盐水液滴蒸发析晶实验研究及其反应工程法的单液滴模型

为建立适用于盐水喷雾蒸发数值模拟的单液滴蒸发模型,开展了NaCl溶液的单液滴蒸发析晶研究。首先,搭建了可同时测量液滴质量、温度、粒径的单液滴蒸发可视化实验平台,基于液滴的流致振动特性,提出了利用低通滤波改善振动信号对质量测量影响的方法;其次,开展了初始质量分数为10%的NaCl溶液液滴蒸发实验,明确了盐分析出对液滴温度、粒径和蒸发率的影响规律;最后,基于实验数据,获得了相对活化能和无量纲粒径随液滴干基含水率的变化关系,并建立了NaCl溶液液滴的反应工程法模型。数值模拟结果表明:所提模型预测结果的最大相对误差小于8%。该实验平台可为含析出性溶质液滴干燥过程中的质量测量提供重要借鉴,所提出的反应工程法模型也可用于NaCl溶液喷雾干燥的大规模高效数值计算。

热辐射加热下NaCl水溶液液滴蒸发过程的实验研究

为利用太阳能实现含盐废水的高效、低成本的深度脱盐,设计搭建了热辐射加热单液滴实验系统,以NaCl水溶液为工质,针对热辐射加热下单液滴蒸发过程开展了实验研究。采用波长为1450、1930 nm的激光器为热辐射源,功率密度为(1.4~2.1)×10^(5)W·m^(-2);液滴初始质量分数为0.13~0.26、初始体积为1.0~5.0μl。结果表明:(1)NaCl水溶液液滴蒸发过程可分为升温、析晶、热胀和降温四个阶段,其中析晶和热胀段是液滴蒸发的主要阶段;(2)提高外部辐射功率或采用大吸收系数波段可同时缩短升温、析晶及热胀段时长,提高表面平均蒸发速率;(3)提高液滴初始质量分数或初始体积可同时提高析晶温度、热胀段最高温度及表面平均蒸发速率,析晶段时长随初始质量分数的增大而缩短,但与液滴初始体积无关;(4)本文研究范围内NaCl水溶液液滴表面平均蒸发速率介于(0.7~7.4)×10^(-8)kg·s^(-1)之间,液滴温度依然是影响表面平均蒸发速率的主要因素。根据实验结果给出了热辐射加热下NaCl水溶液液滴表面平均蒸发速率的实验关联式,其计算值与实验值的主体误差在±20%之内。本文的研究结果可为热辐射驱动下含盐废水深度脱盐系统的设计和运行提供参考。

快速降压环境下盐水液滴蒸发过程的传热传质研究

采用VOF(Volume of Fluid)自由表面捕捉方法对盐水液滴蒸发过程中气液界面进行追踪,建立了降压环境下单个盐水液滴的蒸发模型,并通过盐水液滴蒸发的实验数据验证了此模型。通过对盐水液滴在相变过程中的形态变化以及传热传质特性的分析,研究了液滴内部温度、速度、蒸汽分布以及液滴形态等随时间的变化情况,分析了影响盐水液滴降压蒸发过程的主要因素。结果表明:在降压蒸发过程中液滴形态变化和环境中蒸汽的分布会随速度场的变化而变化;蒸发过程中初始盐组分质量浓度越大的液滴蒸发速率越缓慢,最终能达到的液滴最低中心温度越高,且液滴中心温度回升速度越慢、回升时间也越晚;液滴初始温度对蒸发速率影响较大,初始温度越高,表面蒸发速率越快,液滴中心温度回升速度越快。

疏水界面上的NaCl液滴蒸发过程内环流调控机制研究

盐水微液滴蒸发结晶在海水淡化、晶体制备、药物预混合和颗粒筛选中具有非常重要的作用。通过计算流体动力学模型,对不同疏水界面传热系数和不同直径疏水平台上的NaCl盐水液滴蒸发过程开展模拟研究,主要通过模拟预测了液滴内流体在温度和浓度差作用下的环流演变机制。模拟结果通过光学可视化和红外热成像仪进行了验证。结果表明,常温蒸发下,NaCl液滴内部的环流主要由Rayleigh对流和溶质Marangoni效应主导。不同的固液界面传热系数会影响液滴的升温速率和温度分布,当温差大于一定值时,热Marangoni效应可以主导液滴内部环流。基于Rayleigh数和Marangoni数的调控区间制得了流场演变相图,有效地预测液滴内部的环流状态。盐水液滴内环流方向和持续时间可以通过调整热Marangoni效应来控制,从而影响最终蒸发结晶的晶体形貌和沉积分布。这项工作可以为蒸发界面设计、蒸发结晶的过程控制等提供理论依据。