氯化鋰溶液液滴真空閃蒸過程溫度分布特性研究

2014-04-10 高文忠上海海事大學商船學院

　　除濕溶液再生是維持除濕過程持續進行的必備條件，其效率直接影響整個系統的性能。以常用除濕溶液氯化鋰為研究對象，在理論分析其液滴閃蒸過程表面溫度的變化基礎上，進行了實驗測試分析。實驗結果表明，典型工況下，液滴中心溫度和外表面溫度變化趨勢基本一致，但整個過程兩者溫度互有高低；絕對壓力是影響閃蒸速度的核心因素，壓力越低，閃蒸越強烈；在無輻射換熱時，液滴初始溫度對蒸發所能達到的最低溫度影響較小，輻射熱對液滴閃蒸過程蒸發強度和熱量傳遞的影響較為顯著，不容忽視；液滴閃蒸模型適應于無輻射熱影響的絕熱閃蒸過程，而兼有輻射熱的閃蒸過程則需要對計算結果進行修正。

　　基于世界范圍內能源緊張的宏觀背景，以廢熱、余熱及太陽能為驅動熱源的溶液除濕空調近年來得到快速發展。再生器作為循環利用除濕溶液的核心設備之一，其熱質傳遞性能的優劣直接關系到整個系統除濕能力的發揮及運行安全。

　　基于絕熱交換裝置的高效性，近年來對其熱質傳遞性能的研究較多，如Goswami等先后實驗測試以三甘醇溶液和氯化鋰溶液為吸濕劑的逆流填料塔式除濕器與再生器的性能；趙云以太陽能作為驅動熱源，實驗研究了采用氯化鈣溶液、螺旋網狀填料的逆流填料塔的再生熱質傳遞過程；Lof等和Patnaik等以熱空氣作為再生熱源的再生實驗中，空氣出口含濕量與溶液出口等效含濕量會出現高于二者進口狀態的情況；殷勇高實驗了帶有內部加熱的絕熱再生器，結果表明二次加熱既可以提高傳質效率還能提高傳熱效率。Gandhidsan測試了熱源與填料式再生器內水分蒸發速率的相互關系。另外，叉流多級再生的熱質傳遞過程也取得了一些研究成果。鑒于絕熱再生過程水分蒸發使再生溶液溫度降低，導致溶液和空氣的水蒸汽分壓力差減小，從而弱化了它們之間的熱質傳遞驅動力，部分學者采用中間再熱的方式，或者使用在溶液中添加乳化相變材料的方法維持其較高的傳質驅動力，和絕熱過程相比，可提高熱質傳遞效率20%左右。真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為以上研究均在常壓下通過采取多種措施，促進再生效率的提升。作者在前人研究的基礎上，采用閃蒸的方法再生稀溶液，即當液滴從飽和或過冷狀態突然降到過熱狀態，或者對其加熱使液滴溫度突然高出其飽和溫度一定范圍，液滴就會發生閃蒸，溶液中的水分就是蒸發脫離溶液，該過程劇烈、高效。在其他領域已經對液滴的閃蒸有了一定的研究基礎，如Shepherd、Avedisian等將有機液滴懸浮在不易混合的流體中，在很大的過熱溫度范圍內，清晰觀察到液滴內部沸騰且完整的圖像；Owen觀察了懸掛在熱電偶上液滴的形態變化，并研究了其基本特性。理論角度，Shin.HT采用擴散控制蒸發模型對液滴結冰過程的溫度響應進行了理論結算，獲得了其相應過程性質；IsaoSatoh使用突然降壓的方式獲得了液滴溫度由閃蒸降溫、結冰升溫到冰粒繼續降溫的過程，建立了相應的理論過程模型。張世偉等研究了液體物料真空蒸發凍結過程中出現的暴沸、過冷、凍結等實驗現象，在分析溶液由液相表面蒸發為汽相、由凍干室向冷阱室流動遷移、在冷凝器上凝結的全過程的基礎上，建立了相應的動力學模型。

　　以上研究成果為氯化鋰液滴閃蒸特性研究提供了一定的借鑒。作者采用理論分析結合實驗求解的方法，分析影響閃蒸過程靜態液滴中心和表面溫度分布變化規律，探討影響氯化鋰溶液閃蒸強度及溫度變化的因素以及數學模型的適應性，為進一步研究液滴霧化場閃蒸機理奠定基礎。

1、液滴真空閃蒸過程溫度變化理論分析

　　1.1、理想計算模型

　　基于簡化計算的考慮，突出液滴真空閃蒸過程的溫度與壓力變化特征，視閃蒸過程處于準平衡狀態，并做如下合理假設：①閃蒸過程中液滴始終為球狀；②水蒸汽及空氣均視為理想氣體；③液滴內部無熱阻，內部溫度始終相同；④蒸發只在液滴表面進行；⑤蒸發室內壓力、溫度始終保持不變；⑥忽略輻射引起的傳熱作用。液滴閃蒸模型如圖1所示。其中a為閃蒸液滴半徑；r為計算模型的半徑，取值范圍由0至∞；ρg為液滴周圍水蒸汽密度；Dv為水蒸汽擴散率。另外，圖中外層虛線是模型的虛擬邊界，內層實線是液滴的真實邊界。

　　當液滴的體積足夠小，在一個無限的空間里，引起液滴溫度變化的主要有兩個因素。一是由于液滴本身汽化而引起的潛熱損失，二是由液滴表面和環境溫差引起的熱傳遞。當霧化液滴小于100μm，則可忽略液滴中的自然對流作用及傳熱熱阻，并將液滴本身看作一個整體，傳熱只發生在液滴表面。

液滴閃蒸模型