超声波作用对液滴冷却冻结过程的影响

为了揭示超声波辅助冷却冻结过程中的热质传递机理,在声场理论和热质守恒的基础上,结合液滴冷却冻结过程,建立了超声波作用下液滴冷却冻结数学模型,分析了冷却冻结过程中超声波对液滴温度、液固界面、液滴直径的影响,揭示了冷却冻结过程中超声波空化效应导致传质引起的传热量与超声波热效应产热量的变化规律。结果表明:超声波空化效应强化了液滴表面的传质,有利于液滴的冷却冻结;对于不同频率和强度的超声波,存在合理的超声波加载时间;将超声波作用下液滴冻结过程中液固界面的模拟结果与实验结果进行了对比,二者吻合性好,最大误差10.6%,最小误差0.3%。     

超声波作用下液滴的冷却冻结规律

超声波液体辅助冻结在食品、海水淡化及冰蓄冷等方面的应用得到了广泛关注。结合声场理论,在对液滴界面处热质传递分析的基础上,建立了超声波作用下的液滴冷却冻结数学模型,讨论了不同超声波频率、强度及作用时间对液滴界面处热质传递的影响,得到了超声波作用下液滴的冷却冻结规律。结果表明:超声波作用下界面处的传质系数随着超声波强度的增加而增大,但随超声波频率的增加而减小;在液滴冷却冻结过程中,质量传递与热量传递的方向相同,液滴的冷却冻结在超声波作用下得到了强化。在超声波频率为20000 Hz(强度为400W?m-2),经过相同的时间(60 s),超声波作用下的液滴温度比无超声作用的温度低2.0~2.5℃。研究将有助于深入理解超声波辅助冷却冻结机理,并为其工程应用提供了指导和参考。     

超声波作用下液滴的冷却冻结规律

超声波液体辅助冻结在食品、海水淡化及冰蓄冷等方面的应用得到了广泛关注。结合声场理论,在对液滴界面处热质传递分析的基础上,建立了超声波作用下的液滴冷却冻结数学模型,讨论了不同超声波频率、强度及作用时间对液滴界面处热质传递的影响,得到了超声波作用下液滴的冷却冻结规律。结果表明：超声波作用下界面处的传质系数随着超声波强度的增加而增大,但随超声波频率的增加而减小;在液滴冷却冻结过程中,质量传递与热量传递的方向相同,液滴的冷却冻结在超声波作用下得到了强化。在超声波频率为20000 Hz（强度为400 W·m^-2）,经过相同的时间（60 s）,超声波作用下的液滴温度比无超声作用的温度低2.0~2.5℃。研究将有助于深入理解超声波辅助冷却冻结机理,并为其工程应用提供了指导和参考。     

超声波对液滴冻结状态及传热的影响

超声波辅助冻结在食品、医疗及生物化学等领域得到了广泛的应用,为了明确超声波对溶液冻结过程中液固比例、孔隙率的影响,揭示冻结过程中热量的传递规律,在液滴冻结状态实验观测的基础上,结合声学及热质传递理论,建立了超声波液滴冻结理论模型,分析了超声波对液滴冻结状态的影响,比较了超声空化效应所引起的传质散热量和超声热效应引起的产热量的大小关系。结果表明:超声波有助于液滴表面的气泡逸出,气泡逸出率越大冻结过程中液固比例越小;当气泡逸出率一定时,液滴越小冻结过程中的孔隙率越大;超声波一定时,逸出率越小冻结过程中的孔隙率越大;对于冷却冻结过程,不同频率和强度的超声波存在合理的超声波加载时间。     

冻结液滴融化过程中的表面及界面演化特性分析

液滴在血浆储存、航空航天等技术领域广泛存在,而其机理研究主要集中在冻结阶段,对融化阶段的研究则相对较少。故此,本文通过液滴可视化实验,发现并归纳了冻结液滴在不同材料表面、不同基底温度下融化过程的动态表面及界面演化模式,总结了液滴表面扩散系数、高度系数、相界面偏离度等形态演化参数与相变时间之间的变化规律并对其展开分析。结果表明：冻结液滴存在3种不同的表界面演化模式;在熔融中后阶段,金属材料（纯铝板、镀锌板）表面冻结液滴的冰相区以颗粒群状分布态融化,冰晶结合度低,而高分子聚合物材料[有机玻璃（PMMA）及聚氯乙烯（PVC）试板]表面冻结液滴的冰相区呈块状分布态融化,冰晶结合度高;金属类材料表面冻结液滴的相变速率高于聚合物类材料表面冻结液滴的相变速率,金属表面相变时间在100s以内,而聚合物表面冻结液滴的相变时间在300s以内;金属表面最大扩散系数分布区间为0.950~1.021,聚合物表面最大扩散系数分布区间为1.000~1.076,温度高,则各类材料表面液滴的微观前驱膜移动受阻,液滴的表面润湿过程受阻;金属表面冻结液滴的高度系数及冰相高度变化率受冰相区变化影响,聚合物表面则主要受温度影响;温度升高会使热量传递过程不稳定,加剧聚合物表面冻结液滴偏离度位移的波动性。     

冻结液滴融化过程中的表面及界面演化特性分析

液滴在血浆储存、航空航天等技术领域广泛存在,而其机理研究主要集中在冻结阶段,对融化阶段的研究则相对较少。故此,本文通过液滴可视化实验,发现并归纳了冻结液滴在不同材料表面、不同基底温度下融化过程的动态表面及界面演化模式,总结了液滴表面扩散系数、高度系数、相界面偏离度等形态演化参数与相变时间之间的变化规律并对其展开分析。结果表明：冻结液滴存在3种不同的表界面演化模式;在熔融中后阶段,金属材料（纯铝板、镀锌板）表面冻结液滴的冰相区以颗粒群状分布态融化,冰晶结合度低,而高分子聚合物材料[有机玻璃（PMMA）及聚氯乙烯（PVC）试板]表面冻结液滴的冰相区呈块状分布态融化,冰晶结合度高;金属类材料表面冻结液滴的相变速率高于聚合物类材料表面冻结液滴的相变速率,金属表面相变时间在100s以内,而聚合物表面冻结液滴的相变时间在300s以内;金属表面最大扩散系数分布区间为0.950～1.021,聚合物表面最大扩散系数分布区间为1.000～1.076,温度高,则各类材料表面液滴的微观前驱膜移动受阻,液滴的表面润湿过程受阻;金属表面冻结液滴的高度系数及冰相高度变化率受冰相区变化影响,聚合物表面则主要受温度影响...     

固体表面温度对冻结液滴的相变过程与表面润湿特性的影响

通过液滴可视化实验,发现并归纳了冻结液滴在不同基底温度下于铝板表面融化过程的动态表面润湿特性,结合力学分析,总结了液滴润湿面积、体积、接触角等润湿参数与相变时间之间的变化规律。实验结果表明：液滴的润湿性主要受重力、表面张力、热毛细力的影响,重力对液滴的横向扩散促进作用、表面张力与热毛细力受底板温度影响具有抑制液滴润湿过程的作用;两种不同条件下,冻结液滴高度变化规律相同,随着融化的进行,液滴高度骤降,然后缓慢降低;不同冻结条件下,冻结液滴的润湿过程主要发生在融化初始阶段,重力促进液滴的润湿过程,液滴接触角处于65°～85°之间,而在润湿后阶段,接触角减小,重力的作用减弱,表面张力的作用增强,液滴的扩散进程受阻,体积下降的趋势也变缓;不同升温条件下,冻结液滴的润湿过程几乎没有发生,热毛细力与表面张力在润湿过程中占据主导性,随着基底温度的升高,液滴内部与三相线温差逐渐增大,Ma数呈增加的趋势,数值由1802增至22876,热毛细力始终抑制液滴的运动。     

超声波瞬间脱除冷表面冻结液滴的试验研究

试验研究了超声振荡对冷表面冻结液滴的影响。对施加频率20 kHz的超声振荡作用下冷平板上冻结液滴的脱除现象进行了可视化研究,记录了超声开启瞬间冻结液滴的脱落过程,分析了超声作用瞬间冷平板内部的温度变化规律,探讨了超声振荡瞬间脱除冻结液滴的机理。试验结果表明,超声作用瞬间冻结液滴脱离冷表面,且伴有弹开现象的发生,同时,平板内部出现温度阶跃。分析认为超声机械作用产生的剪切力以及空化作用产生的冲击力的联合作用是冻结液滴瞬间脱除的主要原因。结果表明,超声振荡能够瞬间脱除冷平板表面作为结霜基底的冻结液滴,是一种有效的除霜方法。     

舞动的液滴：界面现象与过程调控

液滴动态行为的调控在包括微化工、相变传热、喷雾冷却、农药喷洒、微流控芯片等领域都具有广泛的应用。液滴润湿过程包含着复杂的固液界面现象,借助界面效应对液滴动态行为进行调控是液滴调控领域的热点方向。将围绕多尺度润湿、界面结构驱动的液滴动态行为等过程中的若干科学问题进行综述。首先介绍了多尺度表面润湿基本理论,讨论了核化过程、液滴多尺度润湿、液滴弹跳和液滴多向迁移过程及液滴撞击固体表面过程中的固液界面作用机理,并展现了液滴动态调控在相变传热、喷墨打印、农药喷洒和微流控等工业过程的调控作用、应用以及主要发展趋势和方向。     

舞动的液滴:界面现象与过程调控

液滴动态行为的调控在包括微化工、相变传热、喷雾冷却、农药喷洒、微流控芯片等领域都具有广泛的应用。液滴润湿过程包含着复杂的固液界面现象,借助界面效应对液滴动态行为进行调控是液滴调控领域的热点方向。将围绕多尺度润湿、界面结构驱动的液滴动态行为等过程中的若干科学问题进行综述。首先介绍了多尺度表面润湿基本理论,讨论了核化过程、液滴多尺度润湿、液滴弹跳和液滴多向迁移过程及液滴撞击固体表面过程中的固液界面作用机理,并展现了液滴动态调控在相变传热、喷墨打印、农药喷洒和微流控等工业过程的调控作用、应用以及主要发展趋势和方向。     

Breaking bubbles and the water-to-air transport of particulate matter

Bubbles collapsing at an air-liquid interface eject small, high-speed droplets into the adjacent gas phase. The composition of these aersol-sized droplets may be markedly different from the bulk solution in which the bubbles originate. This bubble-breaking/fractionation phenomenon has major implications for a variety of environmental and industrial processes. In preliminary work reported here we have measured the transfer of micron-size latex particles to jet drops produced by the bursting of one-millimeter diameter bubbles. Jet drop concentration was measured as a function of: bulk particle concentration, bulk ionic strength, and depth of bubble release. Results show the droplet concentration to be relatively insensitive to bulk concentration but strongly dependent on ionic strength and trace contaminants.     

Electrospray evaporation and deposition

Electrospray transport, evaporation and deposition on a heated substrate is investigated theoretically by Lagrangian tracking of single droplets. The droplet mass and heat transfer are calculated under forced convection and compared to limited cases of electrospray transport only or droplet evaporation only. Segregation of primary and satellite electrospray droplets is observed also, in agreement with data in the literature. The arriving droplet diameter and spatial distribution at the substrate show that evaporation barely affects droplet transport. In contrast, droplet size and salt concentration can be affected significantly by evaporation. It is shown also how process parameters such as substrate temperature, initial droplet diameter and vapor transport may affect the film quality. Accounting for the Rayleigh limit of charged droplets, leads to acceleration of their evaporation when high substrate temperatures or small droplet diameters are employed.     

强化换热管型对超声波传播特性及空化效果的影响

目前对于超声波除垢效果影响因素的研究主要局限在超声波参数和换热介质参数两方面,而对于管道几何结构对超声波除垢效果影响的研究少有报道。为解决这一问题,通过自制超声波实验台分别采用圆管、波纹管、螺纹管和横纹管测量不同管道入口和出口处的声强和空化噪声积分数,对超声波在不同管道中的传播特性和空化效果进行了分析,并深入分析了影响机理。结果表明,管道的几何结构对超声波传播特性和空化效果有着明显影响,相比于圆管,超声波在强化换热管中的传播特性较差,但是由于湍流强度的增加,超声波在横纹管和螺纹管中的空化效果要优于圆管,而波纹管中由于过高的湍流强度空化效果反而比圆管差。     

超声波瞬间雾化结霜初始阶段液滴的可视化

介绍了一种超声波抑霜新方法。对频率20 kHz,功率50 W的超声波作用下铝表面液滴的动态行为进行了可视化观测。记录了超声开启瞬间液滴变形-铺展-雾化的全过程。试验结果发现,超声作用时,铝表面上的液滴首先产生剧烈扰动,继而变形、铺展。当液膜厚度减小到一临界值时,液滴瞬间雾化。超声机械作用产生的界面剪切力以及空化作用产生的高压冲击分别可能是诱发液滴变形和雾化的主要因素。结果初步表明,高频超声振动能够瞬间除去铝平板表面作为结霜初始阶段的液滴,为冷表面有效抑霜提供了可能。     

乙醇溶液液滴降压闪蒸特性

基于液滴低压闪蒸理论,设计了一套悬垂液滴的真空闪蒸可视化实验装置,研究了质量分数为0、5%、10%、20%的乙醇溶液液滴的降压闪蒸特性,记录了液滴的成核结晶过程。液滴在降压条件下会经历液态蒸发、伴随气泡生长的蒸发、稳态蒸发结冰、伴随气泡生长的结冰、外部结冰内部气泡逸出最终爆裂5种形态。研究表明乙醇溶液的浓度越高,液滴的凝固点越低,液滴结晶所需时间越长;同时还发现一定浓度的乙醇溶液可以提高液滴结晶时的闪蒸室压力,降低了对系统真空度的要求。     

沉浸式换热器超声强化传热影响因素

以沉浸式换热器为研究对象,通过壁面加载超声波,比较了超声波振幅、换热器入口流速和管外压力对超声波效应及强化传热效果的影响。结果表明：超声波振幅由20μm增大至35μm时,表面对流传热系数增幅由15.67%增至26.71%;管外压力由0.1MPa增大至1.0MPa时,表面对流传热系数增幅由20.95%增至48.43%;入口流速由1.0m/s降低至0.05m/s时,表面对流传热系数增幅由1.76%增至39.01%。增大超声波振幅、环境压力和减小介质流速均能增强超声波声流现象和空化效应,有效提高超声波强化传热效果;高压环境会使同振幅、同频率超声振动作用下声功率呈指数增长,高流速会降低流体介质的声能密度,两种情况都需要匹配合适的超声波以保证强化传热最佳效果。     

基于超声技术的沉浸式换热器强化传热研究

针对沉浸式换热器管外强化传热的问题,采用振动壁面的方式向换热器内输入超声波,研究了超声外场对沉浸式换热器内的管外流动、空化现象以及传热强化的作用。超声作用在流体中能够产生空化现象和声流的传播。其空化作用使得邻近振动面的流体发生液气相变,在远离振子的区域发生微小气泡的膨胀,换热器管外流体区域的平均气体体积分数由未加载超声时的0.01302最大增至0.01359。声流现象使得换热器管外流体的流速具有和超声波相同的脉动变化特性,呈高低速相间分布流向换热器两侧,最低速度接近0,最高速度4.93 m·s^-1,平均流速由0.0248 m·s^-1增至0.102 m·s^-1,超声作用效果显著。在空化和声流的双重作用下,换热管外表面湍动能均值由2.090×10^-4 m²·s^-2增大至0.01847 m²·s^-2,表明换热管外表面流体受到扰动增强,换热管外表面对流传热系数由1634.533 W·m^-2·K^-1增大至2031.069 W·m^-2·K^-1,传热强化比率达24.26%。本研究对超声技术在沉浸式换热器内的应用具有重要意义。     

Concentrating dilute sulfuric acid by spray evaporator

Large quantities of dilute spent sulfuric acid are released in many chemical processes. Recovering the dilute acid is not only profitable to the manufacturer but also imperative to environmental protection. This paper proposes a spray evaporator with a Venturi-type nozzle to concentrate the dilute sulfuric acid. Both hot air and dilute acid flow concurrently upwards through the nozzle. Water involved in the droplets is vaporized in the chamber and the dilute acid is concentrated. The bench-scale experimental results show that the dilute acid with initial concentration 18 wt% can be easily concentrated to 40–75 wt%. The measured parameters, such as concentration of outlet sulfuric acid, outlet air temperature and total pressure drop, are in accordance with those estimated from a mathematical model incorporating momentum, mass and heat transfer between the acid and air. The model is also applied to simulate the performance of the concentrator, including variations of droplet diameter, droplet velocity, droplet temperature, air temperature, air absolute humidity as well as pressure drop along the concentrator.