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(shè)計(jì)了一套采用小尺度蒸發(fā)器的單級(jí)制冷系統(tǒng)。為保證冷卻過程中蒸發(fā)器內(nèi)部溫度場(chǎng)的均勻性及冷卻效果，利用CFD 商業(yè)軟件，對(duì)該蒸發(fā)器內(nèi)部流體的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)蒸發(fā)器表面溫度進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，蒸發(fā)器內(nèi)壁面溫度達(dá)到設(shè)計(jì)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(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本吻合。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)該蒸發(fā)器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將其內(nèi)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(nèi)，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(qiáng)。

1、前言

　　差示掃描量熱儀( DSC) 是廣泛應(yīng)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(duì)DSC 加熱爐冷卻降溫過程展開研究。加熱爐作為DSC 的重要部分，在其運(yùn)行過程中，其溫度常常要高達(dá)400℃以上。傳統(tǒng)的DSC 并沒有對(duì)加熱爐設(shè)置冷卻系統(tǒng)，在DSC 運(yùn)行結(jié)束后，加熱爐自然冷卻到常溫需要經(jīng)過很長(zhǎng)一段時(shí)間。因此真空技術(shù)網(wǎng)(www.13house.cn)認(rèn)為有必要為DSC 配備一套冷卻系統(tǒng)。

　　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(dá)到- 170℃，但需要液氮的隨時(shí)供給，從而增加了維護(hù)難度，且操作復(fù)雜。快速冷卻杯制冷是一種手動(dòng)冷卻方式，通過向冷卻杯中加入冰水、液氮、干冰或其它冷卻介質(zhì)來達(dá)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℃，冷卻過程中無需任何耗材、系統(tǒng)封閉、操作簡(jiǎn)單，相比前2 種冷卻方式更加經(jīng)濟(jì)有效。對(duì)于以上幾種冷卻方式，關(guān)于壓縮式制冷在DSC 中應(yīng)用的研究尚處于空白，因此本文針對(duì)該冷卻方式，設(shè)計(jì)了一套單級(jí)循環(huán)的制冷系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)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(xiàn)快速冷卻。為了驗(yàn)證該制冷系統(tǒng)的在DSC 中的冷卻效果，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用CFD 軟件模擬該蒸發(fā)器內(nèi)部流場(chǎng)的溫度分布，并對(duì)該小尺度蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)的措施。

　　在蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模擬的研究中，汪蕊等利用CFD 對(duì)旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體的流動(dòng)過程和速度分布進(jìn)行了模擬，文中采用了三維幾何模型，但并沒有對(duì)模型及計(jì)算方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。王軍等利用Fluent 軟件對(duì)分體室內(nèi)機(jī)采用四折式蒸發(fā)器時(shí)的貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)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，且沒有試驗(yàn)驗(yàn)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?jī)H以數(shù)值模擬為準(zhǔn)。本文研究的蒸發(fā)器屬于小尺度蒸發(fā)器，為了使計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確和完整，本文選擇三維模型對(duì)蒸發(fā)器內(nèi)部流體的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬。并通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的可行性和準(zhǔn)確性。此外，為了提高蒸發(fā)器與加熱爐的換熱效果，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和理論模擬，提出了針對(duì)蒸發(fā)器的內(nèi)壁面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2、數(shù)值模擬

　　2.1、蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

　　圖1 給出了樣機(jī)中的小尺度蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用了制冷劑R404A，為了回流方便，制冷劑上進(jìn)下出，成對(duì)角方向布置，制冷劑在蒸發(fā)器空腔內(nèi)流動(dòng)，通過內(nèi)壁吸收來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(yàn)，先不設(shè)置加熱爐，單純測(cè)定蒸發(fā)器內(nèi)表面的溫度分布。制冷劑通過蒸發(fā)器內(nèi)壁從室內(nèi)空氣吸熱，最終使得蒸發(fā)器內(nèi)外溫度降低。

圖1 小尺度蒸發(fā)器

5、結(jié)論

　　(1) 試驗(yàn)測(cè)試的蒸發(fā)器表面平均溫度為- 32℃，模擬結(jié)果為- 30℃，兩者基本吻合; 從溫度分布上看，結(jié)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1℃，說明蒸發(fā)器內(nèi)部溫度分布均勻。模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比吻合較好，表明建立的物理數(shù)學(xué)模型是合適的，進(jìn)行的模擬計(jì)算能夠與實(shí)際相符合，說明合理的CFD 數(shù)值模擬對(duì)實(shí)際工程問題的預(yù)測(cè)是可行的;

　　(2) 將該小尺度蒸發(fā)器內(nèi)壁優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yàn)與模擬的結(jié)果都證實(shí)了該小型制冷系統(tǒng)的可行性，對(duì)于冷卻DSC 的加熱爐，設(shè)計(jì)出了完整的一套單極冷卻系統(tǒng)，對(duì)今后設(shè)計(jì)DSC 冷卻系統(tǒng)有借鑒意義。