氯化鈣溶液液滴真空閃蒸再生的實驗研究

2014-10-27 高文忠上海海事大學(xué)商船學(xué)院

　　基于探索氯化鈣除濕溶液液滴在真空閃蒸過程中的再生機理，搭建了液滴真空閃蒸特性研究的實驗臺。針對真空壓力、液滴初始半徑、初始溫度、初始濃度等因素對氯化鈣液滴閃蒸特性的影響，進行了多組實驗研究。實驗結(jié)果表明: 真空壓力是影響液滴閃蒸速度的關(guān)鍵因素，真空壓力越低液滴閃蒸速度越快，且濃縮后達到的最低溫度越低；液滴初始尺寸越小，液滴達到的最低溫度也越低，且達到最低溫度所用時間也越短；液滴的初始溫度對液滴的終態(tài)溫度沒有影響，較高的初始溫度可以促進液滴中的水分蒸發(fā)，促進除濕溶液的再生；液滴初始濃度也是影響閃蒸效率的因素之一，溶液初始濃度高會導(dǎo)致閃蒸的強度下降。

　　溶液除濕空調(diào)以其節(jié)能、環(huán)保等特性受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，然而除濕后的稀溶液如何高效、低耗再生成為困擾其發(fā)展的一個關(guān)鍵問題。近年一些國外學(xué)者對太陽能集熱/再生器進行了研究，并證實了它是一種高效、節(jié)能的再生裝置，但不足之處是其再生能力大大受限于室外的空氣濕度。鑒于高溫高濕地區(qū)不易再生的客觀因素，作者提出了一種基于現(xiàn)有真空閃蒸理論，將濃度較稀的除濕溶液在真空中閃蒸再生的新方法，即通過特制噴口將稀溶液霧化于真空環(huán)境，部分水分瞬間閃蒸分離并帶走汽化潛熱，剩余溶液得到濃縮、降溫。此方法為解決除濕溶液的再生問題拓寬了新的渠道，同時具有一定的實際意義與應(yīng)用價值。

　　溶液閃蒸再生即為大量單體液滴閃蒸的集中過程，液滴之間也存在熱質(zhì)傳遞、碰撞融合甚至分裂等相互影響。因此掌握單液滴閃蒸特性成為更深一步探討溶液閃蒸特性的基本前提。在不同領(lǐng)域，針對不同溶液液滴的閃蒸過程，前人已經(jīng)通過數(shù)值分析及實驗研究進行了一些有益的探討。Owen 等采用熱電偶懸掛法對水滴閃蒸過程的基本特性變化進行了觀察與研究，該方法為本文液滴真空閃蒸實驗的研究提供了一定的借鑒依據(jù)。于春健等系統(tǒng)地研究操作壓力和濃度對于鹽水沸騰傳熱特性的影響，建立了自己的實驗裝置如圖1 所示，給本文的實驗裝置提供了參考價值。Hindmarsh 等將水滴懸浮在冷空氣流中進行實驗，建立數(shù)學(xué)模型并預(yù)測了液滴溫度變化及結(jié)冰時間。劉偉民等進行液滴結(jié)冰閃蒸實驗，分析了穩(wěn)態(tài)閃蒸/凍結(jié)過程中的影響因素，取得了一些研究成果，但真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)認為其研究的壓力工況過低，且研究的工質(zhì)是去離子水。

濃鹽水低壓沸騰特性實驗流程圖

圖1 濃鹽水低壓沸騰特性實驗流程圖

　　在前人研究基礎(chǔ)上，以除濕系統(tǒng)常用的氯化鈣溶液為研究對象，搭建了除濕溶液液滴真空閃蒸再生的實驗臺，針對影響氯化鈣溶液液滴閃蒸效果的幾個因素進行了相關(guān)實驗與分析。

　　理論角度看就氯化鈣液滴在閃蒸觀察室內(nèi)的壓力突降時，液滴表面的水分瞬態(tài)蒸發(fā)，同時帶走了液滴主體部分的大量顯熱，會導(dǎo)致其溫度急劇下降，該階段液滴內(nèi)部分布由中心到邊緣呈放射狀；隨著閃蒸過程的不斷進行，液滴內(nèi)部相對運動較小，液滴尺寸也較小，傳熱方式以導(dǎo)熱為主，故此階段液滴內(nèi)部分布大致為線性。另外，液滴表面熱流量、液滴尺寸等均隨時間變化而不斷變化，故探討液滴內(nèi)部各點溫度分布隨時間的變化就十分棘手。

1、實驗系統(tǒng)與實驗方案

　　1.1、實驗系統(tǒng)及測試儀器

　　本文設(shè)計的實驗系統(tǒng)參考了杜王芳等實驗方案，建立了符合氯化鈣液滴真空閃蒸的實驗臺如圖2 所示，主要由液滴真空閃蒸觀察室、2XZ-4 型旋片真空泵、大真空罐、T 型熱電偶、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。其中液滴真空閃蒸觀察室是本實驗的主要觀察與測試對象，為提高觀測的紅外透射性，觀察室選用鑲有氟化鈣玻璃的罐體。液滴真空閃蒸觀察室與大真空罐的體積比約為1：200，液滴真空閃蒸觀察室與大真空罐間、大真空罐與真空泵間均采用DN16 內(nèi)嵌鋼絲塑料管來連接。

　　液滴溫度的測量選用銅-康銅( T 型) 熱電偶，測量精度為±0.2℃；氯化鈣濃度配比采用比重計測量并通過比對比重-濃度表獲得，測量精度為1 kg / m³；觀察室及大真空罐內(nèi)的壓力測量采用高精度真空計MD-GA100，靜態(tài)精度為0.5%。液滴溫度、真空壓力等數(shù)據(jù)的采集選用Agilent34970A 在線數(shù)據(jù)采集儀，設(shè)定其每次采集的時間間隔為200ms。

液滴真空閃蒸實驗的系統(tǒng)圖

圖2 液滴真空閃蒸實驗的系統(tǒng)圖

　　1.2、實驗步驟

　　首先用0.4 mm × 14 mm 的注射器將氯化鈣溶液液滴注射在T 型熱電偶節(jié)點絲上，液滴靠張力作用懸掛，然后采用蝴蝶螺紋及鑲有氟化鈣玻璃的罐蓋對閃蒸罐進行密封。開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并依次開啟閥門C、B 及真空泵，對大真空罐進行抽真空，待壓力達到設(shè)定值時迅速開啟閥門A，液滴真空閃蒸觀察室內(nèi)壓力突降，液滴開始閃蒸。

　　1.3、實驗工況

　　實驗重點分析真空壓力、液滴的初始溫度、初始半徑和初始濃度等因素對氯化鈣液滴真空閃蒸的速率以及液滴主體最低溫度的影響，其劃分了多組實驗工況如表1 所示。

表1 實驗工況

實驗工況

2、實驗結(jié)果與分析

　　2.1、真空壓力的影響

　　為研究真空壓力因素對液滴閃蒸狀況的影響，選取表1 中工況1、2、8，即液滴的初始溫度均為30℃，初始半徑均為0. 8 mm，初始濃度均為30%，分別在真空壓力是3. 5， 3. 8， 4. 8 kPa 條件下進行實驗，在其閃蒸過程中液滴溫度的變化趨勢如圖3 所示。圖中可見，在不同的壓力下，液滴溫度變化的規(guī)律基本一致，分為兩個階段: 均在壓力突降后，其主體溫度快速下降，然后緩慢回升趨于穩(wěn)定，直至水分完全蒸發(fā)。這表明降低液滴周圍環(huán)境壓力，的確可以迅速提高液滴表面水分的蒸發(fā)速度。液滴后期溫度逐漸回升主要是因為隨著閃蒸的繼續(xù)，閃蒸觀察室內(nèi)的水蒸汽分壓力上升，抑制了主體液滴水分的閃蒸速度。

真空壓力對液滴溫度的影響

圖3 真空壓力對液滴溫度的影響

　　對比不同真空壓力下相同液滴的閃蒸過程可以看出，真空壓力在3.5 kPa 時，氯化鈣溶液液滴閃蒸的速度快于真空壓力在4.8 kPa，且濃縮后達到的最低溫度也是在3. 5 kPa 時的低于4. 8 kPa。當然，真空壓力也并非越低越好，經(jīng)過大量實驗研究表明在1. 2 ～ 4.0 kPa 的真空壓力下，更容易獲得比較理想的低溫除濕鹽溶液。因此，真空壓力是影響氯化鈣溶液液滴閃蒸效率的關(guān)鍵因素。

　　2.2、液滴初始溫度的影響

　　為研究液滴初始溫度對液滴閃蒸的影響，選取表1中工況3、4、8，即真空壓力均為3.5 kPa，液滴初始半徑均為0.8 mm，初始濃度均為30%，取初始溫度分別為25，30，32℃的液滴進行實驗，最終液滴在閃蒸再生過程中溫度的變化狀況如圖4 所示。從圖中可以看出，無論液滴初始溫度是25，30，32℃，液滴閃蒸穩(wěn)定階段的最終溫度基本趨于一致，大約在17 ～18℃，即液滴的初始溫度對液滴的終態(tài)溫度沒有影響，它只影響蒸發(fā)強度。這是因為較高初始溫度的液滴增加的顯熱遠小于蒸發(fā)的潛熱，在短時間內(nèi)由極少的水分完全被吸收，所以基本沒有溫差存在。

　　圖4 顯示，初始溫度為32℃的液滴閃蒸速度快于初始溫度為25℃液滴的閃蒸速度，這主要由于較高初始溫度的液滴可以獲得來自自身更高的熱量，較高初始溫度的液滴就閃蒸更快，再生效果便更好。但需要指出的是較高的初始溫度可以促進液滴中的水分蒸發(fā)，促進除濕溶液的再生，為此無需過分地關(guān)注液滴閃蒸后的最終溫度。

初始溫度對液滴溫度的影響

圖4 初始溫度對液滴溫度的影響

　　2.3、液滴初始半徑的影響

　　為研究液滴初始半徑對閃蒸的影響，選取表1 中工況5 - 工況7，即真空壓力均為2. 0 kPa，液滴初始溫度均為30℃，初始濃度均為30%，分別取初始半徑為0. 8，1.2，1.5 mm 的液滴進行實驗，其對應(yīng)的閃蒸過程溫度變化狀況如圖5 所示。圖中顯示初始半徑為0.8mm 的液滴達到最低溫度時所需要的時間短于初始半徑為1.2 mm 的液滴達到最低溫度時的時間；初始半徑為1. 2 mm 的液滴達到最低溫度所需時間短于初始半徑為1.5 mm 的液滴達到最低溫度時的時間。這主要是因為尺寸較小的液滴其閃蒸過程中的散熱量較小，很容易并迅速達到最低溫度。

初始半徑對液滴溫度的影響

圖5 初始半徑對液滴溫度的影響

　　另外，圖中顯示初始半徑為0. 8 mm 的液滴達到的最低溫度低于初始半徑為1. 5 mm 的液滴達到的最低溫度。即液滴尺寸越小，液滴達到的最低溫度也越低，但這并不意味著液滴尺寸越小，就可以達到更強的蒸發(fā)強度。實際上，它們的蒸發(fā)速度主要取決于真空壓力，這就導(dǎo)致熱量的吸收均來自于液滴自身和周圍環(huán)境兩方面，然而，在同樣初始溫度的情況下，由小液滴所提供的熱量相對較少，則必然會導(dǎo)致小液滴的溫度低于大液滴的溫度。

　　2.4、液滴初始濃度的影響

　　為研究液滴初始濃度對閃蒸的影響，選取表1中工況8 - 工況10，即真空壓力均在為3.5 kPa，液滴初始溫度均為30℃，初始半徑均為0.8 mm，分別取初始濃度為30%，40%，50% 的液滴進行實驗，最終得到的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)如圖6 所示。由液滴溫度隨時間的變化曲線圖可見，初始濃度為50% 的液滴在閃蒸過程中強度明顯低于初始濃度為30% 的液滴閃蒸強度，即說明溶液初始濃度的增加會導(dǎo)致閃蒸的強度降低。這因為液滴初始濃度高，水分子作用力加強，表面張力的增加使得分子吸收更多的熱量來逃逸液滴表面，然而從環(huán)境提供的熱量是有限的，不可避免地降低了蒸發(fā)的速率。此外，初始濃度為40%的液滴其溫度恢復(fù)較為明顯于其它兩組，是由于它的濃度與其它兩組對比，更接近于氯化鈣溶液的飽和濃度。

　　綜上所述，液滴的初始濃度也是閃蒸效率的影響因素。具體分析是指液滴的初始濃度不同，其對應(yīng)的飽和蒸汽壓力、表面張力、溶解度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等存在相應(yīng)的差別，最終會影響到液滴閃蒸的效果，但初始濃度與液滴閃蒸速率之間對應(yīng)的關(guān)聯(lián)性公式仍需進行針對性的深入研究。

初始濃度對液滴溫度的影響