盐水液滴真空蒸发过程的热力学研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华北电力大学 作者:刘璐

  基于质量与能量守恒原理、热力学理论和相变传热传质原理,建立了单个盐水液滴真空蒸发过程的数学模型,对比理论模拟结果与实验数据,验证了模型的有效性。通过模型计算探讨了液滴的无量纲面积,液滴内部浓度分布和温度分布随时间的变化,理论分析了盐水液滴真空蒸发过程中温度变化的影响因素。结果表明,抽真空过程中,盐水液滴内部存在显著温差,而浓度梯度很小。最终环境压力、液滴初始盐分浓度和初始直径对温度变化影响显著; 而液滴初始温度对真空蒸发过程影响很小。真空蒸发的基本原理是利用抽真空降压而使液体相变蒸发,盐水溶液的真空蒸发过程广泛的应用于海水淡化和工业脱盐领域,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为研究单个盐水液滴真空蒸发过程的温度变化对闪蒸蒸发器的设计具有重要的参考价值。

  液滴的真空蒸发是一个传热传质的耦合迁移过程。到目前为止,已有众多学者对真空蒸发过程进行了实验和理论研究。Owen、Satoh、刘伟民采用热电偶悬挂法实验研究了纯水液滴真空蒸发过程的形态和温度变化规律。时圣店实验研究了真空蒸发冷凝制备超细Cu 粉的方法和规律,获得了蒸发温度、真空度、保温时间和冷凝条件对Cu 粉粒度和形貌的影响规律。理论研究方面,Kim利用扩散蒸发控制模型分析了水滴真空蒸发过程中的热质交换; 章学来对水滴的真空闪蒸/冷冻过程建立数学模型,预测温度变化过程; 张世伟对纯水真空蒸发冻结过程建立了集总参数热力学模型,获得了整个过程的质量、温度、压力-时间曲线。然而目前针对盐水液滴的真空蒸发过程研究较少。Gopalakrishna、Zhang对盐水溶液的真空蒸发过程进行了实验和理论研究,分析了初始液膜浓度、液膜高度和过热度对蒸发过程中液膜温度及非平衡度的影响。骆骞针对盐水液滴真空蒸发过程的温度变化进行了实验研究,分析了最终环境压力、液滴浓度、初始温度和初始直径的影响。

  现有文献对液滴真空蒸发过程的研究主要集中于纯水液滴,而对盐水液滴真空蒸发热力学过程的理论研究较少。盐水液滴的真空蒸发机理较纯水液滴更为复杂,还涉及到内部的组分扩散。在本人的前期工作中对纯水液滴的真空蒸发过程建立了数学模型,实验获得了盐水液滴真空蒸发过程的温度变化。本文在文献工作的基础上,针对盐水液滴的真空蒸发过程开展理论研究,建立了相应的数学模型。模型考虑了液滴内部的温度梯度和浓度梯度,通过与实验测量液滴温度比较,验证了模型的有效性。通过模型计算,掌握了液滴的无量纲积,内部浓度分布和温度分布随时间的变化,并分析了影响盐水液滴真空蒸发过程温度变化的主要因素。

盐水液滴真空蒸发的数学模型

  本文针对盐水液滴的真空蒸发过程建立数学模型,模型考虑了抽真空过程中测试罐内的压力变化以及由此引起的对流效应,液滴内部的温度梯度和浓度梯度,液滴表面的蒸发和对流换热。模型假设如下: ①液滴为球形,只考虑温度和浓度沿径向的变化; ②液滴表面的传热传质认为是准稳态; ③液滴表面与周围环境的辐射换热忽略不计; ④不考虑液滴表面发生的结冰或析盐过程。

结论

  本文针对盐水液滴的真空蒸发冷却过程进行分析模拟,建立了该过程的热力学模型。模型考虑了抽真空过程中的环境压力下降,液滴周围的气流运动,液滴表面的蒸发换热和对流换热,以及液滴内部的温度梯度和浓度梯度。通过模型计算获得盐水液滴真空蒸发过程中其中心温度和表面温度随时间的变化,与实验测量结果比较,两者吻合较好,从而验证了本文模型的有效性。

  采用模型计算获得了盐水液滴的无量纲面积,内部浓度分布和温度分布随时间的变化。结果表明: 抽真空的快速降压阶段,液滴的无量纲面积与时间呈现出显著的非线性。同时快速降压造成液滴表面温度迅速下降,液滴内部存在显著温差; 进入压力维持阶段后,液滴表面蒸发速度减慢,表面温度与中心温度逐渐趋于一致。而该过程中液滴内部盐分浓度的变化很小。

  通过模型计算与实验数据对比,对盐水液滴真空蒸发过程中温度变化的影响因素进行了分析。结果表明,影响液滴温度变化的主要因素有: 最终环境压力、液滴初始盐分浓度和初始直径。最终环境压力越低、液滴初始盐分浓度越小、初始直径越小,液滴蒸发速率越快,最低温度也越低。而液滴初始温度的影响很小,初始温度越高,降压阶段液滴温度下降越快,但对最低温度和回升阶段的温度变化影响不大。

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