文章编号:100520930(2005)0420381207 中图分类号:TK121 文献标识码:A
收稿日期:2005207211；修订日期:2005211228
基金项目：国家自然科学基金(50476047)资助
作者简介：刘伟民(1964—)，男，高级工程师，在职博士研究生.
刘伟民1, 毕勤成1, 杨 冬1, 董明晓2, 齐方成1, 毕新刚
1(1.西安交通大学多相流动国家重点实验，陕西西安710049; 2.西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049)
全局消息钩子>电源线扣
摘要：在低压环境P =200—800Pa 的工况范围内，研究了在闪蒸结冰过程中，液 滴温度的变化与环境压力之间的关系.试验结果表明：在低压闪蒸结冰过程中, 随着气压的降低，因为过热，液滴内部产生气泡的强度增加.液滴的破碎和液滴
内部气泡的生长速度与环境压力有直接关系；在闪蒸过程中，液滴处于热力学非
平衡状态，表现在液滴外侧发生的温度跳跃很小，而在液滴内部发生的温度跳跃
很大；由于液滴蒸发的影响以及闪蒸过程中蒸发波的产生，即使在真空状态下,
液滴周围仍存在一定的压力.
关键词：闪蒸；低压；液滴；相变；结冰闪蒸就是液体过热并快速挥发成蒸汽的过程.在这一相变过程中，闪蒸会吸收大量的热量，液体过热是产生闪蒸的前提条件.过热分两种情况：第一种是对液滴加热，由于热量不能快速地传导到液滴的内部，过热只发生在液滴的表面；第二种情况是液滴所处的环境压力快速下降，使得整个液滴处于过热状态，这时闪蒸不仅发生在液滴的表面，液滴的内部也发生闪蒸.
闪蒸蒸发广泛地应用在制冷行业、脱盐化工等工业中.冷冻蒸发
[122]也应用在食物储存中.反应堆冷却剂失水事故中也对闪蒸进行了深入的研究[3].Shin H T [4]等报道了水滴
喷射进真空中的理论研究和实验工作，理论研究中采用了扩散蒸发控制模型，但是对喷射闪蒸制冰过程中，支配热传递的机理没有做充分地阐述.Owen I 等
[5]与Isao Sat oh 等[6]对液滴所处环境压力的快速下降，使得整个液滴处于过热状态的支配热传递的机理进行了研究.Owen I 等[7]研究了直径1—3mm 的水滴，从压力9bar 的环境突然降压到大气压力情况下的液滴温度变化的情况.Owen I 等将液滴过热度划分两个范围,5—18℃和18℃以上.液滴过热度5—18℃时，液滴内部可观察到气泡的产生，但液滴不发生破碎，液滴过热度在18℃以上时，液滴发生爆裂并产生闪蒸.Isao Sat oh [6]
定性地分析了液滴换热的内在机理，对真空中液滴闪蒸结冰过程进行了分析.并利用闪蒸的机理，对天然气在管内输送过程中，因压力降低发生闪蒸而产生的冷量通过相变物质予以储存利用.另外，液体火箭和载人飞船在向太空排放液体的过程中，在排放管的下游、以及在管外射流表面会产生闪第13卷4期
2005年12月应用基础与工程科学学报JOURNAL OF BASI C SC I E NCE AND ENGI N EER I N G Vol .13,No .4
Dece mber 2005
蒸[728].由于闪蒸造成的快速吸热，可能导致排放的液体快速结冰，这将对排放管的出口温度产生影响，如果影响到排放管的末端，并发生结冰时，将影响火箭的二次点火.载人飞船中会发生宇航员空中生活质量恶化的问题.液体在太空排放过程中，其混合形态可有多种情况.当射流很小时，液滴将在管
口处形成.随着流量的增加，射流长度逐渐达到最大.超过此流量后，液柱的射程逐渐变短，对于很大的流量，液体射流在管口处就分解成了液滴[8].因而研究液滴的闪蒸换热机理是很有必要的.对液滴在管内的闪蒸换热研究，可以为电加热防堵装置的设计提供热负荷；了解管外液滴的温度变化，可以为动态计算确定边界条件.
本论文研究解释了液滴闪蒸结冰过程中，液滴内形成的气泡随压力变化以及液滴内不同位置点的温度变化的机理.
1 实验系统装置与实验方法
本试验装置如图1所示，系统由一个测试罐体，一个真空罐(018m3)，一台真空泵,
以
图1 实验装置系统图
Fig.1 Sche matic diagra m of the test
及N I高速数采系统组成.测试罐直径 100mm，长180mm；真空罐直径 800mm、高116m、V=018m3；真空泵流量是8l/s、最低压力为5×10-4 Pa，真空泵与真空罐之间用DN20内嵌钢丝塑料管连接，管段连接长度为112m；真空罐与测试罐体之间也用DN20内嵌钢丝塑料管连接，连接长度为115m；为使每次开启时间一致，采用电磁阀动作，电磁阀完全开启时间为015s.压力传感器采用
Rose mount3501CA绝对压力变送器，测量范围为0—207kPa，测量误差为01075%，响应频率为20Hz.热电偶用直径为011mm铜2康铜丝制作，实验时在热电偶头部悬挂液滴，用医用注射器调整悬挂液滴的位置和大小，液滴靠张力悬挂在热电偶丝上.在热电偶节点的上方粘贴015mm宽度的座标纸，用来标定液滴直径的大小.拍摄液滴闪蒸的变化过程用高速摄影机或者DV摄像机，高速摄影机拍摄速度为250帧/s.DV摄像机拍摄速度为25帧/s.
工作过程如下：开启真空泵将罐内的压力抽到预定真空度的压力，过低时可以用通大气的阀门加以调整.将液滴悬挂好后密封，开启电磁阀，由于测试罐内压力突然降低，液滴闪蒸过程马上开始，此时将液滴温度、测试罐内的压力与相变的过程分别用热电偶、压力传感器和高速摄影仪记录下来.城市规划模型
测试罐内液滴的温度维持在20℃，罐内实验压力分别取200Pa、500Pa、800Pa.液滴工质为去离子水.
2 实验结果及讨论
283应用基础与工程科学学报 Vol.13
2.1 液滴闪蒸过程的现象描述
使液滴突然置于罐内低压环境下，观察了液滴在不同压力条件下的过热闪蒸过程.根据观察到的现象，闪蒸可以划分成五种情况:(1)液态闪蒸，见图2.液滴环境压力不够低.液滴整体并未达到过热，但是环境中水蒸气的分压力大大低于液滴表面的水蒸气的分压力，闪蒸在液滴的表面发生，液滴内部出现相对均匀的小气泡，小气泡出现时间很短，一般是溶解在液滴中的空气析出造成的现象.同时在图片中可以观察到液滴周围有很明显的水蒸气蒸发波.射流在低压闪蒸中也会产生激波现象在很多文献[9212]中都有描述.绝对压力越低，观察液滴中空气析出现象和水蒸气蒸发波通过的图像的时间越短.从高速摄影图像观察分析，在液滴完全闪蒸完以前，没有再出现新的水蒸气蒸发波波动条纹.由此推断蒸发波产生的压力场和文献[9212]中介绍的激波的作用，一直在维持液滴周围的压力
,
图5 气泡溢出
Fig .5 Freezing of evaporati on
with bubble escaping 图6 爆裂Fig .6 Burst of water dr op let
因此即使是初始状态为真空，闪蒸后液滴周围的压力并不
为零.(2)稳态蒸发结冰，见图3.这种情况是在环境压力
低于水的三相点压力，并且与水的三相点压力相差不大时
发生.随着液滴表面的蒸发，液滴逐渐降温，一直到过冷状
态，首先在液滴的外部出现结冰现象，冰晶逐渐向液滴核
心伸展，直到整个液滴完全结冰.(3)伴随气泡生长的蒸发
结冰，见图4.随着环境压力继续降低，由于液滴的导热量
不足以使潜热快速地释
放，液滴的内部将会产生
气泡，气泡生长的速度不是很快，除了开始时溶解
在内部的空气析出外，靠近热电偶丝节点处，气泡会逐渐
聚集、长大，液滴结冰后，将气泡冻结在液滴的内部.有些
电弧发生器情况是气泡生长到一定程度后消失.(4)气泡逸出，见图5.当周围环境的压力和液滴温度对应的饱和压力相比
较，低到一定程度的时候，液滴内气泡的生长速度会加
快，在液滴完全结冰之前气泡从液滴中溢出，使得液滴局3
83No .4 刘伟民等：低压闪蒸液滴温度与相变过程的研究
部破碎；或者是液滴外部结冰但没有冻实，但气泡继续生长变大，使结冰液滴的局部崩开.液滴内气泡的排出能增加结冰的速度，这是因为气泡在液滴内部存在的过程中会凝结放热.(5)爆裂，见图6.液滴快速气化长大，液滴的张力不足以继续维持液滴保持其球形形状，使得液滴突然破碎.这种情况液滴存在的时间极短.
虚拟机管理系统2.2 液滴闪蒸过程中温度沿半径方向的变化
柔性线路定义热电偶与液滴中心的相对偏差用η表示，见图7，其中η=s 2+r 2
S 2+R 2,s 与r
皆取绝图7 液滴中心与热电偶中心相对位置的关系Fig .7 Relative positi on bet w een
the center of a water dr oplet
and that of a ther mocoup le 对值，由于重力的作用S ≥R，为减少液滴形状对结冰过程
的影响，采用S 与R 相对接近的液滴.对于球形液滴η=0
时，表示热电偶中心与液滴中心的位置重复,η=1时，热
电偶节点正好与液滴的外表面重合.
图8—图11为直径为1.65mm 的液滴，在环境压力突
然由一个大气压力降到200Pa 时，将热电偶的节点置于液
滴的不同位置，观察液滴温度随时间的变化情况.图8是
η=0时，液滴温度变化的典型曲线图.降压后，可以观察
到液滴中心点温度大约0℃(A 点)以后，液滴温降随时间的变化率开始减缓，液滴温度继续减低直到B 点大约在-14.5℃，液滴中心温度突然上升到C 点大约在-012℃，然后缓慢地到达D 点，然后线性降温到E 点,E 点后一段时间温度不发生变化，然后缓慢上升，最后温度出现快速的上升.图9是η=0127时，
降压后液滴测点处温度随时间变化曲线，液滴线性降温到A 点大约-2℃,A 点到B 点曲线相对图8变陡,C 点温度相对图8下降，大约在-8℃.图10是η=0175时，液滴测点处温度随时间变化曲线，当温度降到-2℃时，温度曲线出现波动,A 、B 、C 点基本重合.图11是液滴在η=0193时的液滴温度曲线，液滴温度从最高点降到最低点的过程中，温度没有出现波动.由此可见，液滴从外到里温度分布不均衡，因此液滴的闪蒸是一个非平衡热力学过程
.
图8
η=0测点处液滴温度变化曲线Fig .8 Curve of te mperature of ther mal
coup le at η=0
图9 η=0127测点处液滴温度变化曲线Fig .9 Curve of te mperature of ther mal coup le at η=0127
483应用基础与工程科学学报 Vol .13
图10
η=0175测点处液滴温度变化曲线Fig .10 Curve of te mperature of ther mal
coup le at η=0175
图11 η=0193测点处液滴温度变化曲线Fig .10 Curve of te mperature of ther mal coup le at η=0193
我们可以从液滴的热平衡考虑出发来解释上述现象.液滴在闪蒸过程中与周围的低压环境进行热交换，同时液滴与环境之间也存在着质交换，局部形成低压环境.因此液滴与环境之间的热交换，不仅有液滴蒸发换热，也有对流换热.发生凝固时，液滴凝固放出的凝固热也是通过对流换热和液滴气化、蒸发将热量带到环境中去；液滴从结冰开始直到完全结冰的过程中，液滴释放的凝固潜热热量等于液滴与环境的对流换热量及蒸发带走的热量之和:
Q S 0=Q C +Q E (1)
式中Q S 0表示液滴凝固放出的热量;Q C 表示对流换热量;Q E 表示蒸发换热量.
根据热平衡关系式(1)，对图8—图11中的曲线做如下解释：液滴由于表面蒸发，温度降低；液滴温度到达A 点后开始出现结冰；结冰首先出现在外围，液滴波峰幅度从图8到图10逐渐减小，到图11完全消失.图11中热电偶测点接近液滴外侧，故液滴结冰后曲线发生波动，这主要是由于液滴内热传导的速度不能将热量迅速地传到液滴测点外，而由于测点距液滴外侧较近，外侧的温度相对较快的传到测点处.但闪蒸过后，由于冰的升华使得热电偶丝在很短的时间内暴露在空气中，温度曲线得以快速地回升.
由于结冰释放出凝固热，且凝固潜热比液滴的显热要大得多，因此温度曲线的变化率减缓；由于液滴结冰逐渐向液滴中心发展，凝固热对液滴中心起到加温作用，液滴内部由于潜热的释放，液滴中心温度快速的回升到三相点的状态；结冰过程完成到达D 点后，由于没有凝结热的继续产生，液滴快速冷却到E 点，到达E 点后由于液滴升华吸收的热量与环境中的热辐射以及通过热电偶丝导入的热量达到相对平衡,E 点后温度变化相对稳定，但是升华的作用使得液滴逐渐变小，使得热平衡慢慢的被打破，液滴温度出现上升，当液滴升华，使得结冰液滴逐渐减小并逐渐暴露出热电偶丝后，温度会出现快速的上升.从图8、图9中可以看到，由于凝固放热在液滴内部产生一个从BCDE 温度波动的波峰.
2.3 闪蒸过程中液滴温度的变化与压力的关系
以η=0情况为例，随着压力的减小，液滴从初始温度变化到B 点所用的时间逐渐减少，这和液滴内部的过热有关，随着压力的降低，液滴内部过热度增加，液滴汽化强度增
5
83No .4 刘伟民等：低压闪蒸液滴温度与相变过程的研究
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议