黃亮，章學來

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乙醇溶液液滴降壓閃蒸特性

黃亮，章學來

（上海海事大學蓄冷技術研究所，上海 201306）

基于液滴低壓閃蒸理論，設計了一套懸垂液滴的真空閃蒸可視化實驗裝置，研究了質(zhì)量分數(shù)為0、5%、10%、20%的乙醇溶液液滴的降壓閃蒸特性，記錄了液滴的成核結晶過程。液滴在降壓條件下會經(jīng)歷液態(tài)蒸發(fā)、伴隨氣泡生長的蒸發(fā)、穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)結冰、伴隨氣泡生長的結冰、外部結冰內(nèi)部氣泡逸出最終爆裂5種形態(tài)。研究表明乙醇溶液的濃度越高，液滴的凝固點越低，液滴結晶所需時間越長；同時還發(fā)現(xiàn)一定濃度的乙醇溶液可以提高液滴結晶時的閃蒸室壓力，降低了對系統(tǒng)真空度的要求。

溶液；蒸發(fā)；結晶；濃度；真空度

引 言

冰漿是指某類物質(zhì)水溶液與冰晶粒子的混合物，為呈泥漿狀的懸浮液，其流動性好，能夠用泵輸送。近年來，隨著冰漿在蓄冷工程中的應用，冰漿的制備方式受到了廣泛的關注[1-3]。與傳統(tǒng)制冰方式相比，冰漿真空制備法具有熱效率高、結構簡單、操作方便，以及制備過程中不采用CFC或HCFC制冷劑等優(yōu)勢，是一種很有前景的冰漿制備方式。

冰漿的真空制備法是基于水的三相點原理，由于水的蒸發(fā)潛熱是其凝固熱的7倍，當環(huán)境壓力達到或低于水的三相點壓力（611 Pa）時，水就會發(fā)生結晶現(xiàn)象，這個過程被稱為真空閃蒸制冰。因此通過水的閃蒸就可以獲得大量的冰晶。自1973年起，Miyatake等[4-5]就開展了對池水閃蒸的實驗研究。Satoh等[6]研究了液滴蒸發(fā)結晶的傳熱問題，估算閃蒸室內(nèi)達到蒸發(fā)結晶所需的壓力，以及結晶過程中氣泡的產(chǎn)生對結晶的影響。Peterson等[7]研究了室溫下R11的閃蒸過程，指出閃蒸過程中的液體是過熱、過冷以及飽和液體的混合物，其傳質(zhì)速度是單純蒸發(fā)傳質(zhì)速度的10～12倍。Saury等[8-9]對厚度為15 mm的水膜閃蒸過程進行研究，給出了蒸發(fā)量與過熱度的相互關系，利用閃蒸速度系數(shù)確定閃蒸現(xiàn)象的持續(xù)時間。Kim等[10]對閃蒸過程中的臨界時間、非平衡溫度NETD最小值時的初始溫度等一些臨界參數(shù)進行了研究。

在國內(nèi)，劉偉明等[11-12]研究了低壓閃蒸條件下液滴溫度與環(huán)境壓力之間的關系。趙凱旋等[13]探索了液滴在真空閃蒸/凍結過程中的熱動力學規(guī)律和機理。徐愛祥[14]采用數(shù)值計算的方法研究了低壓環(huán)境下液滴形成冰晶過程中的水分遷移和熱量傳遞。杜王芳等[15-16]研究了快速減壓方式下單個蒸餾水液滴的閃蒸/凍結現(xiàn)象,得到了典型條件下液滴閃蒸/凍結過程的熱動力學特征，并探討了不凝氣體對液滴閃蒸/凍結熱動力學過程的影響。劉璐等[17]針對單個鹽水液滴降壓蒸發(fā)析鹽的傳熱傳質(zhì)過程建立了數(shù)學模型，分析了環(huán)境壓力對鹽水液滴蒸發(fā)析鹽過程的影響。高文忠等[18]借鑒水滴閃蒸理論，實驗測試了影響閃蒸效率的因素，得出壓力是影響閃蒸效率的核心因素。章學來等[19]提出了利用溶液吸收方式來制備冰漿，并結合真空泵間歇工作抽吸進入制冰罐內(nèi)的少量不凝氣體來保證，大大減少了能源消耗，解決了一直困擾真空制冰發(fā)展的關鍵問題。章學來等[20]還對吸附作用下真空制冰特性進行了實驗分析，進行了有無吸附作用下的對比性實驗，發(fā)現(xiàn)吸附能夠強化真空條件下水的閃蒸。

由于真空制冰需要低壓環(huán)境，而現(xiàn)有的真空環(huán)境主要依靠真空泵的抽吸作用來創(chuàng)造，需要消耗大量的能量，進而余守杰等[21]提出可以利用中介物質(zhì)降低系統(tǒng)對真空度的要求。同時，時競競等[22]研究了濃度為26%的氨水溶液的真空閃蒸特性，得出了氨水的降溫速率和降溫范圍明顯高于蒸餾水，且高于水的三相點壓力時就有冰晶形成，同時得出在相同的蒸發(fā)溫度條件下，氨水對真空度的要求遠低于蒸餾水的結論。目前，還沒有關于乙醇溶液濃度對冰漿真空制備過程影響的相關研究，因此，本文著眼于研究乙醇溶液液滴的降壓閃蒸特性，得出乙醇溶液濃度對閃蒸室壓力及液滴溫度的變化關系，也為后續(xù)吸附驅(qū)動下冰漿的真空制備奠定理論和實驗基礎。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置

懸垂液滴的真空閃蒸裝置如圖1所示。整個裝置主要由真空罐、閃蒸室、真空泵和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。真空罐的體積為1 m3，罐體直徑為1 m，真空罐罐體之內(nèi)安裝了15 m長的輔助冷凝盤管，外接制冷機組，主要是用來冷凝液滴閃蒸出來的水蒸氣以更好地保護真空泵。閃蒸室的設計尺寸為130 mm×130 mm×130 mm，設計壓力為10 MPa，為了保證閃蒸室內(nèi)良好的恒溫環(huán)境，閃蒸室采用水套結構，閃蒸室外壁使用保溫棉保溫，同時閃蒸室的前后兩側設有觀察窗，便于觀察液滴閃蒸過程的形態(tài)變化。真空泵采用的是直聯(lián)旋片式真空泵，型號為2XZ-4B，考慮到旋片式真空泵效率較高，極限壓力低，選擇此類型泵，并加裝氣鎮(zhèn)閥、過濾網(wǎng)、干燥器和排氣過濾裝置，防止水蒸氣和可能存在的冰晶破壞真空泵，排氣過濾裝置防止揮發(fā)的真空油對實驗環(huán)境的影響。同時還使用了熱風干燥機不定時對真空罐進行熱風干燥，以減小真空罐內(nèi)水蒸氣對系統(tǒng)壓力所造成的影響。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括圖像采集裝置、溫度采集裝置和壓力采集裝置。試驗用圖像采集設備是XTZ-10ST型視頻顯微鏡，該視頻顯微鏡感光靈敏度高，曝光速度快。圖像像素為30萬，最高可放大50倍，最高采集速率為10 frame·s?1。熱電偶采用直徑為0.1 mm的銅-康銅絲制作，Ⅰ級精度，允差值為±0.5℃，實驗時在熱電偶頭部懸掛液滴，用醫(yī)用注射器調(diào)整液滴的位置并懸掛液滴，液滴靠張力懸掛在熱電偶絲上。壓力采用MD-GA100高精度絕壓變送器，靜態(tài)精度為0.5%FS，此變送器為24 V供電4～20 mA輸出的兩線制壓力變送器，壓力傳感器測量范圍是0～5 kPa，與輸出電流4～20 mA線性對應，數(shù)據(jù)采集周期為1 s。真空泵、真空罐、閃蒸室之間采用真空軟管連接。

1.2 實驗方法

實驗過程如下：開啟真空泵將真空罐的壓力抽到預設壓力，同時開啟制冷機組，使真空罐內(nèi)的冷卻盤管預冷并達到設定溫度；再開啟恒溫水槽使工作液的溫度達到預設溫度，懸掛好液滴后密封；打開真空罐與閃蒸室之間的連接閥門，閃蒸室內(nèi)壓力會瞬時下降，液滴閃蒸過程迅速開始，此時將液滴溫度、閃蒸室壓力及液滴的相變過程分別用熱電偶、壓力傳感器和高速顯微攝像機記錄下來。這里需要說明的是由于閃蒸室存在一定的泄漏，故整個實驗過程真空泵始終保持工作狀態(tài)。

液滴為去離子水液滴、5%乙醇溶液液滴、10%乙醇溶液液滴、20%乙醇溶液液滴，液滴直徑為0.92 mm，溫度范圍為20℃左右。初始環(huán)境壓力為1個大氣壓力，真空環(huán)境壓力為100～1000 Pa。

2 實驗結果與討論

2.1 液滴閃蒸過程現(xiàn)象描述

打開真空罐與閃蒸室之間的閥門，液滴瞬間處于低壓狀態(tài)，觀察液滴在不同壓力下的閃蒸現(xiàn)象。根據(jù)觀察到的現(xiàn)象，閃蒸過程大致可以分為以下5個階段。

① 液態(tài)蒸發(fā)。如圖2(a)所示，液滴沒有結冰，閃蒸發(fā)生在液滴表面，液滴的體積迅速減小，沒有得到冰晶。

② 伴隨氣泡增長的蒸發(fā)。如圖2(b)所示，隨著壓力繼續(xù)降低，液滴的內(nèi)部靠近熱電偶絲節(jié)點處會產(chǎn)生氣泡，氣泡不斷積累、長大，并溢出進而消失。此過程液滴體積有微量的減小，但未產(chǎn)生冰晶。

③ 穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)結冰。如圖2(c)所示，壓力下降到一定程度，液滴表面會迅速蒸發(fā)降溫到過冷狀態(tài)從而結冰。由于液滴結冰速度較快，所以因蒸發(fā)而造成的液滴直徑減小現(xiàn)象非常微弱。液滴首先從外部開始出現(xiàn)結冰現(xiàn)象，然后逐漸向液滴內(nèi)部伸展直到整個液滴全部結冰。

④ 伴隨氣泡生長的結冰。如圖2(d)所示，結晶開始時，因為冰的密度比水的密度小，所以液滴的體積膨脹直至破裂。氣泡在液滴內(nèi)部產(chǎn)生，尚未及時逸出，液滴外部就已經(jīng)開始結冰，因此氣泡會從結冰縫隙處逸出，加之升華作用，使縫隙處殘缺，冰晶表面不光滑。

⑤ 外部結冰，內(nèi)部氣泡逸出，爆裂。如圖2(e)所示，可以清晰地看出結冰后，液滴內(nèi)氣泡溢出，是冰晶爆裂的過程。液滴外層已經(jīng)結冰完畢，但內(nèi)部氣泡仍在生長，使得冰晶膨脹、變形，最終爆裂。

2.2 壓力及溫度隨時間的變化

不同濃度乙醇溶液液滴的閃蒸壓力及液滴溫度隨時間的變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出，液滴出現(xiàn)了明顯的過冷現(xiàn)象，乙醇對溶液的過冷影響甚微。隨著溶液濃度的增加，液滴結晶時的溫度降低，液滴結晶所需時間越長，液滴結晶時閃蒸室壓力呈現(xiàn)先增后降的趨勢。

這里把乙醇溶液看作是理想液體混合物，在壓力恒定的情況下，理想液態(tài)混合物的相圖如圖4所示。由于乙醇與水具有良好的互溶性，在水中的溶解潛熱較大。在低真空環(huán)境下，乙醇的沸點小，其相對揮發(fā)性大，在相同真空壓力條件下，沸點低于水。在一定壓力條件下（該壓力可以高于水的三相點壓力也可以低于水的三相點壓力），乙醇優(yōu)先蒸發(fā)。即乙醇會優(yōu)先于水蒸發(fā)，乙醇的蒸發(fā)需要帶走大量的熱量，使得乙醇溶液液滴溫度降低，甚至有冰晶生成。

2.3 分析與討論

對比可知乙醇溶液的真空蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度與溶液的濃度關系緊密，溶液濃度過高，其三相點壓力不增反減，而對于三相點溫度卻始終是降低的。這主要由于液滴內(nèi)部的傳熱速率遠高于傳質(zhì)速率，乙醇溶液液滴的濃度變化率不及溫度變化率，所以乙醇只蒸發(fā)了一部分，而大部分乙醇仍殘留在液滴內(nèi)，由于乙醇的冰點比水低得多，因此隨著乙醇溶液濃度的增高，其冰點降低。此外，由于液滴結晶過程是從外向內(nèi)，液滴的外表面優(yōu)先形成冰殼，冰殼形成后乙醇的蒸發(fā)過程受到了抑制，只有通過冰殼表面的升華作用帶走熱量，冰殼表面的升華帶走的熱量沒有乙醇蒸發(fā)帶走熱量速度快，對于乙醇溶液而言，當濃度很小時，發(fā)生閃蒸時大部分乙醇已經(jīng)蒸發(fā)，而殘留在液滴內(nèi)的乙醇已所剩無幾，乙醇的蒸發(fā)帶走熱量，液滴會發(fā)生結晶，因此壓力高于水的三相點壓力時，液滴也會結晶。當濃度較大時，只有小部分乙醇蒸發(fā)，而大部分乙醇仍殘留在液滴內(nèi)，液滴的三相點會下移，所以需要較長時間的閃蒸以帶走更多的熱量來使液滴結晶。

3 結 論

利用自行設計的懸垂液滴的真空閃蒸可視化實驗裝置，研究了不同濃度乙醇溶液液滴的降壓閃蒸特性，從實驗現(xiàn)象上來看，乙醇溶液液滴的閃蒸過程與水的閃蒸過程并無差異，同樣會經(jīng)歷液態(tài)蒸發(fā)、伴隨氣泡增長的蒸發(fā)、穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)結冰、伴隨氣泡生長的結冰、外部結冰，內(nèi)部氣泡逸出，爆裂5種形態(tài)。從實驗結果可得出以下結論。

（1）隨著乙醇溶液濃度的升高，液滴的冰點越低，液滴過冷時間越長，液滴結晶所需要的時間也就越長。

（2）一定濃度乙醇溶液能夠提高真空制冰系統(tǒng)的運行壓力，減小了閃蒸室對承壓能力的要求，有利于提高系統(tǒng)的運行效率和減少能耗。

（3）乙醇溶液的冰點要比水的冰點低，這對冰晶的形成極為不利。所以在采用乙醇溶液為制冰工質(zhì)時，要控制好乙醇溶液的濃度。

符 號 說 明

p——膜過濾壓力差，Pa T——溫度，℃ x——摩爾分數(shù)，% y——質(zhì)量分數(shù)，% 下角標 A——水 B——乙醇

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Flash evaporation characteristics of ethanol solution droplets under depressurization

HUANG Liang, ZHANG Xuelai

(Institute of Cool Thermal Storage Technology, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Based on the flash evaporation theory of a liquid droplet under low pressure, a visual vacuum flash evaporation device was designed for experiment of a suspension droplet. The experiment was performed to investigate the depressurized flash evaporation characteristics of ethanol solution droplets with the mass fraction of 0, 5%, 10% and 20%, and record the nucleation crystallization process. The liquid droplet went through five morphological changes, respectively: liquid evaporation process, evaporation with bubble growth process, steady evaporation ice process, ice formation with bubble growth process and external ice and internal bubbles escape eventually burst under depressurization. The research showed that the higher the ethanol solution concentration was, the lower the droplets freezing point and the longer the droplet freezing time were. Moreover, it was also found that the ethanol solution in some concentration could increase the pressure of flash chamber when the droplets crystallized and reduced the vacuum requirements of the system.

solution; evaporation; crystallization; concentration; vacuum degree

supported by the National Natural Science Foundation of China (51376115) and the SMU Graduate Student Innovation Fund (2015ycx048).

date: 2016-02-03.

ZHANG Xuelai, xlzhang@shmtu.edu.cn

O 552.6

A

0438—1157（2016）09—3762—06

10.11949/j.issn.0438-1157.20160151

國家自然科學基金項目（51376115）；上海海事大學研究生創(chuàng)新基金項目（2015ycx048）。

2016-02-03收到初稿，2016-04-21收到修改稿。

聯(lián)系人：章學來。第一作者：黃亮（1988—），男，碩士研究生。