高温气流中液滴蒸发特性的研究

马 力，仇性启，王 健，郑志伟，阎红巧，易志勇

（1.中国石油大学（华东）化学工程学院，山东 青岛 266580；2.北京石油化工工程有限公司，北京 100107）

喷雾冷却技术广泛应用于石油、化工等工业领域［1］。在生产乙烯的裂解装置中，急冷器的作用是将裂解气从500 ℃快速冷却到200 ℃，急冷油液滴应该在最短的时间内吸收热量后完全汽化，否则未蒸发的急冷油液滴会黏附在急冷器壁面造成结焦［2］。急冷油冷却裂解气的实质是液滴在高温气流中的蒸发问题，研究液滴在高温气流中的蒸发机理，将最大程度减少急冷器的结焦，提高裂解装置的生产效率，并实现节能降耗的目的。

目前，国内外学者对液滴蒸发进行了大量理论研究［3-6］，建立了液滴蒸发模型，分析了液滴运动规律，总结出液滴蒸发过程中温度和压力等因素对液滴温度、直径的影响规律。但由于实验条件的限制，只有少数学者对液滴蒸发进行了实验研究，如苏凌宇等［7］对负压静止状态液滴蒸发进行了实验研究，但对高温气流中液滴蒸发的实验研究鲜有报道。

本工作建立了液滴蒸发实验装置，以高温气流中的液滴为研究对象，采用悬挂液滴法研究液滴蒸发特性，探讨液滴蒸发的影响因素。

1 实验部分

1.1 实验装置

液滴蒸发的实验装置［8］见图1。实验装置由高速摄像仪、热风机、热线风速仪和热电偶等主要设备组成。高速摄像仪为德国Basler公司A504KC型数字面阵摄像机，拍摄的图像以TIFF图像格式通过图像采集板存储存在计算机中，实验完毕后可方便地应用软件进行后续的图像处理以获得液滴直径变化的信息。热风机能够提供最高温度350 ℃、最大体积流量5.5 m3/min的热空气；热线风速仪测量范围0～50.0 m/s，精度0.01 m/s，能够准确测量气流速度；热电偶测量范围0～1 000 ℃，测量精度0.1 ℃。

图1 液滴蒸发的实验装置Fig.1 Experimental device for droplet evaporation.

1.2 实验方法

采用悬挂液滴法研究液滴的蒸发特性。操作过程为：由热风机输送的高温气流，经过直管段和扰流栅在出口位置获得稳定气流；液滴在管外生成并悬挂在石英丝底部，而后转移到高温气流中进行蒸发；分别利用热电偶和热线风速仪测量气流的温度和流速，利用高速摄像仪拍照蒸发过程，拍照速率10 帧/s，每帧图像的大小为1 280×1 024，通过后续的图像处理软件获得液滴蒸发过程中的参数变化。通过调节空气加热器、风机和流量调节阀可以任意设置气流流速和温度，以改变实验工况。

数据处理时选用等体积球的直径表征液滴的蒸发过程。图像的处理方法如图2所示，首先用游标卡尺测量悬挂液滴的石英丝的实际直径，并用图2中的图像处理软件测量石英丝直径在图像中的大小，计算图像中的尺寸与实际尺寸的换算公式，利用换算公式计算不同时刻图像中液滴直径对应的液滴实际尺寸。根据获得的不同时刻的液滴直径，总结液滴直径、质量随时间的变化规律。

图2 图像处理方法Fig.2 Image processing method.

2 结果与讨论

2.1 液滴蒸发过程

蒸发过程从液滴放入测试位置开始，到液滴全部蒸发为止，此时液滴的直径终值为石英丝小球的直径。高速摄像仪记录下的液滴蒸发过程如图3所示，在蒸发过程中液滴由球体逐渐变成纺锤体。这是因为当液滴进入高温气流中后，除本身重力外，还受到浮力、曳力和表面张力等。初始时刻，液滴各项受力平衡，液滴基本呈球体；随蒸发过程的进行，液滴质量减小，重力不能平衡气流的浮力，液滴呈椭圆纺锤体直至完全蒸发。

图3 液滴蒸发过程Fig.3 Droplet evaporation process.

2.2 液滴直径变化的规律

液滴蒸发的曲线见图4。由图4可见，蒸发初始，液滴直径（D）及直径的平方（D2）减小的幅度较小。这是因为：1）相比高温气流的温度，液滴的初始温度较低，液滴从高温气流中吸收热量主要用于液滴升温，蒸发量较少；2）液滴进入高温气流后，液滴温度骤然升高，液滴体积发生膨胀，当因温度升高使液滴直径增大的速率大于因液滴蒸发而使直径减小的速率时，液滴直径反而会略有增大。在蒸发较慢的实验工况下，液滴直径增大这种现象更为明显。液滴直径减小幅度较小的阶段为初始加热阶段，为非稳态阶段，持续时间较短。由图4可还知，在初始加热阶段之后，液滴进入稳定蒸发阶段，D2～t曲线基本为一直线，即dD2/dt=，为液滴平均蒸发常数。液滴的蒸发过程基本满足D2定律。

图4 液滴蒸发的曲线Fig.4 Droplet evaporation curves.

2.3 液滴蒸发速率

液滴蒸发速率（K）为单位时间内液滴质量的蒸发量，定义如下：

单位表面积的蒸发速率（K0）为单位时间单位表面积上液滴的蒸发量，定义如下：

液滴蒸发速率随时间的变化见图5。由图5可看出，液滴蒸发初期，K和K0先减小后增大，经历一个短暂的非稳态阶段。在液滴置于高温气体环境的初始时刻，液滴表面与气流环境间具有最大的温度梯度和浓度梯度，即两者间具有最大的传热传质势差，使蒸发开始瞬间，K和K0均较大。经历初始时刻后K和K0迅速减小，这是因为：1）蒸气扩散速度小于液滴蒸发速度，使得蒸气在液滴周围大量聚集，液滴与气流环境的浓度梯度迅速减小；2）液滴在进入高温环境后迅速升温，液滴与气流温度梯度下降；3）温度升高液滴膨胀，液滴直径变化更小，使K和K0迅速减小。而且液滴初始直径越小，气流温度越高，热扩散系数越大，液滴与气流温度梯度和浓度梯度变化就越快，K和K0减小得越快。

图5 液滴蒸发速率随时间的变化Fig.5 Variation of droplet evaporation rate with t.

由图5还可见，K和K0减小后迅速增大并趋于 稳定。这是因为随着液滴蒸发的进行，液滴与气流温度梯度和浓度梯度达到相对平衡状态，液滴蒸发进入一个相对稳定的阶段，液滴直径和液滴蒸发表面积稳定减小，K0基本保持不变，K平稳下降。在蒸发末期，K持续下降，但K0急剧增大。这是因为在蒸发末期，液滴周围的蒸气浓度下降，浓度梯度增大，所以蒸发推动力增大，但此时液滴尺寸非常小，液滴表面积小，因此液滴总体蒸发速度依然下降，K很小，而K0增大。

2.4 液滴蒸发不稳定度

初始加热时间（ti）与蒸发生存时间（te）的定义见图6。在（D/D0）2≤0.5的区域，由液滴直径与初始直径的比值的平方拟合出斜直线；将该斜直线延伸，与横坐标的交叉点即为te，与（D/D0）2=1.0横线的交叉点即为ti。用Φi=ti/te度量液滴蒸发不稳定度，用于表征气流温度和气流速度对液滴初始加热时间和液滴生存时间的关系。

图6 初始加热时间与蒸发存在时间的定义Fig.6 Definition of initial heat-up time(ti) and corrected evaporation lifetime(te).

气流温度和气流速度对Φi的影响见图7。由图7可见，在常压的蒸发过程中，Φi值在0～0.2之间。与文献［9］报道的结果相比较，Φi值上限基本一致，Φi值下限较小，这是由实验方法不同造成的，文献值进行测试时，液滴在蒸发实验开始前已经放置于实验环境中，而本工作的测试中液滴放入实验测试位置需要一定时间，且过程中气流与液滴间相对速度增大，液滴在拍照之前已经开始预热，使高速摄像仪记录的液滴初始加热时间缩短，导致Φi值下限比文献值小。

由图7还可知，当气流温度小于475 K时，Φi值随气流温度的升高而增大，气流温度对液滴整个蒸发过程的影响大于对液滴初始加热过程的影响；当气流温度大于等于500 K时，Φi值随气流温度的升高而减小，气流温度对液滴整个蒸发过程的影响小于对液滴初始加热过程的影响。所以在475～500 K内，存在一个临界气流温度使Φi达到最大值，即初始加热时间占液滴蒸发总时间的比例最大。此外，在气流温度低于475 K时，气流速度对Φi的影响不是很明显；当气流温度大于等于500 K时，气流速度越大，Φi值越小，气流速度对液滴整个蒸发过程的作用更强。这说明气流速度对液滴的初始加热过程影响不大，但对液滴整个蒸发过程影响明显，气流速度越大，影响越明显。

图7 气流温度和气流速度对Φi的影响Fig.7 Effects of gas flow temperature and velocity on the ratio of ti to te (Φi).

2.5 液滴蒸发影响因素

气流温度和气流速度对液滴平均蒸发常数的影响见图8。

图8 气流温度和气流速度对液滴平均蒸发常数的影响Fig.8 Effects of gas flow temperature and velocity on the average evaporation constant of droplets().

由图8可知，随气流温度升高和气流速度增加，液滴平均蒸发常数增大。这是因为液滴与气流间的温差越大，气流向液滴的传热能力越强，液滴蒸发加快；气流速度越大，对流作用增强，对流传热系数、质量扩散系数均增大，强化了传热传质，因此液滴平均蒸发常数越大。液滴内部的物质分子必须到达液滴表面，暴露于气流环境中才能蒸发，其途径有：1）液滴表面被动的收缩；2）液滴内部环流将内部物质分子输运到液滴表面发生蒸发。在有自然对流或强迫对流或两者都存在时，液滴和周围气流间产生非径向的相对速度，气流对表面的剪切应力引起液滴内部的环流。气流速度越大，对流强度增大，液滴内部的环流变得更加激烈，从而加速了液相质量输运过程，缩短了液滴内部物质分子到达液滴表面的时间，加快了液滴蒸发。总之，气流温度越高和气流速度越大，液滴蒸发越快，液滴生存时间越短。

3 结论

1）液滴蒸发过程经历非稳态的初始加热阶段和稳定的阶段。在初始加热阶段，液滴的K和K0先减小再增大；在相对稳定的阶段，液滴的K平稳减小，K0保持平稳后增大。液滴蒸发过程基本遵循D2定律。

2）气流温度和气流速度影响液滴蒸发的不稳定度，在475～500 K内存在一个临界温度使Φi值达到最大值，液滴初始加热时间在整个蒸发时间中所占比例最大。

3）气流温度越高和气流速度越大，液滴与高温气流间的温差越大，对流作用增强，液滴蒸发越快，K和K0越大。

符 号 说 明

A 液滴蒸发表面积，m2

D 液滴直径，mm

D0液滴初始直径，mm

K 液滴质量蒸发速率，kg/s

K0单位表面积的蒸发速率，kg/（s·m2）

m 前一时刻液滴质量，kg

m′ 下一时刻液滴质量，kg

t 液滴蒸发时间，s

ti蒸发初始加热时间，s

te蒸发生存时间，s

Δt 时间间隔，s

Φi液滴初始加热时间与液滴生存时间的比值

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