摘 要：考慮到液滴蒸發(fā)過程中與環(huán)境的壓差關系，液滴直徑對霧化的非連續(xù)性影響，對此引入克努森修正系數(shù)，可以降低對蒸發(fā)過程數(shù)值仿真的難度系數(shù)?；诹憔S模型前提下，建立氣液兩相的質(zhì)能模型?；诖四Ｐ?，研究了空氣溫度、噴霧溫度與氣液體積比對加濕性能的影響。

關鍵詞：零維模型；質(zhì)能模型；液滴；蒸發(fā)過程

隨著工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)外眾多學子對燃氣發(fā)生器中的燃油噴嘴霧化效果展開一系列研究。對于液滴蒸發(fā)的研究通常以單液滴蒸發(fā)為基礎進行，最基本的是Spalding模型。本文將熱力學的零維模型用于海水在蒸發(fā)過程中研究。對無二次污染物濃海水的排放，提高凈化系統(tǒng)的經(jīng)濟效益具有參考價值。

1 氣液兩相的質(zhì)能模型

在加濕器內(nèi)，噴入缸內(nèi)的液體不僅與缸內(nèi)高溫高壓氣體之間存在有傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象，同時液滴內(nèi)部也存在熱量和質(zhì)量的傳輸現(xiàn)象[ 1 ]。因此，本文主要從兩相的質(zhì)量和能量守恒進行研究。

1.1 液滴的質(zhì)量和能量守恒模型

水分子通過液滴表面向空氣中擴散蒸發(fā)，其蒸發(fā)過程遵循Fick定律，可以表征為水蒸氣擴散系數(shù)與液滴周圍水蒸氣分壓差之間的關系?？紤]到液滴直徑與霧化的非連續(xù)性影響，在傳質(zhì)過程引入克努森數(shù)的傳質(zhì)修正系數(shù)[ 2 ]。蒸發(fā)過程中，液滴的蒸發(fā)所需能量主要來自周圍空氣對它的熱傳導。因此液滴內(nèi)部能量變化量為周圍空氣對它的熱傳導和液滴蒸發(fā)導致液滴質(zhì)量減少使自身能量的損失之和。

1.2 空氣的質(zhì)量和能量守恒

隨著蒸發(fā)的進行，空氣相對濕度增加，空氣的質(zhì)量增加量為液滴的蒸發(fā)量。假設蒸發(fā)過程為絕熱蒸發(fā)，因此空氣的能量變化量為蒸發(fā)那部分液滴能量和空氣過熱傳導傳給所有液滴的能量總和。

2 邊界條件與求解

本文計算基于加濕器進口熱空氣和霧化液滴間熱質(zhì)傳遞守恒的四個微分控制方程。利用MATLAB2012a中“old15”求解器進行仿真計算。

3 計算結果與分析

本文給出液滴在加濕器中完全蒸發(fā)實現(xiàn)零排放時的工況為：氣液比為45×103時、加濕器進口溫度為90℃、噴霧溫度20℃、初始空氣濕度為2%及液滴霧化初始粒徑為100μm；本文主要針對空氣溫度、噴霧溫度與氣液體積比對加濕性能的影響進行分析。

3.1 空氣溫度與氣液體積比對加濕性能的影響

氣液體積比對加濕器出口相對濕度、出口空氣溫度和蒸發(fā)率的影響如下圖1所示。

當氣液體積比為25～40×103之間，進口初始空氣溫度在90℃左右時，出口相對濕度保持在100%，出口空氣的溫度可以達到35℃左右，蒸發(fā)率亦可達到70%以上，為出口冷卻系統(tǒng)的設計提供足夠的端差和能量回收空間，有利于海水淡化系統(tǒng)的設計。

3.2 噴霧溫度與氣液體積比對加濕性能的影響

海水溫度與蒸發(fā)率和出口溫度成正向關系、與出口相對濕度成反向關系。隨著氣液體積比的增加，將減小海水溫度對加濕效果的影響，而相對上述初始空氣溫度對加濕效果影響，初始海水溫度對加濕效果的影響小得多。

4 小結

分析結果表明，當空氣初始溫度為90℃、噴霧溫度為20℃、氣液體積比在45×103時，直徑為100μm的霧滴在1.29秒內(nèi)實現(xiàn)完全蒸發(fā)實現(xiàn)零排放，此時空氣相對濕度為78%；而當氣液體積比降低至40×103時，液滴直徑降至36.7μm時達到氣液平衡，此時空氣相對濕度為100%。空氣溫度、噴霧溫度與氣液體積比對加濕性能分析表明，相比進口熱空氣溫度而言，噴霧溫度對加濕性能的影響較小，當氣液體積比為25×103～40×103時，出口空氣相對濕度均能達到飽和狀態(tài)，出口空氣溫度為35℃左右，蒸發(fā)率可達到70%以上。

參考文獻：

[1] 魏明銳.二甲基醚發(fā)動機噴射霧化的理論和實驗研究[D].華中科技大學，2004.

[2] 龔代坤，朱惠人，劉存良，盧聰明.克努森數(shù)對氣膜冷卻流動換熱相似特性的影響[J].航空動力學報，2015，（05）：1106-111.

作者簡介：

馬圣（1992-），男，中國民航大學，碩士，研究方向：渦輪盤壽命及可靠性分析。