高溫熱表面油液蒸發(fā)的時變性熱質(zhì)傳遞模型與實驗研究

易祥烈，邱金水，劉伯運

（海軍工程大學船舶與動力學院，湖北 武漢，430033）

高溫熱表面油液蒸發(fā)的時變性熱質(zhì)傳遞模型與實驗研究

易祥烈，邱金水，劉伯運

（海軍工程大學船舶與動力學院，湖北 武漢，430033）

針對高溫熱表面油液蒸發(fā)熱質(zhì)傳遞過程的時變性，考慮這一過程中的對流傳質(zhì)傳熱，建立了熱環(huán)境作用下油液蒸發(fā)的熱質(zhì)傳遞模型方程，通過無量綱變換，求得空間濃度分布和溫度場隨時間的變化規(guī)律。以庚烷為試驗對象，對高溫熱表面油液蒸發(fā)過程進行了實驗研究。理論分析與實驗表明：庚烷蒸發(fā)過程中，劉易斯數(shù)大于1，傳熱速率大于傳質(zhì)速率；蒸發(fā)導致的質(zhì)量損失與時間平方根的成正比，與液面的面積成正比，且與質(zhì)量擴散系數(shù)的平方根成正比，飽和蒸氣濃度越大，蒸發(fā)速率也越大。油液蒸發(fā)計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，表明了模型的有效性。

蒸發(fā)；時變性；熱質(zhì)傳遞；濃度分布；溫度場

0 引言

油料泄露至高溫熱表面引起的著火是艦船上常見的火災(zāi)事故。如航母飛行甲板由于飛機起降時摩擦造成甲板局部高溫，煤油泄露至高溫甲板引起的著火；機艙中柴油機高壓燃油管破損，油料噴射至高溫機體殼引起的火災(zāi)等［1］。對泄漏油料的蒸發(fā)動力學過程進行研究，有利于對油氣進入環(huán)境的速率進行預(yù)測，進而能準確地預(yù)測形成可燃性氣體環(huán)境的濃度分布、空間溫度場分布及其變化過程。而濃度與溫度的分布是可燃性氣體發(fā)生著火乃至爆炸的基礎(chǔ)條件，開展油料的蒸發(fā)動力學過程的研究可為液態(tài)油料著火的預(yù)測與防治提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)于液體蒸發(fā)的研究最早源于氣象及水文工作者對湖泊和水庫中水蒸發(fā)的研究。Nielsen F通過實驗發(fā)現(xiàn)，純液體蒸發(fā)的動力來自于液體的蒸汽壓與該液體在周圍空氣中的蒸汽分壓之差［2］；Boyadjiev等［3］根據(jù)擴散理論、邊界層理論對蒸發(fā)過程進行了研究，建立了描述蒸發(fā)過程的偏微分方程；對于單組份液體的蒸發(fā)，至今已建立了許多預(yù)測模型，潘旭海等［4］對單組份液體蒸發(fā)動力學特征進行了理論分析，并設(shè)計了風洞實驗，得到了相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)；袁江濤，楊立等建立了有限氣體容積內(nèi)的液滴傳熱傳質(zhì)模型并進行了理論分析［5］。栗元龍，陸守香等［6，7］對艦船機艙燃料泄漏到熱表面后的著火過程進行了研究，分析了泄漏燃料在熱表面上的蒸發(fā)模式，描述了水平熱壁上方油料蒸氣運動過程。

由于泄露油料所處環(huán)境的復(fù)雜性，可產(chǎn)生各種不同的邊界條件，另外，蒸發(fā)過程導致油氣空間分布及溫度分布隨時間變化而變化，這些因素都給對蒸發(fā)過程的預(yù)測帶來一定困難。目前研究大多都是基于定常態(tài)蒸發(fā)，而非定常態(tài)的時變性蒸發(fā)歷程研究較少。本文主要通過理論計算和實驗兩方面研究單組份油料在高溫熱板上蒸發(fā)產(chǎn)生的空間濃度分布與溫度場，重點分析其時變特性。

1 模型的建立與求解

高溫熱表面油液蒸發(fā)過程如圖1所示，油料受熱蒸發(fā)，擴散至熱表面上方形成一定的油氣濃度分布；同時，由于高溫油氣熱擴散和熱傳導產(chǎn)生的溫度傳遞，形成一定的空間溫度場。而且，在蒸發(fā)過程中，空間濃度分布與溫度場還隨時間變化。初始時刻，空氣中油氣的濃度為零，溫度均為環(huán)境溫度；任意時刻無窮遠邊界濃度為零，溫度為環(huán)境溫度，表面附近濃度為飽和濃度，溫度為熱板溫度。

圖1 高溫熱表面油液蒸發(fā)示意圖Fig.1 Schematic graph of hot surface evaporation process of liquid fuel

為建立油料蒸發(fā)過程的模型，有如下假設(shè)：油料為單質(zhì)油料，如庚烷，乙醇或其他單質(zhì)碳氫化合物；平板和液面足夠大，可以忽略水平邊界的濃度和溫度擴散，即是所有的傳質(zhì)傳熱都是一維的，方向為垂直向上；油料蒸發(fā)過程中，高溫熱表面和液面的溫度保持不變；油液和油氣－空氣混合物密度、定壓比熱、溫度傳遞系數(shù)和濃度擴散系數(shù)保持恒定；環(huán)境空氣的溫度保持恒定；空氣不溶于油液中；油液足夠多，液面在蒸發(fā)的過程中，不下降，液面形狀保持不變。

1.1 質(zhì)量擴散模型

空氣與油氣混合物的連續(xù)性方程：

式中，PA，sat為油氣在空氣中的飽和蒸氣壓，P為環(huán)境壓強，hA，fg為油液的摩爾蒸發(fā)焓，MA為油液的相對分子質(zhì)量，TA，boil為油液的沸點，R為理想氣體常數(shù)，TA油液表面的溫度。

因此，根據(jù)連續(xù)性方程即得：

邊界條件轉(zhuǎn)變?yōu)椋涸赯＝0處，X＝1；在Z＝∞處，X＝0。

解方程（4）即得：

其中，Z′為積分參變量，C1，C2為常數(shù)，將邊界條件代入（5）即得：

因此，整個油面的摩爾蒸發(fā)速率VA＝vz·S＝

1.2 溫度傳遞

關(guān)于溫度傳遞過程，包括多個方面的傳熱，在忽略膨脹做功的熱損失前提下，且熱傳導系數(shù)k、壓強p、摩爾密度c，定壓比熱容cp皆為常數(shù)，溫度傳遞過程主要有對流傳熱和熱傳導兩個方面的內(nèi)容。如此，即可推導出溫度傳遞方程如下：

邊界條件轉(zhuǎn)變?yōu)椋涸赯T＝0處，Π＝0；在ZT＝∞處，Π＝1。

方程（12）的解為：

2 實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)比對

2.1 研究方法及方案

為模擬無限長邊界的蒸發(fā)過程，同時為減少水平邊界的溫度和濃度的傳遞，實驗設(shè)計在一長度為4m，直徑為0.63m的雙層真空玻璃隔熱管中，在長管的底部放置裝有實驗所需樣本的油池，且其直徑與管徑相同。油池安裝在稱重傳感器上，通過測量容器內(nèi)蒸發(fā)液體質(zhì)量的損失得到蒸發(fā)質(zhì)量隨時間的變化關(guān)系；分別在0.1m、0.2m、0.3m 的高度的管壁上安裝有熱電偶和可燃氣體濃度傳感器以實時測量指定空間位置的濃度和溫度，每層安裝5個，布置方式為中線安裝一個，其余4個在同一水平的管壁面上；測量得到的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集儀輸入并存儲在電腦中。

2.2 實驗儀器及裝置

試驗系統(tǒng)示意圖如圖2，包括試驗艙、恒溫加熱設(shè)備、溫度傳感器、稱重傳感器、油氣濃度傳感器、計算機等。數(shù)據(jù)采集儀采用Fluke公司2645A型21通道數(shù)據(jù)采集儀，稱重傳感器采用MT1022型稱重傳感器。

圖2 庚烷蒸發(fā)過程實驗示意圖Fig.2 Experimental schematic diagram of the n-heptanes evaporation process

2.3 實驗樣本及相關(guān)屬性參

數(shù)

高溫熱板為溫度為350K的鋼板，油池直徑為63cm，環(huán)境溫度為297K，實驗樣本正庚烷，其蒸發(fā)焓hfg＝0.32kJ／g，相對分子量為Mg＝100，沸點Tboil＝371K［10］，根據(jù)Clausius– Clapeyron方程，熱板表面庚烷的摩爾體積分數(shù)為0.5336，空氣－庚烷混合物氣體比熱為cp＝1.1J／（g·K），根據(jù)Chapman-Enskog低密度分子擴散理論與Eucken半經(jīng)驗公式，估算在297K～350K時，庚烷－空氣體積比為0～0.5的混合物平均熱導率k＝0.08W／（m·K），ρ＝1.2kg／m3，擴散系數(shù)DAB＝6.91×10－6m2／s，即Le＝8.77，α＝6.061×10－5m2／s，理論估算平均誤差小于3%。

2.4 實驗相關(guān)問題及處理

為確保液面溫度的恒定，庚烷液體和液池在實驗之前就已經(jīng)加熱至350K，試驗艙設(shè)有溫度反饋系統(tǒng)，當液池內(nèi)熱電偶溫度下降1K，加熱器自動加熱至350K，所需時間大約為0.2K／min，因此溫度變化對庚烷蒸發(fā)速率的影響可以忽略。

實驗初始條件為：熱板350K，庚烷350K，空間庚烷蒸氣濃度為0，溫度為297K，初始重量為300g。計算機實時采集并顯示熱電偶和濃度傳感器數(shù)據(jù)，每分鐘刷新一次顯示數(shù)據(jù)。

另外，在空間溫度和濃度測量時，為確保數(shù)據(jù)的準確性和有效性，把在同一水平面上的五個測點所測得的數(shù)據(jù)的均值，作為此高度下的實驗數(shù)據(jù)。

3 理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果的對比及分析

3.1 空間濃度分布與溫度場隨時間的變化規(guī)律

如圖3至圖10所示為空間濃度和溫度場隨時間的變化規(guī)律。從圖中可以看出，由于庚烷為大質(zhì)量分子，在蒸發(fā)的過程中，Le＝8.77，遠大于1，導致傳熱速率大于傳質(zhì)速率，空間中溫度上升的速度比濃度上升的速度快了很多。因此，在討論大分子的熱質(zhì)傳遞的過程中，Le＝1的假設(shè)并不合理。

圖3 蒸氣濃度的空間分布隨時間的變化的理論計算值Fig.3 Theoretical calculation results of the spatial distribution of vapor concentration varies over time

圖4 蒸發(fā)產(chǎn)生溫度場分布隨時間的變化的理論計算值Fig.4 The theoretical calculation results of temperature distribution produced by evaporation varies over time

圖5 高度為0.1m處庚烷蒸氣濃度隨時間的變化Fig.5 The n-heptanes vapor concentration change over time at the height of 0.1m

6 高度為0.2m處庚烷蒸氣濃度隨時間的變化Fig.6 The n-heptanes vapor concentration change over time at the height of 0.2m

圖7 高度為0.3m處庚烷蒸氣濃度隨時間的變化Fig.7 The n-heptanes vapor concentration change over time at the height of 0.3m

圖8 高度為0.1m處溫度隨時間的變化Fig.8 The temperature change over time at the height of 0.1m

圖9 高度為0.2m處溫度隨時間的變化Fig.9 The temperature change over time at the height of 0.2m

圖10 高度為0.3m處溫度隨時間的變化.10 The temperature change over time at the height of 0.3m

3.2 蒸發(fā)速率的影響因素分析

圖11 庚烷蒸發(fā)質(zhì)量隨時間的變化Fig.11 Mass loss in the evaporation of n-heptanes over time

表1 無量綱數(shù)φ與油液飽和濃度的對應(yīng)關(guān)系Tabel 1 The relationship between dimensionless numberφand The saturation vapor concentration

3.3 實驗結(jié)果與模型計算結(jié)果的對比分析

由圖4至圖11可以看出，蒸發(fā)速率的模型計算值比實驗測量值在前60min內(nèi)模型計算值和實驗測量值吻合得很好，60min以后計算值比實驗值偏大，最大誤差小于3%?？臻g濃度分布在0.1m處亦為如此，而在0.2m和0.3m處，前60min模型計算值比實驗測量值偏大，而后模型計算值比實驗測量值小，并且隨時間推移偏差逐漸變大，最大誤差小于5%。空間溫度場分布模型計算值比實驗測量值偏小，最大誤差小于2K?？梢钥闯觯Ｐ陀嬎阒蹬c實驗測量值吻合得很好。

油液蒸發(fā)過程的計算結(jié)果與試驗結(jié)果存在差別的原因：（1）計算中假設(shè)熱質(zhì)傳遞過程中，垂直方向為無限大擴散邊界，而實際上并非如此；（2）恒溫加熱裝置并不能完全保證液面的恒溫，液面溫度存在一定的震蕩；（3）計算假設(shè)庚烷與空氣無反應(yīng)放熱，而實際上在傳熱的相關(guān)系數(shù)假設(shè)為恒定，實際上這些系數(shù)與濃度和350K時，已有極少部分的庚烷發(fā)生了化學反應(yīng)，這給溫度和濃度分布造成一定的影響；（4）計算模型中對傳質(zhì)溫度都密切相關(guān)，因此造成計算結(jié)果與試驗結(jié)果存在細微的差別。

4 結(jié)論

單組份油液在高溫熱板上蒸發(fā)過程的理論計算和實驗研究表明：（1）大分子油液的在蒸發(fā)過程中，傳熱速率大于傳質(zhì)速率，Le＝1的假設(shè)并不合理；（2）蒸發(fā)導致的質(zhì)量損失與時間平方根的成正比，與液面的面積成正比，且與質(zhì)量擴散系數(shù)的平方根成正比，另外，飽和蒸氣濃度越大，蒸發(fā)速率也越大。單組份油液蒸發(fā)計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，說明這種本蒸發(fā)模型是有效的。

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Time-dependent heat and mass transfer model and experimental study on the hot surface evaporation process of liquid fuel

YI Xiang-lie，QIU Jin-shui，LIU Bo-yun

（College of Naval Architecture and Power，Naval University.of Engineering，Wuhan 430033，China）

Targeted on time-dependent characteristics of the heat and mass transfer process during the process hot Surface evaporation of liquid fuel，considering the convective heat and mass transfer of the process，a heat and mass transfer model of hot Surface evaporation of liquid fuel has been built.Through dimensionless transformation，ultimately the Time-dependent spatial concentration distribution and temperature field variation have been obtained.Set n-Heptanes as experimental object，an experimental study on hot Surface evaporation of liquid fuel has been carried out.The theoretical analysis and experimental results have shown that in the evaporation process of n-Heptanes，Lewis number was greater than one；Heat transfer rate is greater than the mass transfer rate，the mass loss led by evaporation is directly proportional to the square root of time，the area of liquid surface，and the square root of Mass diffusion coefficient.The greater the volatility of liquid fuel is，the greater the evaporation rate was.The calculation results of the liquid fuel evaporation model are roughly consistent with the experimental results，which show the validity of the model.

Evaporation；Time-dependent；Heat and mass transport；Concentration distribution；Temperature field

TK121，X915.5

A

1004-5309（2012）-0147-06

10.3969／j.issn.1004-5309.2012.03.06

2012-05-06；修改日期：2012-06-12

海軍工程大學科研基金：高溫熱表面油料著火機理及火災(zāi)動力學特性研究（HGDQNJJ11013）

易祥烈（1982-），男，江西宜春人，博士研究生，海軍工程大學船舶與動力學院艦艇安全技術(shù)系；研究方向：工程熱物理，艦船安全與消防技術(shù)。