小尺度蒸發(fā)器的數值模擬及優(yōu)化研究
為了使差示掃描量熱儀中加熱爐快速的從400℃以上的高溫冷卻到室溫，設計了一套采用小尺度蒸發(fā)器的單級制冷系統。為保證冷卻過(guò)程中蒸發(fā)器內部溫度場(chǎng)的均勻性及冷卻效果，利用CFD 商業(yè)軟件，對該蒸發(fā)器內部流體的溫度場(chǎng)進(jìn)行數值模擬，并對蒸發(fā)器表面溫度進(jìn)行了試驗測量。試驗結果表明，蒸發(fā)器內壁面溫度達到設計要求( - 35℃) ; 蒸發(fā)器整體溫度分布均勻，軸向溫差小于1℃; 模擬結果與試驗測量結果基本吻合。在此基礎上進(jìn)一步對該蒸發(fā)器進(jìn)行了優(yōu)化設計，將其內壁面改為波紋面，采用波紋面的蒸發(fā)器與加熱爐的換熱空間內，被冷卻空氣的比例增大，空氣出口溫度明顯降低，冷卻效果增強。
1、前言
差示掃描量熱儀( DSC) 是廣泛應用于熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究、物質(zhì)的鑒定、材料熱分析、化學(xué)性質(zhì)分析等領(lǐng)域的一種熱分析儀器。本文主要是對DSC 加熱爐冷卻降溫過(guò)程展開(kāi)研究。加熱爐作為DSC 的重要部分，在其運行過(guò)程中，其溫度常常要高達400℃以上。傳統的DSC 并沒(méi)有對加熱爐設置冷卻系統，在DSC 運行結束后，加熱爐自然冷卻到常溫需要經(jīng)過(guò)很長(cháng)一段時(shí)間。因此真空技術(shù)網(wǎng)(likelearn.cn)認為有必要為DSC 配備一套冷卻系統。
目前市面上用于DSC 的冷卻方式主要有: 液氮制冷、壓縮式制冷、快速冷卻杯制冷等。液氮制冷可以達到- 170℃，但需要液氮的隨時(shí)供給，從而增加了維護難度，且操作復雜�？焖倮鋮s杯制冷是一種手動(dòng)冷卻方式，通過(guò)向冷卻杯中加入冰水、液氮、干冰或其它冷卻介質(zhì)來(lái)達到冷卻爐體的效果。壓縮式制冷的方法可以將溫度降低到-40℃，冷卻過(guò)程中無(wú)需任何耗材、系統封閉、操作簡(jiǎn)單，相比前2 種冷卻方式更加經(jīng)濟有效。對于以上幾種冷卻方式，關(guān)于壓縮式制冷在DSC 中應用的研究尚處于空白，因此本文針對該冷卻方式，設計了一套單級循環(huán)的制冷系統。在該系統中設計了一個(gè)小尺度蒸發(fā)器作為冷卻源，該冷卻源妥貼地配置于DSC 加熱爐上，以實(shí)現快速冷卻。為了驗證該制冷系統的在DSC 中的冷卻效果，在試驗研究的基礎上，利用CFD 軟件模擬該蒸發(fā)器內部流場(chǎng)的溫度分布，并對該小尺度蒸發(fā)器的優(yōu)化設計提出了改進(jìn)的措施。
在蒸發(fā)器數學(xué)模擬的研究中，汪蕊等利用CFD 對旋轉薄膜蒸發(fā)器內流體的流動(dòng)過(guò)程和速度分布進(jìn)行了模擬，文中采用了三維幾何模型，但并沒(méi)有對模型及計算方法進(jìn)行詳細介紹。王軍等利用Fluent 軟件對分體室內機采用四折式蒸發(fā)器時(shí)的貫流風(fēng)機系統的內部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，文中采用二維模型，并不能充分模擬出流場(chǎng)整體分布，且沒(méi)有試驗驗證。此外，在諸多研究中，關(guān)于干式蒸發(fā)器及降膜式蒸發(fā)器的模型研究居多，且通常采用二維模型的形式，研究?jì)H以數值模擬為準。本文研究的蒸發(fā)器屬于小尺度蒸發(fā)器，為了使計算結果更為準確和完整，本文選擇三維模型對蒸發(fā)器內部流體的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬。并通過(guò)試驗，驗證了數學(xué)模型的可行性和準確性。此外，為了提高蒸發(fā)器與加熱爐的換熱效果，根據試驗結果和理論模擬，提出了針對蒸發(fā)器的內壁面的優(yōu)化設計。
2、數值模擬
2.1、蒸發(fā)器結構
圖1 給出了樣機中的小尺度蒸發(fā)器結構，系統采用了制冷劑R404A，為了回流方便，制冷劑上進(jìn)下出，成對角方向布置，制冷劑在蒸發(fā)器空腔內流動(dòng)，通過(guò)內壁吸收來(lái)自加熱爐的熱量后汽化，從而使得加熱爐得以降溫。為了簡(jiǎn)化試驗，先不設置加熱爐，單純測定蒸發(fā)器內表面的溫度分布。制冷劑通過(guò)蒸發(fā)器內壁從室內空氣吸熱，最終使得蒸發(fā)器內外溫度降低。
圖1 小尺度蒸發(fā)器
5、結論
(1) 試驗測試的蒸發(fā)器表面平均溫度為- 32℃，模擬結果為- 30℃，兩者基本吻合; 從溫度分布上看，結果都表明蒸發(fā)器上部比下部溫度略低，但垂直方向溫差不超過(guò)1℃，說(shuō)明蒸發(fā)器內部溫度分布均勻。模擬結果和試驗結果對比吻合較好，表明建立的物理數學(xué)模型是合適的，進(jìn)行的模擬計算能夠與實(shí)際相符合，說(shuō)明合理的CFD 數值模擬對實(shí)際工程問(wèn)題的預測是可行的;
(2) 將該小尺度蒸發(fā)器內壁優(yōu)化設計成波紋面，可以提高換熱面積，增大空氣擾動(dòng)，極大提高了蒸發(fā)器與加熱爐的換熱效果;
(3) 試驗與模擬的結果都證實(shí)了該小型制冷系統的可行性，對于冷卻DSC 的加熱爐，設計出了完整的一套單極冷卻系統，對今后設計DSC 冷卻系統有借鑒意義。
