闪蒸降温、结冰升温到冰粒继续降温的过程,建立了相应的理论过程模型。张世伟等研究了液体物料真空蒸发冻结过程中出现的暴沸、过冷、冻结等实验现象,在分析溶液由液相表面蒸发为汽相、由冻干室向冷阱室流动迁移、在冷凝器上凝结的全过程的基础上,建立了相应的动力学模型。

  以上研究成果为氯化锂液滴闪蒸特性研究提供了一定的借鉴。作者采用理论分析结合实验求解的方法,分析影响闪蒸过程静态液滴中心和表面温度分布变化规律,探讨影响氯化锂溶液闪蒸强度及温度变化的因素以及数学模型的适应性,为进一步研究液滴雾化场闪蒸机理奠定基础。

 1、液滴真空闪蒸过程温度变化理论分析

  1.1、理想计算模型

  基于简化计算的考虑,突出液滴真空闪蒸过程的温度与压力变化特征,视闪蒸过程处于准平衡状态,并做如下合理假设:①闪蒸过程中液滴始终为球状;②水蒸汽及空气均视为理想气体;③液滴内部无热阻,内部温度始终相同;④蒸发只在液滴表面进行;⑤蒸发室内压力、温度始终保持不变;⑥忽略辐射引起的传热作用。液滴闪蒸模型如图1所示。其中a为闪蒸液滴半径;r为计算模型的半径,取值范围由0至∞;ρg为液滴周围水蒸汽密度;Dv为水蒸汽扩散率。另外,图中外层虚线是模型的虚拟边界,内层实线是液滴的真实边界。

  当液滴的体积足够小,在一个无限的空间里,引起液滴温度变化的主要有两个因素。一是由于液滴本身汽化而引起的潜热损失,二是由液滴表面和环境温差引起的热传递。当雾化液滴小于100μm,则可忽略液滴中的自然对流作用及传热热阻,并将液滴本身看作一个整体,传热只发生在液滴表面。

液滴闪蒸模型

 图1 液滴闪蒸模型

 6、结论

  本文在理论分析氯化锂液滴闪蒸温度变化特性的基础上,实验探讨了其典型工况下的温度分布、绝对压力对液滴温度变化和蒸发强度的影响以及液滴温度与闪蒸强度的关系,并对比分析了数学计算模型的适应性,得出主要结论如下:

  (1)典型工况下,液滴中心温度和表面温度变化趋势基本一致,即为突然降低而后缓慢回升的过程。但整个过程两者温度互有高低。

  (2)绝对压力是影响闪蒸速度的重要因素,压力越低,闪蒸越强烈,在蒸发起始瞬间所能达到的最低温度也越低,液滴中溶质析出越早,液滴蒸发完毕的时间越短。

  (3)在无辐射换热时,液滴初始温度对蒸发所能达到的最低温度影响较小,即其显热作用可以忽略不计。而辐射热对液滴闪蒸过程蒸发强度和热量的影响较为显著,不容忽视。

  (4)液滴闪蒸模型适应于无辐射热影响的绝热闪蒸过程,而兼有辐射的闪蒸过程则需要进行修正。

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