基于質量與能量守恒原理、熱力學理論和相變傳熱傳質原理，建立了單個鹽水液滴真空蒸發(fā)過程的數學模型，對比理論模擬結果與實驗數據，驗證了模型的有效性。通過模型計算探討了液滴的無量綱面積，液滴內部濃度分布和溫度分布隨時間的變化，理論分析了鹽水液滴真空蒸發(fā)過程中溫度變化的影響因素。結果表明，抽真空過程中，鹽水液滴內部存在顯著溫差，而濃度梯度很小。最終環(huán)境壓力、液滴初始鹽分濃度和初始直徑對溫度變化影響顯著; 而液滴初始溫度對真空蒸發(fā)過程影響很小。真空蒸發(fā)的基本原理是利用抽真空降壓而使液體相變蒸發(fā)，鹽水溶液的真空蒸發(fā)過程廣泛的應用于海水淡化和工業(yè)脫鹽領域，真空技術網(http://www.13house.cn/)認為研究單個鹽水液滴真空蒸發(fā)過程的溫度變化對閃蒸蒸發(fā)器的設計具有重要的參考價值。

　　液滴的真空蒸發(fā)是一個傳熱傳質的耦合遷移過程。到目前為止，已有眾多學者對真空蒸發(fā)過程進行了實驗和理論研究。Owen、Satoh、劉偉民采用熱電偶懸掛法實驗研究了純水液滴真空蒸發(fā)過程的形態(tài)和溫度變化規(guī)律。時圣店實驗研究了真空蒸發(fā)冷凝制備超細Cu 粉的方法和規(guī)律，獲得了蒸發(fā)溫度、真空度、保溫時間和冷凝條件對Cu 粉粒度和形貌的影響規(guī)律。理論研究方面，Kim利用擴散蒸發(fā)控制模型分析了水滴真空蒸發(fā)過程中的熱質交換; 章學來對水滴的真空閃蒸/冷凍過程建立數學模型，預測溫度變化過程; 張世偉對純水真空蒸發(fā)凍結過程建立了集總參數熱力學模型，獲得了整個過程的質量、溫度、壓力-時間曲線。然而目前針對鹽水液滴的真空蒸發(fā)過程研究較少。Gopalakrishna、Zhang對鹽水溶液的真空蒸發(fā)過程進行了實驗和理論研究，分析了初始液膜濃度、液膜高度和過熱度對蒸發(fā)過程中液膜溫度及非平衡度的影響。駱騫針對鹽水液滴真空蒸發(fā)過程的溫度變化進行了實驗研究，分析了最終環(huán)境壓力、液滴濃度、初始溫度和初始直徑的影響。

　　現有文獻對液滴真空蒸發(fā)過程的研究主要集中于純水液滴，而對鹽水液滴真空蒸發(fā)熱力學過程的理論研究較少。鹽水液滴的真空蒸發(fā)機理較純水液滴更為復雜，還涉及到內部的組分擴散。在本人的前期工作中對純水液滴的真空蒸發(fā)過程建立了數學模型，實驗獲得了鹽水液滴真空蒸發(fā)過程的溫度變化。本文在文獻工作的基礎上，針對鹽水液滴的真空蒸發(fā)過程開展理論研究，建立了相應的數學模型。模型考慮了液滴內部的溫度梯度和濃度梯度，通過與實驗測量液滴溫度比較，驗證了模型的有效性。通過模型計算，掌握了液滴的無量綱積，內部濃度分布和溫度分布隨時間的變化，并分析了影響鹽水液滴真空蒸發(fā)過程溫度變化的主要因素。

鹽水液滴真空蒸發(fā)的數學模型

　　本文針對鹽水液滴的真空蒸發(fā)過程建立數學模型，模型考慮了抽真空過程中測試罐內的壓力變化以及由此引起的對流效應，液滴內部的溫度梯度和濃度梯度，液滴表面的蒸發(fā)和對流換熱。模型假設如下: ①液滴為球形，只考慮溫度和濃度沿徑向的變化; ②液滴表面的傳熱傳質認為是準穩(wěn)態(tài); ③液滴表面與周圍環(huán)境的輻射換熱忽略不計; ④不考慮液滴表面發(fā)生的結冰或析鹽過程。

結論

　　本文針對鹽水液滴的真空蒸發(fā)冷卻過程進行分析模擬，建立了該過程的熱力學模型。模型考慮了抽真空過程中的環(huán)境壓力下降，液滴周圍的氣流運動，液滴表面的蒸發(fā)換熱和對流換熱，以及液滴內部的溫度梯度和濃度梯度。通過模型計算獲得鹽水液滴真空蒸發(fā)過程中其中心溫度和表面溫度隨時間的變化，與實驗測量結果比較，兩者吻合較好，從而驗證了本文模型的有效性。

　　采用模型計算獲得了鹽水液滴的無量綱面積，內部濃度分布和溫度分布隨時間的變化。結果表明: 抽真空的快速降壓階段，液滴的無量綱面積與時間呈現出顯著的非線性。同時快速降壓造成液滴表面溫度迅速下降，液滴內部存在顯著溫差; 進入壓力維持階段后，液滴表面蒸發(fā)速度減慢，表面溫度與中心溫度逐漸趨于一致。而該過程中液滴內部鹽分濃度的變化很小。

　　通過模型計算與實驗數據對比，對鹽水液滴真空蒸發(fā)過程中溫度變化的影響因素進行了分析。結果表明，影響液滴溫度變化的主要因素有: 最終環(huán)境壓力、液滴初始鹽分濃度和初始直徑。最終環(huán)境壓力越低、液滴初始鹽分濃度越小、初始直徑越小，液滴蒸發(fā)速率越快，最低溫度也越低。而液滴初始溫度的影響很小，初始溫度越高，降壓階段液滴溫度下降越快，但對最低溫度和回升階段的溫度變化影響不大。