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(shù)學(xué)模型，對(duì)比理論模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了模型的有效性。通過(guò)模型計(jì)算探討了液滴的無(wú)量綱面積，液滴內(nèi)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(jié)果表明，抽真空過(guò)程中，鹽水液滴內(nèi)部存在顯著溫差，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(duì)溫度變化影響顯著; 而液滴初始溫度對(duì)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(yīng)用于海水淡化和工業(yè)脫鹽領(lǐng)域，真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認(rèn)為研究單個(gè)鹽水液滴真空蒸發(fā)過(guò)程的溫度變化對(duì)閃蒸蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)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(duì)真空蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。Owen、Satoh、劉偉民采用熱電偶懸掛法實(shí)驗(yàn)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(guī)律。時(shí)圣店實(shí)驗(yàn)研究了真空蒸發(fā)冷凝制備超細(xì)Cu 粉的方法和規(guī)律，獲得了蒸發(fā)溫度、真空度、保溫時(shí)間和冷凝條件對(duì)Cu 粉粒度和形貌的影響規(guī)律。理論研究方面，Kim利用擴(kuò)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(duì)水滴的真空閃蒸/冷凍過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)溫度變化過(guò)程; 張世偉對(duì)純水真空蒸發(fā)凍結(jié)過(guò)程建立了集總參數(shù)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。然而目前針對(duì)鹽水液滴的真空蒸發(fā)過(guò)程研究較少。Gopalakrishna、Zhang對(duì)鹽水溶液的真空蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，分析了初始液膜濃度、液膜高度和過(guò)熱度對(duì)蒸發(fā)過(guò)程中液膜溫度及非平衡度的影響。駱騫針對(duì)鹽水液滴真空蒸發(fā)過(guò)程的溫度變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)液滴真空蒸發(fā)過(guò)程的研究主要集中于純水液滴，而對(duì)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(jī)理較純水液滴更為復(fù)雜，還涉及到內(nèi)部的組分?jǐn)U散。在本人的前期工作中對(duì)純水液滴的真空蒸發(fā)過(guò)程建立了數(shù)學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)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(xiàn)工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)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(yīng)的數(shù)學(xué)模型。模型考慮了液滴內(nèi)部的溫度梯度和濃度梯度，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量液滴溫度比較，驗(yàn)證了模型的有效性。通過(guò)模型計(jì)算，掌握了液滴的無(wú)量綱積，內(nèi)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(shù)學(xué)模型

　　本文針對(duì)鹽水液滴的真空蒸發(fā)過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型，模型考慮了抽真空過(guò)程中測(cè)試罐內(nèi)的壓力變化以及由此引起的對(duì)流效應(yīng)，液滴內(nèi)部的溫度梯度和濃度梯度，液滴表面的蒸發(fā)和對(duì)流換熱。模型假設(shè)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(rèn)為是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài); ③液滴表面與周?chē)�環(huán)境的輻射換熱忽略不計(jì); ④不考慮液滴表面發(fā)生的結(jié)冰或析鹽過(guò)程。

結(jié)論

　　本文針對(duì)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)�的氣流運(yùn)動(dòng)，液滴表面的蒸發(fā)換熱和對(duì)流換熱，以及液滴內(nèi)部的溫度梯度和濃度梯度。通過(guò)模型計(jì)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(yàn)測(cè)量結(jié)果比較，兩者吻合較好，從而驗(yàn)證了本文模型的有效性。

　　采用模型計(jì)算獲得了鹽水液滴的無(wú)量綱面積，內(nèi)部濃度分布和溫度分布隨時(shí)間的變化。結(jié)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(xiàn)出顯著的非線性。同時(shí)快速降壓造成液滴表面溫度迅速下降，液滴內(nèi)部存在顯著溫差; 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(nèi)部鹽分濃度的變化很小。

　　通過(guò)模型計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)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(jié)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(duì)最低溫度和回升階段的溫度變化影響不大。