张嘉豪

（上海海事大学商船学院，上海201306）

0 引言

溶液除湿空调因其空气温湿度独立控制，低能耗，可有效利用低品位能源而愈发受到重视［1］。但作为溶液除湿空调的关键步骤，如何保证除湿后浓溶液有效再生仍是一个严峻的问题。现有再生器可分为空气式和沸腾式两类。空气式再生器效率受再生空气状态影响较大，沸腾式再生器效率较高，但溶液再生所需热源品位更高，无法利用低品位热源。

真空雾化闪蒸技术作为溶液浓缩技术，通过溶液雾化，增加溶液比表面积，可以有效强化闪蒸效果，提升溶液分离率；同时可降低所需热源温度，使得工业余热、太阳能等低品位热源在除湿溶液再生等领域具有可利用价值。早在1981年，Miyatake［2］［3］等人就提出真空喷射闪蒸系统，并研究溶液过热度、喷嘴流量、喷口直径对于蒸发率的影响，并得出结论：雾化闪蒸系统的溶液分离率高于传统闪蒸系统。Hamawand［4］等人提出了一种利用太阳能的真空闪蒸海水淡化系统，该系统可利用真空泵余热和太阳能电池板加热入口盐水以提升系统效率，日淡水产量可达15kg／m2。本实验室［5］充分利用结合热管高效传热和真空雾化闪蒸技术，设计了基于热管传热的真空雾化闪蒸系统，研究结果表明，相比于传统单级闪蒸，溶液分离率得到大幅提升，分离率最高可到65%以上。

然而，实验过程中发现过冷微细雾滴接触到加热壁面后，溶液并非完全蒸发，部分液体附着于加热面形成液膜或凝聚成大液滴，逐步进入过热亚稳态，并伴随有液滴破碎现象。为了有效利用低品味热源，提升真空雾化闪蒸技术性能，本文采用可视化技术观察真空环境中3.5wt%盐水液滴在加热表面上的液滴破碎过程，分析液滴破碎过程中表面过热度、热流密度、环境压力对于液滴破碎过程的影响规律。

1 实验设备与原理

实验装置：

如图1所示，实验装置包括蒸发室、冷凝室、原液罐、储液罐、真空泵、电源、图像采集系统，数据采集系统。图2为蒸发室示意图，蒸发室为透明圆柱形结构，由上下盲板和硼硅酸盐玻璃 （内径180mm，厚度10mm）组成。上盲板连接冷凝器以冷凝淡化过程中生成的水蒸汽；真空泵间歇性抽取实验过程产生的不凝性气体；安捷伦数据采集仪采集蒸发室内压力值与热电偶温度，压力传感器与热电偶参数见表1。下盲板布有3根加热竖管；每根竖管一侧平均布有5个热电偶，如图3所示。排液口连接储液罐，保证蒸发室内无液体积蓄。3根8mm×150mm（外径×长度）100w直流电加热棒内置于下盲板中。

图像采集系统采用瑞士AOSX－PRI高速摄像机，最大采集帧率为1000fps，单次拍摄时间为5.5s；光源采用150w卤素冷光源。

图1 装置原理图

表1 不同测量设备性能参数

实验开始前，启动数据采集仪，监测热电偶与压力传感器数值。随后，关闭真空阀门并启动真空泵和冷凝器，保证实验装置内真空度和冷却水温度达到工况要求。然后打开电加热系统，当电热管表面温度达到工况所需值时，打开真空阀门，测试工质 （水、3.5wt%NaCl溶液）由于内外压差而输送入蒸发室内，如图2所示。测试液体从原液罐输送至蒸发室后，离心式喷嘴将液体雾化成大量微细雾滴。过热雾滴因瞬间失压而闪蒸，由于比表面积变大，液体闪蒸效果增强，雾滴主体温度迅速进入过冷状态，并喷向经过预热的加热棒。液滴接触加热棒后，部分雾滴受热直接蒸发，剩余液体接触竖管表面并凝聚形成液膜或液滴，并逐步进入过热状态。随着加热过程深入，过热液体出现液滴破碎现象。液体蒸发过程中生成的水蒸汽通过管道进入冷凝室内冷凝。未接触竖管液体和加热后浓溶液经由排液孔流向储液室。

实验工况如表2所示，本文主要研究环境压力、表面过热度、热流密度对于液体破碎特性的影响。所有实验工况中喷嘴高度、流量保持不变，分别为80mm和200ml／min，冷凝器温度为12℃，环境温度30℃。

表2 实验工况

2 结果与讨论

2.1 盐水典型破碎

图2为工况1下盐水的泡状破碎过程。随着持续加热，可以观察到1ms时液滴上表面出现白色泡沫状区域，水从液态转变为气态，生成气泡。随着时间深入，气泡随时间持续膨胀，到达一定尺寸后，当内部压力大于液膜表面张力时，液膜塌缩，气泡破碎，部分液滴飞溅，残余部分留在加热壁面上。

2.2 液滴破碎机理分析

图2 3.5wt%盐水的泡状破碎过程

通常常压下液滴受热内部出现多个核化沸腾点，并位于液滴下层靠近加热壁面处［6］，而真空闪蒸环境液滴破碎现象则与之相反，如图2所示，1ms时液滴上层均出现核化点，随后出现液滴破碎现象。这说明真空环境液滴破碎行为主要受液滴内部Marangoni对流的影响，而Marangoni对流效应主要受温度梯度和浓度梯度影响［7］［8］。蒸发过程中，液滴底部受热，边缘的液体蒸发后由液滴内液体自发向边缘处移动以补充液滴，导致液滴内部温度场不均匀，导致Marangoni热对流出现。同时液滴下层边缘溶液受热蒸发后，浓度增加，边界层形成浓度梯度。液滴内部温度梯度和浓度梯度，使得液滴存在表面张力梯度，直接导致Marangoni效应的生成，促进了界面流体更新，将底层热流体沿液滴气－液界面推向液滴上层。到达上层区域的热流体推动液滴内部冷流体向下运动，从而形成Marangoni对流。由于液滴处在高真空环境下，热流体受热后很快达到对应压力下饱和温度，但液体主体并不蒸发而处于过热亚稳态［9］。同时，大量过冷微细雾滴接触液滴上表面。所以，当热流体流向液滴上层，汇聚并接触冷流体时，过热流体所受扰动最大，使得液体无法保持亚稳态而自发急骤式转变为汽态，液滴由此出现破碎现象。

2.3 同参数对液滴破碎特性的影响

（1）环境压力的影响

图3为工况2下3.5wt%盐水溶液的液滴破碎时间分布图。可以看到，液滴破碎时间随着压力的增加而增加。比如当加热表面温度为50℃时，在环境压力5kPa、7.5kPa、10kPa的条件下，液滴破碎时间分别为11.4ms、17.3ms、40.6ms。这是因为盐水溶液接触热表面时，由于溶剂气化使得导致溶质聚集于气－液表面，表面浓度升高，强化Marangoni对流效应，从而强化换热，促进液滴破碎

（2）热流密度的影响

图4为工况3、4下3.5wt%盐水溶液的液滴破碎时间分布图。相同工况下，液滴破碎时间受热流密度的影响较小。当压力5kPa，表面过热度25℃时，热流密度0.5W／m2、1.5W／m2的破碎时间分别为7.3ms、6.2ms。过热度达到45℃时，破碎时间分别为5.3ms、5.2ms。盐水液滴由于其内部浓度梯度的存在，促进内部Marangoni对流，使得较小热流密度下，冷热流体扰动已足够大，使得液滴破碎时间达到较大值，并基本不受热流密度影响。

图3 不同压力下液滴破碎时间图

（3）表明过热度的影响

图5为盐水溶液在工况5下表面过热度对液滴破碎时间的影响。可以看到，相同工况条件下，液滴随着表面过热度的增加而降低。液滴在5Pa压力下，表面过热度为13.7℃、54.2℃时，破碎时间分别为13.7ms，4.7ms。这是由于表面过热度的增加，使得相同热流密度条件下，液滴底层温升更快，液滴内部温度梯度变大，表面张力梯度变大，进而导致Marangoni对流增强，促进传热传质。

3 结论

图5 不同表面过热度下液滴破碎时间图

通过可视化实验观察真空环境下热表面处过热液滴破碎现象；并分析环境压力、热流密度、表面过热度等因素对水和3.5wt%盐水液滴破碎时间的影响，得到的主要结论如下：

（1）真空雾化环境下，3.5wt%盐水液滴破碎现象主要为泡状破碎过程。首先，过热液滴上表面出现白色泡沫区域即核化点；然后，核化点生成气泡并不断生长；气泡生长到一定尺寸后液膜坍缩，气泡破碎，液滴飞溅。

（2）液滴内部由于温度梯度和浓度梯度的影响，导致Marangoni对流的生成，促进液滴传热传质。同时，液体处于过热亚稳定态，当受到一较大扰动时，会自发急骤式转变为汽态出现液滴破碎现象。

（3）3.5wt%盐水液滴破碎时间主要受到环境压力和表面过热度的影响。热流密度对液滴破碎时间基本没有影响。相同工况下，环境压力越大，液滴破碎时间越长。表面过热度的增加会缩短液滴破碎时间。

参考文献：

［1］孙健，施明恒，赵云.液体除湿空调再生性能的实验研究 ［J］.工程热物理学报，2003，（05）：867－869.

［2］Miyatake O，Tomimura T，Ide Y，et al.An experimental study of spray flash evaporation［J］.Desalination，1981，36（2）：113－128.

［3］O.Miyatake，T.Tomimura，Y.Ide，M.Yuda，T.Fujii，Effect of liquid temperature on spray flash evaporation，Desalination 37（3）（1981）351-366.

［4］Hamawand，I.，Lewis，L.，Ghaffour，N.，＆Bundschuh，J.（2017）.Desalination of salty water using vacuum spray dryer driven by solar energy.Desalination，404，182－191.doi：10.1016／j.desal.2016.11.015.

［5］Gao，Wenzhong，et al.Experimental study on water separation process in a novel spray flash vacuum evaporatorwith heat－pipe.Desalination 386（2016）：39－47.

［6］Gui Lu，Xiao－Dong Wang，Wei－Mon Yan，Nucleate boiling inside small evaporating droplets：An experimental and numerical study，In International Journal of Heat and Mass Transfer，Volume 108，Part B，2017，Pages 2253－2261，ISSN 0017－9310

［7］C.－H.Chun，Wuest，A micro－gravity simulation of the Marangoni convection，In ActaAstronautica，Volume 5，Issue 9，1978，Pages 681－686，ISSN 0094－5765

［8］Ford JD，Missen R W.On the conditions for stability of falling films subject to surface tension disturbances；the condensation of binary vapors［J］.The Canadian Journal of Chemical Engineering，1968，46（5）：309－312.

［9］P.A.Pavlov，Evaporation of a highly superheated liquid，In International Journal of Heat and Mass Transfer，Volume 88，2015，Pages 203－209，ISSN 0017－9310