乙醇溶液液滴降压闪蒸特性

黄亮，章学来



乙醇溶液液滴降压闪蒸特性

黄亮，章学来

（上海海事大学蓄冷技术研究所，上海 201306）

基于液滴低压闪蒸理论，设计了一套悬垂液滴的真空闪蒸可视化实验装置，研究了质量分数为0、5%、10%、20%的乙醇溶液液滴的降压闪蒸特性，记录了液滴的成核结晶过程。液滴在降压条件下会经历液态蒸发、伴随气泡生长的蒸发、稳态蒸发结冰、伴随气泡生长的结冰、外部结冰内部气泡逸出最终爆裂5种形态。研究表明乙醇溶液的浓度越高，液滴的凝固点越低，液滴结晶所需时间越长；同时还发现一定浓度的乙醇溶液可以提高液滴结晶时的闪蒸室压力，降低了对系统真空度的要求。

溶液；蒸发；结晶；浓度；真空度

引 言

冰浆是指某类物质水溶液与冰晶粒子的混合物，为呈泥浆状的悬浮液，其流动性好，能够用泵输送。近年来，随着冰浆在蓄冷工程中的应用，冰浆的制备方式受到了广泛的关注[1-3]。与传统制冰方式相比，冰浆真空制备法具有热效率高、结构简单、操作方便，以及制备过程中不采用CFC或HCFC制冷剂等优势，是一种很有前景的冰浆制备方式。

冰浆的真空制备法是基于水的三相点原理，由于水的蒸发潜热是其凝固热的7倍，当环境压力达到或低于水的三相点压力（611 Pa）时，水就会发生结晶现象，这个过程被称为真空闪蒸制冰。因此通过水的闪蒸就可以获得大量的冰晶。自1973年起，Miyatake等[4-5]就开展了对池水闪蒸的实验研究。Satoh等[6]研究了液滴蒸发结晶的传热问题，估算闪蒸室内达到蒸发结晶所需的压力，以及结晶过程中气泡的产生对结晶的影响。Peterson等[7]研究了室温下R11的闪蒸过程，指出闪蒸过程中的液体是过热、过冷以及饱和液体的混合物，其传质速度是单纯蒸发传质速度的10～12倍。Saury等[8-9]对厚度为15 mm的水膜闪蒸过程进行研究，给出了蒸发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。Kim等[10]对闪蒸过程中的临界时间、非平衡温度NETD最小值时的初始温度等一些临界参数进行了研究。

在国内，刘伟明等[11-12]研究了低压闪蒸条件下液滴温度与环境压力之间的关系。赵凯旋等[13]探索了液滴在真空闪蒸/冻结过程中的热动力学规律和机理。徐爱祥[14]采用数值计算的方法研究了低压环境下液滴形成冰晶过程中的水分迁移和热量传递。杜王芳等[15-16]研究了快速减压方式下单个蒸馏水液滴的闪蒸/冻结现象,得到了典型条件下液滴闪蒸/冻结过程的热动力学特征，并探讨了不凝气体对液滴闪蒸/冻结热动力学过程的影响。刘璐等[17]针对单个盐水液滴降压蒸发析盐的传热传质过程建立了数学模型，分析了环境压力对盐水液滴蒸发析盐过程的影响。高文忠等[18]借鉴水滴闪蒸理论，实验测试了影响闪蒸效率的因素，得出压力是影响闪蒸效率的核心因素。章学来等[19]提出了利用溶液吸收方式来制备冰浆，并结合真空泵间歇工作抽吸进入制冰罐内的少量不凝气体来保证，大大减少了能源消耗，解决了一直困扰真空制冰发展的关键问题。章学来等[20]还对吸附作用下真空制冰特性进行了实验分析，进行了有无吸附作用下的对比性实验，发现吸附能够强化真空条件下水的闪蒸。

由于真空制冰需要低压环境，而现有的真空环境主要依靠真空泵的抽吸作用来创造，需要消耗大量的能量，进而余守杰等[21]提出可以利用中介物质降低系统对真空度的要求。同时，时竞竞等[22]研究了浓度为26%的氨水溶液的真空闪蒸特性，得出了氨水的降温速率和降温范围明显高于蒸馏水，且高于水的三相点压力时就有冰晶形成，同时得出在相同的蒸发温度条件下，氨水对真空度的要求远低于蒸馏水的结论。目前，还没有关于乙醇溶液浓度对冰浆真空制备过程影响的相关研究，因此，本文着眼于研究乙醇溶液液滴的降压闪蒸特性，得出乙醇溶液浓度对闪蒸室压力及液滴温度的变化关系，也为后续吸附驱动下冰浆的真空制备奠定理论和实验基础。

1 实验装置和方法

1.1 实验装置

悬垂液滴的真空闪蒸装置如图1所示。整个装置主要由真空罐、闪蒸室、真空泵和数据采集系统组成。真空罐的体积为1 m3，罐体直径为1 m，真空罐罐体之内安装了15 m长的辅助冷凝盘管，外接制冷机组，主要是用来冷凝液滴闪蒸出来的水蒸气以更好地保护真空泵。闪蒸室的设计尺寸为130 mm×130 mm×130 mm，设计压力为10 MPa，为了保证闪蒸室内良好的恒温环境，闪蒸室采用水套结构，闪蒸室外壁使用保温棉保温，同时闪蒸室的前后两侧设有观察窗，便于观察液滴闪蒸过程的形态变化。真空泵采用的是直联旋片式真空泵，型号为2XZ-4B，考虑到旋片式真空泵效率较高，极限压力低，选择此类型泵，并加装气镇阀、过滤网、干燥器和排气过滤装置，防止水蒸气和可能存在的冰晶破坏真空泵，排气过滤装置防止挥发的真空油对实验环境的影响。同时还使用了热风干燥机不定时对真空罐进行热风干燥，以减小真空罐内水蒸气对系统压力所造成的影响。数据采集系统主要包括图像采集装置、温度采集装置和压力采集装置。试验用图像采集设备是XTZ-10ST型视频显微镜，该视频显微镜感光灵敏度高，曝光速度快。图像像素为30万，最高可放大50倍，最高采集速率为10 frame·s−1。热电偶采用直径为0.1 mm的铜-康铜丝制作，Ⅰ级精度，允差值为±0.5℃，实验时在热电偶头部悬挂液滴，用医用注射器调整液滴的位置并悬挂液滴，液滴靠张力悬挂在热电偶丝上。压力采用MD-GA100高精度绝压变送器，静态精度为0.5%FS，此变送器为24 V供电4～20 mA输出的两线制压力变送器，压力传感器测量范围是0～5 kPa，与输出电流4～20 mA线性对应，数据采集周期为1 s。真空泵、真空罐、闪蒸室之间采用真空软管连接。

1.2 实验方法

实验过程如下：开启真空泵将真空罐的压力抽到预设压力，同时开启制冷机组，使真空罐内的冷却盘管预冷并达到设定温度；再开启恒温水槽使工作液的温度达到预设温度，悬挂好液滴后密封；打开真空罐与闪蒸室之间的连接阀门，闪蒸室内压力会瞬时下降，液滴闪蒸过程迅速开始，此时将液滴温度、闪蒸室压力及液滴的相变过程分别用热电偶、压力传感器和高速显微摄像机记录下来。这里需要说明的是由于闪蒸室存在一定的泄漏，故整个实验过程真空泵始终保持工作状态。

液滴为去离子水液滴、5%乙醇溶液液滴、10%乙醇溶液液滴、20%乙醇溶液液滴，液滴直径为0.92 mm，温度范围为20℃左右。初始环境压力为1个大气压力，真空环境压力为100～1000 Pa。

2 实验结果与讨论

2.1 液滴闪蒸过程现象描述

打开真空罐与闪蒸室之间的阀门，液滴瞬间处于低压状态，观察液滴在不同压力下的闪蒸现象。根据观察到的现象，闪蒸过程大致可以分为以下5个阶段。

① 液态蒸发。如图2(a)所示，液滴没有结冰，闪蒸发生在液滴表面，液滴的体积迅速减小，没有得到冰晶。

② 伴随气泡增长的蒸发。如图2(b)所示，随着压力继续降低，液滴的内部靠近热电偶丝节点处会产生气泡，气泡不断积累、长大，并溢出进而消失。此过程液滴体积有微量的减小，但未产生冰晶。

③ 稳态蒸发结冰。如图2(c)所示，压力下降到一定程度，液滴表面会迅速蒸发降温到过冷状态从而结冰。由于液滴结冰速度较快，所以因蒸发而造成的液滴直径减小现象非常微弱。液滴首先从外部开始出现结冰现象，然后逐渐向液滴内部伸展直到整个液滴全部结冰。

④ 伴随气泡生长的结冰。如图2(d)所示，结晶开始时，因为冰的密度比水的密度小，所以液滴的体积膨胀直至破裂。气泡在液滴内部产生，尚未及时逸出，液滴外部就已经开始结冰，因此气泡会从结冰缝隙处逸出，加之升华作用，使缝隙处残缺，冰晶表面不光滑。

⑤ 外部结冰，内部气泡逸出，爆裂。如图2(e)所示，可以清晰地看出结冰后，液滴内气泡溢出，是冰晶爆裂的过程。液滴外层已经结冰完毕，但内部气泡仍在生长，使得冰晶膨胀、变形，最终爆裂。

2.2 压力及温度随时间的变化

不同浓度乙醇溶液液滴的闪蒸压力及液滴温度随时间的变化曲线如图3所示。从图中可以看出，液滴出现了明显的过冷现象，乙醇对溶液的过冷影响甚微。随着溶液浓度的增加，液滴结晶时的温度降低，液滴结晶所需时间越长，液滴结晶时闪蒸室压力呈现先增后降的趋势。

这里把乙醇溶液看作是理想液体混合物，在压力恒定的情况下，理想液态混合物的相图如图4所示。由于乙醇与水具有良好的互溶性，在水中的溶解潜热较大。在低真空环境下，乙醇的沸点小，其相对挥发性大，在相同真空压力条件下，沸点低于水。在一定压力条件下（该压力可以高于水的三相点压力也可以低于水的三相点压力），乙醇优先蒸发。即乙醇会优先于水蒸发，乙醇的蒸发需要带走大量的热量，使得乙醇溶液液滴温度降低，甚至有冰晶生成。

2.3 分析与讨论

对比可知乙醇溶液的真空蒸发压力和蒸发温度与溶液的浓度关系紧密，溶液浓度过高，其三相点压力不增反减，而对于三相点温度却始终是降低的。这主要由于液滴内部的传热速率远高于传质速率，乙醇溶液液滴的浓度变化率不及温度变化率，所以乙醇只蒸发了一部分，而大部分乙醇仍残留在液滴内，由于乙醇的冰点比水低得多，因此随着乙醇溶液浓度的增高，其冰点降低。此外，由于液滴结晶过程是从外向内，液滴的外表面优先形成冰壳，冰壳形成后乙醇的蒸发过程受到了抑制，只有通过冰壳表面的升华作用带走热量，冰壳表面的升华带走的热量没有乙醇蒸发带走热量速度快，对于乙醇溶液而言，当浓度很小时，发生闪蒸时大部分乙醇已经蒸发，而残留在液滴内的乙醇已所剩无几，乙醇的蒸发带走热量，液滴会发生结晶，因此压力高于水的三相点压力时，液滴也会结晶。当浓度较大时，只有小部分乙醇蒸发，而大部分乙醇仍残留在液滴内，液滴的三相点会下移，所以需要较长时间的闪蒸以带走更多的热量来使液滴结晶。

3 结 论

利用自行设计的悬垂液滴的真空闪蒸可视化实验装置，研究了不同浓度乙醇溶液液滴的降压闪蒸特性，从实验现象上来看，乙醇溶液液滴的闪蒸过程与水的闪蒸过程并无差异，同样会经历液态蒸发、伴随气泡增长的蒸发、稳态蒸发结冰、伴随气泡生长的结冰、外部结冰，内部气泡逸出，爆裂5种形态。从实验结果可得出以下结论。

（1）随着乙醇溶液浓度的升高，液滴的冰点越低，液滴过冷时间越长，液滴结晶所需要的时间也就越长。

（2）一定浓度乙醇溶液能够提高真空制冰系统的运行压力，减小了闪蒸室对承压能力的要求，有利于提高系统的运行效率和减少能耗。

（3）乙醇溶液的冰点要比水的冰点低，这对冰晶的形成极为不利。所以在采用乙醇溶液为制冰工质时，要控制好乙醇溶液的浓度。

符 号 说 明

p——膜过滤压力差，Pa T——温度，℃ x——摩尔分数，% y——质量分数，% 下角标 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

国家自然科学基金项目（51376115）；上海海事大学研究生创新基金项目（2015ycx048）。

2016-02-03收到初稿，2016-04-21收到修改稿。

联系人：章学来。第一作者：黄亮（1988—），男，硕士研究生。