為了獲取油液真空蒸發(fā)脫水的動態(tài)特性，采用假想薄膜理論 ，考慮了Stefan 流、水滴瞬態(tài)加熱等因素，建立了油中水滴的蒸發(fā)過程的質(zhì)量守恒、能量守恒方程以及水滴運(yùn)動的耦合方程； 分析了油液真空蒸發(fā)脫水這一復(fù)雜的耦合過程中油中水滴表面蒸發(fā)特性，水滴在油中的傳質(zhì)、傳熱效能及其影響因素； 結(jié)果表明油液環(huán)境介質(zhì)利于水滴與環(huán)境的傳熱，且真空度對水滴蒸發(fā)的效能具有較大的影響，對深入研究真空濾油機(jī)的油水分離機(jī)理奠定前期基礎(chǔ)。

　　油中混入一定量的水分后，會使油液乳化，降低油液的理化性能； 采用低溫加熱，蒸發(fā)，不破壞油中的有效成分，防止油品的老化，能有效地解決這些問題。目前常常采用真空減壓處理的方法去除油液中的水分，真空濾油機(jī)是典型的真空除水處理的設(shè)備。真空濾油機(jī)脫水過程中其內(nèi)部流場十分復(fù)雜，涉及油、水、蒸汽三相流動、傳熱、傳質(zhì)等多種作用的耦合。對于這種復(fù)雜的微觀流場建模，通常只考慮小雷諾數(shù)的單液滴受到連續(xù)相的拖曳力、對流熱交換、傳質(zhì)效能情況下的控制方程，直接對每一個(gè)液滴進(jìn)行數(shù)值仿真，或?qū)�統(tǒng)計(jì)學(xué)上的液滴群進(jìn)行兩相湍流建模。Studer 等對蒸發(fā)過程中的熱量傳遞進(jìn)行了分析，首次考慮了液體主體與表面層之間的熱量傳遞.除了通過實(shí)驗(yàn)分析得出的經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵酝猓珺righton、Kunsch、Boyadjiev 等還根據(jù)擴(kuò)散理論、邊界層理論對蒸發(fā)過程進(jìn)行了研究，建立了描述蒸發(fā)過程的偏微分方程。

　　Martynenko研究了非平衡蒸發(fā)的不可逆熱力學(xué)現(xiàn)象，表明環(huán)境溫度對蒸發(fā)過程產(chǎn)生明顯的影響，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Dombrovsky提出了一個(gè)基于液滴內(nèi)部近似拋物線上升的溫度情況下的非等溫液滴蒸發(fā)簡化模型，此模型考慮了液滴內(nèi)部的瞬態(tài)升溫過程的d2 蒸發(fā)方程，對內(nèi)燃機(jī)的燃料液滴的蒸發(fā)和溫度變化仿真結(jié)果表明此模型比常見的等溫液滴模型更符合工程實(shí)際。Bellan分析了氣體環(huán)境下各種不同型式的液滴蒸發(fā)模型，包括經(jīng)典平衡蒸發(fā)和非平衡蒸發(fā)的Langmuir-Knudsen 方程，認(rèn)為所有模型在氣流溫度低于液滴的沸點(diǎn)時(shí)蒸發(fā)率很小，當(dāng)氣流溫度超過液滴沸點(diǎn)后，不同模型獲取的蒸發(fā)率就出現(xiàn)不同的差別； 當(dāng)液滴初始直徑小于50 Lm 時(shí)非平衡蒸發(fā)過程作用比較明顯，且隨著氣液相對速度的增加而增加。倪培永采用單液滴非平衡蒸發(fā)的數(shù)學(xué)物理模型，研究了靜止環(huán)境中甲醇液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)特性，獲得了不同環(huán)境壓力、環(huán)境溫渡和液滴的初始溫度條件下液滴半徑和液滴溫度的變化規(guī)律。盧江等對水滴的蒸發(fā)進(jìn)行了理論分析和研究，并進(jìn)一步討論了蒸發(fā)時(shí)間與水滴直徑、水滴速度以及介質(zhì)溫度之間的變化規(guī)律。劉乃玲建立了球?qū)ΨQ的液滴在空氣中蒸發(fā)時(shí)分子擴(kuò)散的微分方程和液滴蒸發(fā)非穩(wěn)態(tài)階段的數(shù)學(xué)模型，并用迭代方法對該模型進(jìn)行了數(shù)值求解，認(rèn)為非穩(wěn)態(tài)階段的過程很短，液滴尺寸的變化很小。蘇凌宇對突然置入氣體環(huán)境中的運(yùn)動液滴的非穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)過程進(jìn)行了傳熱傳質(zhì)過程的理論分析，建立了初始瞬間液滴非穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)的數(shù)學(xué)模型,結(jié)果表明，在一定情況下，運(yùn)動液滴突然置于氣體環(huán)境中的初始瞬間，由于氣液界面上與周圍環(huán)境之間存在較大的濃度差，使得液滴在初始瞬間的蒸發(fā)速率很大，將會使氣液界面的溫度有所下降，這一溫度的下降范圍與液滴的初始溫度、環(huán)境的初始溫度以及液滴的運(yùn)動速度有關(guān)。

　　可見，國內(nèi)外學(xué)者在研究蒸發(fā)的傳質(zhì)、傳熱過程中，較多關(guān)注的是氣體環(huán)境中液滴的平衡或非平衡蒸發(fā)問題，側(cè)重于液滴的蒸發(fā)特性，或著眼于液滴的運(yùn)動特性，對其運(yùn)動與蒸發(fā)的相互影響方面研究得還不夠深入。對于真空濾油機(jī)脫水過程這種復(fù)雜流場下，油水以一定初始溫度、初始速度進(jìn)入真空環(huán)境中，一邊運(yùn)動，一邊蒸發(fā)，水滴速度在油流阻力作用下不斷減小，其蒸發(fā)規(guī)律隨時(shí)間不斷變化，運(yùn)動與蒸發(fā)相互影響，相互耦合，對這一復(fù)雜的耦合過程中油中水滴表面蒸發(fā)特性如何，水滴在油中的傳質(zhì)速率以及傳熱效能是真空濾油機(jī)極其重要的決定因素。因而真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)發(fā)布的這篇文章是從基本的傳熱傳質(zhì)過程入手，對這一過程建立數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值求解該模型，獲取油中水滴的蒸發(fā)動態(tài)特性。

1、油中水滴蒸發(fā)模型

　　對油中水滴的蒸發(fā)過程，作如下簡化假設(shè)：水滴球?qū)ΨQ蒸發(fā)；水滴周圍的環(huán)境壓力遠(yuǎn)低于液滴達(dá)到臨界狀態(tài)所需壓力，油液在水滴中的擴(kuò)散速率與水滴蒸發(fā)速率相比很小，可認(rèn)為油液在油水界面上的徑向通量為零，即忽略油液的可溶性；考慮水滴比熱與汽化潛熱隨溫度、壓力變化，忽略水滴密度變化與內(nèi)部環(huán)流影響； 水滴表面附近的油相處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，滿足Clausius-Clapeyron 方程； 不考慮熱輻射效應(yīng)。

　　為了考慮水滴和油液相對運(yùn)動所產(chǎn)生的對流影響，采用/假想薄膜理論，即把所有的傳質(zhì)阻力都集中在具有層流特征、只發(fā)生分子擴(kuò)散并具有濃度梯度的界膜層內(nèi)。近似把邊界層的傳熱、傳質(zhì)阻力當(dāng)作通過球?qū)ΨQ的邊界層薄膜傳熱、傳質(zhì)阻力來研究,其所相應(yīng)的薄膜半徑用符號rc、r T 表示，如圖1 所示。水滴與油液有相對速度，但不考慮蒸發(fā)時(shí)的傳熱平衡方程為

圖1 油中水滴蒸發(fā)的物理模型

　　式(1) 中r s、rT 表示水滴的半徑和傳熱阻力的假想薄膜半徑； A表示傳熱系數(shù)； T0、T p 表示假想薄膜上的蒸發(fā)溫度和水滴蒸發(fā)平衡溫度； K為水滴蒸汽在油中的導(dǎo)熱系數(shù)。

　　根據(jù)上述模型假設(shè)，可建立油中水滴的質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程以及運(yùn)動方程。

4、結(jié)論

　　根據(jù)真空濾油機(jī)中油中水分蒸發(fā)的實(shí)際工況,考慮氣膜中隨溫度變化的熱物性參數(shù)、Stefan 流、Spalding 傳熱傳質(zhì)系數(shù)等因素的影響，當(dāng)油水以一定初始溫度、初始速度進(jìn)入一定的真空環(huán)境中，建立了油液中的水滴蒸發(fā)的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值求解該模型，分析了這一復(fù)雜的耦合過程中油中水滴表面蒸發(fā)特性，以及水滴在油中的傳質(zhì)速率以及蒸發(fā)規(guī)律。

　　(1) 水滴蒸發(fā)所處的環(huán)境介質(zhì)不同，水滴壽命會有很大的不同，分析表明油液環(huán)境介質(zhì)對水滴蒸發(fā)的影響較大，由于水滴表面溫度在達(dá)到飽和溫度之前，蒸發(fā)主要靠傳熱作用而進(jìn)行的，而油液的導(dǎo)熱系數(shù)較空氣介質(zhì)大，利于水滴與環(huán)境的傳熱。

　　(2) 水滴在油液內(nèi)運(yùn)動蒸發(fā)的耦合過程十分復(fù)雜. 蒸發(fā)水滴的運(yùn)動過程分為加速階段和平衡階段,其中加速階段為瞬態(tài)升溫階段，時(shí)間持續(xù)到0.02 s,期間水滴的直徑已減小為初始直徑的62%，但加速階段和直徑變化速度較慢。平衡階段水滴與油液的相對速度在此階段繼續(xù)衰減直至達(dá)到最小值，水滴直徑變化趨勢增加，直至逐漸減小到零。

　　(3) 隨著環(huán)境真空壓力的降低，同一直徑的水滴蒸發(fā)時(shí)間也隨之減少，反之真空壓力越大，蒸發(fā)速度越慢，水滴壽命越長，降低真空壓力對提高水滴蒸發(fā)的效能具有實(shí)際工程意義。

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