氯化钙溶液液滴真空闪蒸再生的实验研究

2014-10-27 高文忠上海海事大学商船学院

　　基于探索氯化钙除湿溶液液滴在真空闪蒸过程中的再生机理，搭建了液滴真空闪蒸特性研究的实验台。针对真空压力、液滴初始半径、初始温度、初始浓度等因素对氯化钙液滴闪蒸特性的影响，进行了多组实验研究。实验结果表明: 真空压力是影响液滴闪蒸速度的关键因素，真空压力越低液滴闪蒸速度越快，且浓缩后达到的最低温度越低；液滴初始尺寸越小，液滴达到的最低温度也越低，且达到最低温度所用时间也越短；液滴的初始温度对液滴的终态温度没有影响，较高的初始温度可以促进液滴中的水分蒸发，促进除湿溶液的再生；液滴初始浓度也是影响闪蒸效率的因素之一，溶液初始浓度高会导致闪蒸的强度下降。

　　溶液除湿空调以其节能、环保等特性受到了国内外学者的广泛关注，然而除湿后的稀溶液如何高效、低耗再生成为困扰其发展的一个关键问题。近年一些国外学者对太阳能集热/再生器进行了研究，并证实了它是一种高效、节能的再生装置，但不足之处是其再生能力大大受限于室外的空气湿度。鉴于高温高湿地区不易再生的客观因素，作者提出了一种基于现有真空闪蒸理论，将浓度较稀的除湿溶液在真空中闪蒸再生的新方法，即通过特制喷口将稀溶液雾化于真空环境，部分水分瞬间闪蒸分离并带走汽化潜热，剩余溶液得到浓缩、降温。此方法为解决除湿溶液的再生问题拓宽了新的渠道，同时具有一定的实际意义与应用价值。

　　溶液闪蒸再生即为大量单体液滴闪蒸的集中过程，液滴之间也存在热质传递、碰撞融合甚至分裂等相互影响。因此掌握单液滴闪蒸特性成为更深一步探讨溶液闪蒸特性的基本前提。在不同领域，针对不同溶液液滴的闪蒸过程，前人已经通过数值分析及实验研究进行了一些有益的探讨。Owen 等采用热电偶悬挂法对水滴闪蒸过程的基本特性变化进行了观察与研究，该方法为本文液滴真空闪蒸实验的研究提供了一定的借鉴依据。于春健等系统地研究操作压力和浓度对于盐水沸腾传热特性的影响，建立了自己的实验装置如图1 所示，给本文的实验装置提供了参考价值。Hindmarsh 等将水滴悬浮在冷空气流中进行实验，建立数学模型并预测了液滴温度变化及结冰时间。刘伟民等进行液滴结冰闪蒸实验，分析了稳态闪蒸/冻结过程中的影响因素，取得了一些研究成果，但真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为其研究的压力工况过低，且研究的工质是去离子水。

浓盐水低压沸腾特性实验流程图

图1 浓盐水低压沸腾特性实验流程图

　　在前人研究基础上，以除湿系统常用的氯化钙溶液为研究对象，搭建了除湿溶液液滴真空闪蒸再生的实验台，针对影响氯化钙溶液液滴闪蒸效果的几个因素进行了相关实验与分析。

　　理论角度看就氯化钙液滴在闪蒸观察室内的压力突降时，液滴表面的水分瞬态蒸发，同时带走了液滴主体部分的大量显热，会导致其温度急剧下降，该阶段液滴内部分布由中心到边缘呈放射状；随着闪蒸过程的不断进行，液滴内部相对运动较小，液滴尺寸也较小，传热方式以导热为主，故此阶段液滴内部分布大致为线性。另外，液滴表面热流量、液滴尺寸等均随时间变化而不断变化，故探讨液滴内部各点温度分布随时间的变化就十分棘手。

1、实验系统与实验方案

　　1.1、实验系统及测试仪器

　　本文设计的实验系统参考了杜王芳等实验方案，建立了符合氯化钙液滴真空闪蒸的实验台如图2 所示，主要由液滴真空闪蒸观察室、2XZ-4 型旋片真空泵、大真空罐、T 型热电偶、数据采集系统等组成。其中液滴真空闪蒸观察室是本实验的主要观察与测试对象，为提高观测的红外透射性，观察室选用镶有氟化钙玻璃的罐体。液滴真空闪蒸观察室与大真空罐的体积比约为1：200，液滴真空闪蒸观察室与大真空罐间、大真空罐与真空泵间均采用DN16 内嵌钢丝塑料管来连接。

　　液滴温度的测量选用铜-康铜( T 型) 热电偶，测量精度为±0.2℃；氯化钙浓度配比采用比重计测量并通过比对比重-浓度表获得，测量精度为1 kg / m³；观察室及大真空罐内的压力测量采用高精度真空计MD-GA100，静态精度为0.5%。液滴温度、真空压力等数据的采集选用Agilent34970A 在线数据采集仪，设定其每次采集的时间间隔为200ms。

液滴真空闪蒸实验的系统图

图2 液滴真空闪蒸实验的系统图

　　1.2、实验步骤

　　首先用0.4 mm × 14 mm 的注射器将氯化钙溶液液滴注射在T 型热电偶节点丝上，液滴靠张力作用悬挂，然后采用蝴蝶螺纹及镶有氟化钙玻璃的罐盖对闪蒸罐进行密封。开启数据采集系统，并依次开启阀门C、B 及真空泵，对大真空罐进行抽真空，待压力达到设定值时迅速开启阀门A，液滴真空闪蒸观察室内压力突降，液滴开始闪蒸。

　　1.3、实验工况

　　实验重点分析真空压力、液滴的初始温度、初始半径和初始浓度等因素对氯化钙液滴真空闪蒸的速率以及液滴主体最低温度的影响，其划分了多组实验工况如表1 所示。

表1 实验工况

实验工况

2、实验结果与分析

　　2.1、真空压力的影响

　　为研究真空压力因素对液滴闪蒸状况的影响，选取表1 中工况1、2、8，即液滴的初始温度均为30℃，初始半径均为0. 8 mm，初始浓度均为30%，分别在真空压力是3. 5， 3. 8， 4. 8 kPa 条件下进行实验，在其闪蒸过程中液滴温度的变化趋势如图3 所示。图中可见，在不同的压力下，液滴温度变化的规律基本一致，分为两个阶段: 均在压力突降后，其主体温度快速下降，然后缓慢回升趋于稳定，直至水分完全蒸发。这表明降低液滴周围环境压力，的确可以迅速提高液滴表面水分的蒸发速度。液滴后期温度逐渐回升主要是因为随着闪蒸的继续，闪蒸观察室内的水蒸汽分压力上升，抑制了主体液滴水分的闪蒸速度。

真空压力对液滴温度的影响

图3 真空压力对液滴温度的影响

　　对比不同真空压力下相同液滴的闪蒸过程可以看出，真空压力在3.5 kPa 时，氯化钙溶液液滴闪蒸的速度快于真空压力在4.8 kPa，且浓缩后达到的最低温度也是在3. 5 kPa 时的低于4. 8 kPa。当然，真空压力也并非越低越好，经过大量实验研究表明在1. 2 ～ 4.0 kPa 的真空压力下，更容易获得比较理想的低温除湿盐溶液。因此，真空压力是影响氯化钙溶液液滴闪蒸效率的关键因素。

　　2.2、液滴初始温度的影响

　　为研究液滴初始温度对液滴闪蒸的影响，选取表1中工况3、4、8，即真空压力均为3.5 kPa，液滴初始半径均为0.8 mm，初始浓度均为30%，取初始温度分别为25，30，32℃的液滴进行实验，最终液滴在闪蒸再生过程中温度的变化状况如图4 所示。从图中可以看出，无论液滴初始温度是25，30，32℃，液滴闪蒸稳定阶段的最终温度基本趋于一致，大约在17 ～18℃，即液滴的初始温度对液滴的终态温度没有影响，它只影响蒸发强度。这是因为较高初始温度的液滴增加的显热远小于蒸发的潜热，在短时间内由极少的水分完全被吸收，所以基本没有温差存在。

　　图4 显示，初始温度为32℃的液滴闪蒸速度快于初始温度为25℃液滴的闪蒸速度，这主要由于较高初始温度的液滴可以获得来自自身更高的热量，较高初始温度的液滴就闪蒸更快，再生效果便更好。但需要指出的是较高的初始温度可以促进液滴中的水分蒸发，促进除湿溶液的再生，为此无需过分地关注液滴闪蒸后的最终温度。

初始温度对液滴温度的影响

图4 初始温度对液滴温度的影响

　　2.3、液滴初始半径的影响

　　为研究液滴初始半径对闪蒸的影响，选取表1 中工况5 - 工况7，即真空压力均为2. 0 kPa，液滴初始温度均为30℃，初始浓度均为30%，分别取初始半径为0. 8，1.2，1.5 mm 的液滴进行实验，其对应的闪蒸过程温度变化状况如图5 所示。图中显示初始半径为0.8mm 的液滴达到最低温度时所需要的时间短于初始半径为1.2 mm 的液滴达到最低温度时的时间；初始半径为1. 2 mm 的液滴达到最低温度所需时间短于初始半径为1.5 mm 的液滴达到最低温度时的时间。这主要是因为尺寸较小的液滴其闪蒸过程中的散热量较小，很容易并迅速达到最低温度。

初始半径对液滴温度的影响

图5 初始半径对液滴温度的影响

　　另外，图中显示初始半径为0. 8 mm 的液滴达到的最低温度低于初始半径为1. 5 mm 的液滴达到的最低温度。即液滴尺寸越小，液滴达到的最低温度也越低，但这并不意味着液滴尺寸越小，就可以达到更强的蒸发强度。实际上，它们的蒸发速度主要取决于真空压力，这就导致热量的吸收均来自于液滴自身和周围环境两方面，然而，在同样初始温度的情况下，由小液滴所提供的热量相对较少，则必然会导致小液滴的温度低于大液滴的温度。

　　2.4、液滴初始浓度的影响

　　为研究液滴初始浓度对闪蒸的影响，选取表1中工况8 - 工况10，即真空压力均在为3.5 kPa，液滴初始温度均为30℃，初始半径均为0.8 mm，分别取初始浓度为30%，40%，50% 的液滴进行实验，最终得到的相关实验数据如图6 所示。由液滴温度随时间的变化曲线图可见，初始浓度为50% 的液滴在闪蒸过程中强度明显低于初始浓度为30% 的液滴闪蒸强度，即说明溶液初始浓度的增加会导致闪蒸的强度降低。这因为液滴初始浓度高，水分子作用力加强，表面张力的增加使得分子吸收更多的热量来逃逸液滴表面，然而从环境提供的热量是有限的，不可避免地降低了蒸发的速率。此外，初始浓度为40%的液滴其温度恢复较为明显于其它两组，是由于它的浓度与其它两组对比，更接近于氯化钙溶液的饱和浓度。

　　综上所述，液滴的初始浓度也是闪蒸效率的影响因素。具体分析是指液滴的初始浓度不同，其对应的饱和蒸汽压力、表面张力、溶解度、导热系数、比热容等存在相应的差别，最终会影响到液滴闪蒸的效果，但初始浓度与液滴闪蒸速率之间对应的关联性公式仍需进行针对性的深入研究。

初始浓度对液滴温度的影响