用于研究在过程热源供给下，蒸发分离雾化盐水过程中传热与传质性能及特性的二维模拟

《Desalination》：Two-dimensional simulation for performance and characteristics of heat and mass transfer in evaporative-separating atomized saltwater with process-heat-supplied

超声雾化结合过程加热塔在低温下实现盐水完全蒸发分离，二维模型验证显示提高塔壁温度（41-70°C）、进风口温度和空气流量可优化性能，但过量空气流量抑制蒸发；传热传质系数达1500 W/(m2·K)和1.5 m/s，液滴结晶现象证实加热效果。

　　

余江霞|景瑜|王鹏飞|陈亮|严伟东|金素敏

江苏商贸职业学院物联网与智能工程学院，中国南京市江宁区龙眠大道180号，211168

摘要

将超声波雾化器与工艺热供给塔结合使用，可以在相对较低的温度下实现盐水的完全蒸发分离。为了研究该过程的性能以及传热和传质特性，开发了一个二维模型，并通过实验结果进行了验证。该模型用于研究进气温度、进气流量、进雾流量和塔壁温度对性能的影响。结果表明，提高塔壁温度、进气温度和进气流量，以及降低进雾流量，都有利于提高蒸发分离性能。此外，提高塔壁温度、进气温度和进雾流量可以提升塔的蒸发能力，但增加进气流量并不利于改善这一效果。当塔壁温度从41°C升高到70°C时，液滴在600毫米高度处开始形成结壳。这表明工艺热供给可以增强塔的蒸发分离性能。另外，塔内的传热系数超过1500 W/(m2·K)，传质系数超过1.5 m/s，这说明超声波雾化与工艺热供给塔的结合显著提高了传热和传质性能。

术语表

命名法

沿高度的控制体积长度沿直径的控制体积长度频率，Hzg重力加速度，m·s?2H塔的高度，mh焓，kJ·kg?1lh汽化潜热，kJ·kg?1M质量流量，kg·s?1 或 g·min?1m质量，kgN总控制体积数n控制体积数或量Q热量，kJq热通量，kWt温度，°CU振幅，mw干空气湿度，kg·kg?1比例

A	面积，m2
C	声速，m·s?1
cp	比热容，kJ·kg?1·°C?1
d	直径，m
dx
dy
f
z

数学模型

实验中的塔是一个双管换热器。外管（外壁与内壁之间的空间）用于容纳热水进行加热。液滴和空气的混合物可以通过内管（内圆柱壁内的圆柱形空间），蒸发分离过程和工艺热供给的传热发生在内管内。在实验中，工艺热供给的热源是一个恒温热壁。

实验装置

由于在使用超声波雾化与工艺热供给进行盐水蒸发分离实验时，难以测量超声波雾化器产生的溶液流量，而且购买的超声波雾化器的说明书仅提到了水的流量。但实验中使用的是盐水。此外，计算液滴的初始直径也需要知道雾化器的流量。

雾化流量的实验结果

图6显示了超声波雾化器的雾化流量实验结果。对于浓度为5%、10%、15%和20%的溶液，分别激活了1个、2个、3个和4个雾化器，并测量了烧杯中溶液质量随时间的变化。实验中共使用了4个雾化器。为了避免不同雾化器之间的流量差异，每个浓度下随机选择开启的雾化器。

结论

为了研究带有工艺热供给的塔中雾化盐水空气携带蒸发分离的性能以及传热和传质特性，建立了一个二维模型。通过实验对该模型进行了验证。随后，利用该模型分析了进气温度、进气流量、塔壁温度和进液流量对蒸发分离性能以及传热和传质的影响。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者衷心感谢江苏省高等教育机构自然科学研究一般项目（编号：24KJB470008、25KJB080001）、江苏省高等教育机构“青蓝”项目（杰出青年骨干教师）、江苏省青年科技人才培育计划（编号：JSTJ-2025-468）以及江苏商贸职业学院博士人才创业基金对本研究的财务支持。