水膜闪蒸真空制冰换热特性的研究 章学来.doc

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：113334 水膜闪蒸真空制冰换热特性的研究 E-mail：xlzhang@shmtu.edu.cn 摘要：本文自行设计一套水膜闪蒸真空制冰系统，在压力100Pa～600 Pa，水膜厚度15mm～60mm，水膜初始温度2℃～8℃的工况条件下进行实验，研究了闪蒸压力、水膜厚度、水膜初始温度对闪蒸过程的影响，并根据理论分析和实验结果的对比，得出水膜闪蒸热流密度的关联式。 关键词： a water film flash evaporation vacuum ice-making system. Research on the effect of flash evaporation pressure, the thickness of water film and the initial water film temperature are conducted under the pressure from 100 to 600, water film thickness from 15mm to 60mm and the initial water film temperature from 2 ℃ to 8 ℃. The results are compared with the theoretical analysis, and get the water film flash evaporation heat flux correlation. Keyword: water film; flash evaporation; heat flux 0 引言 当一定温度的液体突然暴露在低于其饱和压力的环境下时，液体由最初的平衡状态变成过热状态，液体中的过热量已经不能以显热的方式来包含能量，不能继续存在于液体中，会迅速转换为蒸发的潜热，形成蒸汽泡，同时液体温度迅速下降，这个过程被称为液体的闪蒸（Flash Evaporation）。 由于闪蒸现象伴随着大量的水蒸汽生成和剧烈的温度下降，在现代工业中，闪蒸被广泛应用在海水淡化、药品干燥和消毒、航天飞机的冷却等多种领域。近年来，闪蒸工业的发展引起了世界范围内专家学者的广泛关注。2007年西安交通大学严俊杰通过对开式系统中水膜的闪蒸实验，进行了不同过热度、压力、液膜厚度和流量下的闪蒸实验，得到了不同条件下闪蒸换热特性曲线。1973年O.Miyatake等[12]通过实验进行了闪蒸机理的研究，明确定义了非平衡分数NEF、非平衡温度差NETD，提出闪蒸过程经历快速沸腾和表面蒸发两个阶段，分析了一些因素对闪蒸现象的影响，获得一些经验公式。D．Saury等[ 4]对厚度为15mm水膜进行闪蒸过程研究，提出蒸发水量与过热度的相互关系，利用闪蒸速度系数确定闪蒸现象的持续时间。D．Saury等还对液膜厚度在25mm～250mm之间的水进行了闪蒸研究，定性分析液膜厚度对闪蒸现象的影响，利用能量平衡将蒸发质量和液体温度联系起来，并定量描述液膜厚度对闪蒸时间、蒸发质量等参数的影响。 在前研究的基础上，针对以往的设备中实验环境温度难以控制的不足进行改进，自行设计一套水膜闪蒸真空制冰的装置，减少了实验误差。综合考虑初始条件对闪蒸的影响，结合沸腾换热理论和热扩散理论，给出闪蒸换热系数与各个因素的关联式，研究工作对进一步对水膜闪蒸真空制冰的微观理论分析和实际应用具有重要意义。1 实验装置 闪蒸腔尺寸为130mm×130mm×130mm，顶部安装多点式Pt100型铠装热电阻和 图2 真空闪蒸室示意图 1保温层 2采光窗 3恒温水套进口 4热电阻 5压力传送器 6真空进排气口 7恒温水套出口 8闪蒸腔 9可视窗 10恒温水套 2 理论分析 基于闪蒸沸腾换热类似大容器内核态沸腾换热原理，但闪蒸的换热与单纯的沸腾换热还有一定的区别，在沸腾换热的同时水膜内同时进行热扩散（热传导和热对流的统称）。本文在大容器内核态沸腾换热关联式的基础上进行修正，经过实验与理论换热量得比对，提出一个换热比例系数，得出一个较为准确的计算闪蒸换热闪蒸系数关联式。 大容器内核态沸腾热流密度关联式： ：液体的动力粘度，；：汽化潜热，；：饱和液体的比定压热容，； ：液体饱和温度，℃；：饱和气体温度，℃；：沸腾换热的经验常数； ：普朗特数；：液体-蒸汽界面的表面张力，；：重力加速度，； 、：相应于饱和液体和饱和蒸汽的密度，； 通过实验，实际换热量和沸腾换热量不一致，考虑在沸腾换热过程中同时伴