1实验系统及方法
吸附条件下水膜闪蒸实验系统如图1所示，主要由真空罐、闪蒸室、制冷机组、吸附模块、信号采集仪、压力传感器、热电偶以及各种控制阀门和连接装置所组成。为了与没有吸附模块的系统进行对比实验，实验采用活动吸附模块，以改变吸附剂量。系统中的制冷机组用以消除从闪蒸室闪蒸出来的水蒸汽，以尽快减小整个系统的压力，建立初始实验条件。实验采用带有保温材料的闪蒸装置，可减小外界环境温度对实验的影响。在闪蒸室内放入直径为55mm，高度为80mm的容器，用以盛放一定量的水，也可以改变液面高度。把容器放在闪蒸室内，容器周围相当于高真空环境，从而也减少外界与容器中水的换热量。另外，闪蒸室可视窗采用双层垫片加法兰盘密封，易于拆装密封，为可视性提供了条件的同时，也是吸附模块及水的通道。闪蒸室尺寸为200mm×200mm×200mm，闪蒸室内焊接有支架用以放吸附模块，吸附模块采用散装式，以便控制吸附剂存在。吸附模块采用的是金属网格外壳，网格孔径小于吸附剂颗粒直径，模块尺寸为40mm×40mm×150mm；吸附剂采用的是颗粒直径为4mm的13X沸石吸附剂；共采用三个吸附模块，总吸附剂量为550g。闪蒸室顶部安装型号为MD-GA-5K-1-A-P2-M1-A-T1的绝压变送器，量程为0~5KPa，与输出电流4~20mA呈线性对应，精度为0.5%FS。侧面通入T型热电偶，测量精度为±0.5℃。分别用于测量闪蒸过程中水膜温度、闪蒸室内温度和压力的变化，热电偶通道采用胶体密封，所采集的数据及变化过程由安捷伦输送至计算机。实验时，先将真空罐和闪蒸室之间的阀门关闭，开启真空泵对真空罐进行抽真空，使其压力达到预设值，实验时，统一达到100Pa。然后，迅速打开与闪蒸室连接的真空阀，闪蒸室内的压力突然下降，但同时由于水的大量蒸发，使得真空罐中的压力有所上升。为了使整个系统达到实验要求的压力条件，预先要打开制冷机组以凝结蒸发出来的水蒸汽，减小水蒸气的分压力，同时，保持真空泵处于运转状态，在真空泵与蒸发盘管共同作用下，使系统达到预设压力值。吸附模块的存在会对闪蒸室内的压力变化率、温度分布及水膜温度变化产生影响，因此，本文通过对比有无吸附模块的存在，改变闪蒸压力、温度及液膜高度，分别进行实验，记录所得数据并分析结果。
2实验结果及分析
2.1实验现象
当闪蒸室没有与真空罐接通时，液体处于稳定状态，在打开阀门之前，真空罐处于设定压力100Pa左右，闪蒸室处于大气压状态。打开阀门瞬间，系统压力约在3000Pa左右，此时，液体处于过热状态，以热电偶为核心产生单个气泡串，如图2(a)所示。随着压力的下降，沸腾越来越剧烈，液面处于波浪翻滚状态，水的大量蒸发使得液体温度不断下降，如2(b)所示。当压力接近于水的三相点压力时，沸腾现象立刻停止，观察到液膜表面有一层冰壳出现，正是由于冰壳的产生隔离了液体与空间的接触，同时压力达到三相点之后，冰壳之下的液体也处于一种过冷状态，如图2(c)所示。随着压力的继续下降，冰层越来越厚，经过不同的实验观察到，若是热电偶被封于冰层之中，温度能达到-4℃左右，如图2(d)所示。
2.2压力随时间变化的分析
真空罐与闪蒸室之间的阀门打开，闪蒸室内的压力突然降到3000Pa左右，由于水的初始温度（32℃）较高，压力低于水的饱和压力，水即刻沸腾并大量闪蒸。图3（a）为无吸附模块条件下达到不同压力过程中压力随时间的变化，在同样条件下下降曲线基本一致，随着时间的变化压力下降率越来越小，达到压力越低，所需时间也越久。闪蒸室内的总压力为空气分压力与水蒸气分压力之和，空气主要由真空泵抽出，且真空的抽气速度PV随着压力的降低而降低；另一方面随着抽吸过程的进行，空气密度a也越来越小：因此PPamV随着时间的持续，压力下降幅度越来越小。闪蒸室压力下降阶段，真空泵对空气分压力的影响为主要因素。对于水蒸气分压力，主要由冷凝盘管及吸附模块决定，无吸附模块条件下，主要靠冷凝盘管。从图3中可以看出，有吸附模块存在条件下比无吸附模块条件下，闪蒸室内的压力下降的更快，压力下降率的差值与达到闪蒸室内的预设压力值也有很大关系。对比图中3(b)、3(c)、3(d)可看出，达到不同的压力水平，有无吸附模块条件下结果不同。水的三相点压力约为611Pa，因此当闪蒸室内压力达到400Pa及600Pa时，水就会产生结冰现象。图3(b)中，闪蒸室压力达到400Pa，有吸附模块存在条件下，在达到三相点之前，水未结晶，随着压力的下降，有大量水蒸气闪蒸，水蒸气被抽吸到真空罐中的同时也会带走热量，暂时不会由于吸附热的释放而使闪蒸室内温度过高，同时吸附剂的吸附率也较大，因此压力下降的较快。而在结晶之后，液面形成一层冰壳，虽然由于热电偶导线的存在，冰壳并未完全覆盖液面，仍有水闪蒸出来，但与结晶之前的传质系数相比大大减小，水蒸气带走的热量也相应减小。同时，低压条件下，吸附剂吸附率也下降，并且由于吸附热的释放，致使闪蒸室内温度升高，相对于水蒸气分压力的减小对压力的影响，闪蒸室内温度的升高对压力的影响更为明显。因此，压力达到400Pa条件下，从图中可以看出随着时间的增加，无吸附条件下压力下降与有吸附条件下压力下降率基本一致。图3(c)所示，对于压力达到600Pa工况下，虽然能够看到有冰层的形成，但达到此压力点所需时间没有达到400Pa所需时间长，吸附剂饱和度低，吸附效果比400Pa条件下好，因此有吸附模块的存在，经过同样的时间压力下降较快。图3(d)所示，对于压力达到800Pa工况下，水并未出现结冰现象，因此有吸附存在条件下压力下降比无吸附条件下快，且差值与其他两组试验相比更大。
2.3温度随时间变化的分析
当闪蒸室内的水突然暴露在低于其饱和压力时，水发生闪蒸现象，大量的水汽化，并大走大量的汽化潜热，导致液体温度不断下降。如图4(a)所示，无吸附条件下水的温度持续下降，但下降趋势越来越缓慢。一方面由于随着时间的持续，系统压力下降率减小，一段时间间隔内的压差也越来越小，导致闪蒸传质系数越来越小，因此，单位时间内带走的相变潜热减少。另一方面，无吸附条件下，水蒸气的凝结主要依靠冷凝盘管，随着闪蒸量的减小，凝结驱动力减弱，凝结量也减少，导致闪蒸室内水蒸气分压力下降率减小，闪蒸量减少，温度下降率减小。由图4(a)也可以看出，闪蒸室内达到的压力越小，温度越低，且达到三相点以后，温度持续在结晶温度。但由图4(a)看到，即使压力达到600Pa条件，有冰层形成，但所测温度仍高于结晶点温度，主要因为温度点在液面之下，水本身的热容较大，所有液体的温度并不能同时达到结晶点。由现象及数据分析可知，随着压力的下降，水能够在液体表面持续结冰，冰层加厚。图4(b)、4(c)、4(d)可以看出，若没有吸附模块存在，闪蒸室内的温度比水的温度下降的快且能达到更低的温度。主要由于闪蒸室内主要为水蒸气，热容远远小于水。达到三相点之后，液态水形成冰层，减小了水蒸气的持续闪蒸，只能靠冰的升华和少量的闪蒸使温度降低。有吸附模块情况下，蒸气流能够带走闪蒸室内的热量，使得闪蒸室内温度下降。如图4(b)、4(c)，400Pa和600Pa工况下，低于三相点，闪蒸室内温度达到结晶点以下并产生一定过冷度。有吸附模块条件下，如图4(b)、4(c)、4(d)，液态水温度的下降速度要高于无吸附条件下，主要原因就是吸附作用的存在，为水蒸气的消除提供附加的驱动力，相当于增大了冷凝驱动力。如图4(b)，当达到400Pa压力时，由于抽气时间长，且形成冰层后水蒸汽闪蒸量减少，吸附模块释放出去的冷凝热不能被足够多闪蒸出的水蒸气带走，则会使闪蒸室内温度升高，对水起到加热的作用，因此温度下降变得更缓慢。在吸附条件下，闪蒸室内的温度都会发生剧烈波动，主要由于水蒸气大量闪蒸从底部向上，而对于上面的吸附模块来说相当于冷流，而吸附模块吸附又会放出大量吸附热，属于热流。因此，水的剧烈沸腾会导致闪蒸室内冷热流紊乱，使得测温点处温度产生波动。由以上压力和温度变化的分析可知，吸附模块的存在对闪蒸结晶的影响要大于对升华结晶的影响。因为冰壳形成前，闪蒸出大量水蒸气，水蒸气分压力较大，一方面增大了吸附剂对水蒸气的吸附效果，另一方面能够及时带走释放出的吸附热。而对于结晶之后，产生水蒸气的量减少了，吸附作用减弱，释放出的吸附热对制冰产生不利影响。
2.4不同液面高度的分析
不同液膜高度也会对压力下降率及所需时间产生影响，如图5所示。分别取不同的液面高度20mm、35mm、50mm，同样工况下，使闪蒸室压力达到相同压力点（400Pa）。由图可以看出，液面高度越小，压力下降率也越高，并且达到相同压力点所需时间越小。主要因为闪蒸阶段液面传质系数与初始液面高度相关，传质系数随着液面高度的减小而增大，这与文献【18】得出的结论相一致；另一方面，相同闪蒸面积，液面高度越大水的体积也越大，水本身容纳的热量也越多。
3结论
本文提出了在吸附条件下的低压闪蒸，并通过实验研究了吸附模块存在对于闪蒸及制冰条件的影响。实验中，压力达到一定程度，闪蒸室内会出现固、液、气三相共存的复杂相态变化，同时，闪蒸室内不仅有水蒸发致使温度下降，同时也有吸附热的放出，整个闪蒸室内的能量分布也较为复杂。采用对比的方法，利用吸附条件下真空闪蒸制冰系统，通过改变预设压力、液面高度，得出有吸附存在情况下对闪蒸制冰过程中闪蒸室内压力、液膜温度及闪蒸室内温度的影响规律，得出以下结论：（1）相同的初始温度、液面高度、预设压力前提下，与无吸附条件相比，吸附模块的存在降低了闪蒸室内的压力升高率。同时，预设压力值越低，吸附效果越不明显。因此，在达到制冰要求条件下，尽量使系统压力维持较高水平，以保证吸附剂的吸附效果。（3）相同的初始温度、液面高度、预设压力前提下，有吸附模块条件下能够降低温度升高率，但同时释放出大量吸附热，对结晶产生不利影响。因此，在后续实验中，应该把吸附模块与闪蒸液体用隔热层隔离，减小吸附热的影响。（4）相同的初始温度、预设压力条件下，通过改变液面高度进行实验，实验结果发现液面高度越小，吸附条件下闪蒸室压力升高越缓慢。因此，在真空制冰过程中，采用薄液膜的效果更明显。（5）依据真空制冰原理及吸附机理，一定比例的水量及吸附剂条件下，能够维持系统压力保持在制冰水平，因而可连续制冰企业管理论文，也为后续动态制冰实验提供理论和实验基础。
作者：章学来 赵群志 孟祥来 李春蕾 徐斌 单位：上海海事大学冰蓄冷技术研究所
