蒸发式过冷水制冰中单个水滴的蒸发过冷特性

　　引言

　　过冷水动态制冰是近年发展起来的一种新型制冷技术，与传统的静态制冰相比具有较高的制冰及能量效率。蒸发式过冷水制取流态冰是过冷水动态制冰方法之一，它通过制冰室上部的压力喷嘴将水雾化成细小的水滴，然后在一定温度的低含湿量空气环境中蒸发，当环境中水蒸气的分压力低于水三相点饱和水蒸气分压力(611Pa)时，水滴在蒸发的过程中带走大量的潜热，导致水滴的温度不断降低，直至降低到0℃以下，也就是处于过冷状态，然后通过解冷装置解冷后变为冰晶。Cerci^[1]基于此原理提出了一种新的理想蒸发制冰循环，由该理想循环组建的制冰系统1kg循环干空气的最大制冰量为28.4g。另外，Li等^[2]首次提出了溶液除湿蒸发过冷制取流态冰系统，并从宏观上分析了系统的性能，与常规过冷水动态制取流态冰系统相比，在一定的工况下系统的性能系数能提高30%以上。

　　液滴蒸发是一种复杂的物理现象，它包括传热和传质两个同时进行的过程。水滴常是以水滴群的形式出现的，而对水滴群的蒸发性能研究是建立在对单个水滴研究的基础上。到目前为止，有众多学者对液滴的蒸发机理进行了研究，并建立了相应的数学模型。Yao等^[3]考虑了液滴蒸发引起的有限厚度边界层对模型中传热和传质的影响。Miller等^[4]、Kolaitis等^[5]对不同的蒸发模型和模型中采用不同的Nusselt数和Sherwood数的经验式进行了比较。Strub等^[6]对单个水滴在低温环境下的蒸发冷却、过冷及结冰的整个过程建立相应的理论模型，并通过实验对其进行了验证。Shin等^[7]对真空状态下雾化水滴的蒸发过冷制冰过程进行了理论和实验研究，通过建立的扩散-控制蒸发模型对水滴的蒸发过程进行了预测，其模拟结果与实验基本一致。Aguilar等^[8]建立了单个液滴蒸发模型来预测液滴的温度及直径随着液滴离开喷嘴的距离的变化关系，并通过实验验证了模型的有效性。章学来等^[9]分析了国内外关于真空环境下冰晶形成过程的理论和实验研究，改进了水滴表面温度与时间关系的数学模型。

　　对于蒸发式过冷水制冰来说，流态冰是通过蒸发冷却形成的过冷水滴，经解冷装置解冷后获得的。水滴结冰的过程，从相变的角度可分为两个阶段，首先是水滴的蒸发过冷阶段，另外一个是过冷水滴解冷生成冰晶阶段。为了更好地研究制冰室中水滴群的蒸发特性及系统制冰性能，本文针对第一个阶段，即单个水滴的蒸发过冷过程进行研究，建立了相应的数学模型，并通过实验验证了该模型的有效性。最后，通过理论计算，得到了不同空气参数以及水滴初始直径和初始水温对水滴蒸发过冷过程的影响。