小尺度蒸发器的数值模拟及优化研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安交通大学 作者:夏源

  为了使差示扫描量热仪中加热炉快速的从400℃以上的高温冷却到室温,设计了一套采用小尺度蒸发器的单级制冷系统。为保证冷却过程中蒸发器内部温度场的均匀性及冷却效果,利用CFD 商业软件,对该蒸发器内部流体的温度场进行数值模拟,并对蒸发器表面温度进行了试验测量。试验结果表明,蒸发器内壁面温度达到设计要求( - 35℃) ; 蒸发器整体温度分布均匀,轴向温差小于1℃; 模拟结果与试验测量结果基本吻合。在此基础上进一步对该蒸发器进行了优化设计,将其内壁面改为波纹面,采用波纹面的蒸发器与加热炉的换热空间内,被冷却空气的比例增大,空气出口温度明显降低,冷却效果增强。

1、前言

  差示扫描量热仪( DSC) 是广泛应用于热力学和动力学的研究、物质的鉴定、材料热分析、化学性质分析等领域的一种热分析仪器。本文主要是对DSC 加热炉冷却降温过程展开研究。加热炉作为DSC 的重要部分,在其运行过程中,其温度常常要高达400℃以上。传统的DSC 并没有对加热炉设置冷却系统,在DSC 运行结束后,加热炉自然冷却到常温需要经过很长一段时间。因此真空技术网(www.chvacuum.com)认为有必要为DSC 配备一套冷却系统。

  目前市面上用于DSC 的冷却方式主要有: 液氮制冷、压缩式制冷、快速冷却杯制冷等。液氮制冷可以达到- 170℃,但需要液氮的随时供给,从而增加了维护难度,且操作复杂。快速冷却杯制冷是一种手动冷却方式,通过向冷却杯中加入冰水、液氮、干冰或其它冷却介质来达到冷却炉体的效果。压缩式制冷的方法可以将温度降低到-40℃,冷却过程中无需任何耗材、系统封闭、操作简单,相比前2 种冷却方式更加经济有效。对于以上几种冷却方式,关于压缩式制冷在DSC 中应用的研究尚处于空白,因此本文针对该冷却方式,设计了一套单级循环的制冷系统。在该系统中设计了一个小尺度蒸发器作为冷却源,该冷却源妥贴地配置于DSC 加热炉上,以实现快速冷却。为了验证该制冷系统的在DSC 中的冷却效果,在试验研究的基础上,利用CFD 软件模拟该蒸发器内部流场的温度分布,并对该小尺度蒸发器的优化设计提出了改进的措施。

  在蒸发器数学模拟的研究中,汪蕊等利用CFD 对旋转薄膜蒸发器内流体的流动过程和速度分布进行了模拟,文中采用了三维几何模型,但并没有对模型及计算方法进行详细介绍。王军等利用Fluent 软件对分体室内机采用四折式蒸发器时的贯流风机系统的内部流场进行了模拟,文中采用二维模型,并不能充分模拟出流场整体分布,且没有试验验证。此外,在诸多研究中,关于干式蒸发器及降膜式蒸发器的模型研究居多,且通常采用二维模型的形式,研究仅以数值模拟为准。本文研究的蒸发器属于小尺度蒸发器,为了使计算结果更为准确和完整,本文选择三维模型对蒸发器内部流体的温度场进行了模拟。并通过试验,验证了数学模型的可行性和准确性。此外,为了提高蒸发器与加热炉的换热效果,根据试验结果和理论模拟,提出了针对蒸发器的内壁面的优化设计。

2、数值模拟

  2.1、蒸发器结构

  图1 给出了样机中的小尺度蒸发器结构,系统采用了制冷剂R404A,为了回流方便,制冷剂上进下出,成对角方向布置,制冷剂在蒸发器空腔内流动,通过内壁吸收来自加热炉的热量后汽化,从而使得加热炉得以降温。为了简化试验,先不设置加热炉,单纯测定蒸发器内表面的温度分布。制冷剂通过蒸发器内壁从室内空气吸热,最终使得蒸发器内外温度降低。

小尺度蒸发器

图1 小尺度蒸发器

5、结论

  (1) 试验测试的蒸发器表面平均温度为- 32℃,模拟结果为- 30℃,两者基本吻合; 从温度分布上看,结果都表明蒸发器上部比下部温度略低,但垂直方向温差不超过1℃,说明蒸发器内部温度分布均匀。模拟结果和试验结果对比吻合较好,表明建立的物理数学模型是合适的,进行的模拟计算能够与实际相符合,说明合理的CFD 数值模拟对实际工程问题的预测是可行的;

  (2) 将该小尺度蒸发器内壁优化设计成波纹面,可以提高换热面积,增大空气扰动,极大提高了蒸发器与加热炉的换热效果;

  (3) 试验与模拟的结果都证实了该小型制冷系统的可行性,对于冷却DSC 的加热炉,设计出了完整的一套单极冷却系统,对今后设计DSC 冷却系统有借鉴意义。

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