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)計了一套采用小尺度蒸發(fā)器的單級制冷系統(tǒng)。為保證冷卻過程中蒸發(fā)器內(nèi)部溫度場的均勻性及冷卻效果，利用CFD 商業(yè)軟件，對該蒸發(fā)器內(nèi)部流體的溫度場進行數(shù)值模擬，并對蒸發(fā)器表面溫度進行了試驗測量。試驗結(jié)果表明，蒸發(fā)器內(nèi)壁面溫度達到設(shè)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(jié)果與試驗測量結(jié)果基本吻合。在此基礎(chǔ)上進一步對該蒸發(fā)器進行了優(yōu)化設(shè)計，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。

1、前言

　　差示掃描量熱儀( DSC) 是廣泛應(yīng)用于熱力學(xué)和動力學(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 加熱爐冷卻降溫過程展開研究。加熱爐作為DSC 的重要部分，在其運行過程中，其溫度常常要高達400℃以上。傳統(tǒng)的DSC 并沒有對加熱爐設(shè)置冷卻系統(tǒng)，在DSC 運行結(jié)束后，加熱爐自然冷卻到常溫需要經(jīng)過很長一段時間。因此真空技術(shù)網(wǎng)(resourcemgt.cn)認為有必要為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。液氮制冷可以達到- 170℃，但需要液氮的隨時供給，從而增加了維護難度，且操作復(fù)雜。快速冷卻杯制冷是一種手動冷卻方式，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(yīng)用的研究尚處于空白，因此本文針對該冷卻方式，設(shè)計了一套單級循環(huán)的制冷系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中設(shè)計了一個小尺度蒸發(fā)器作為冷卻源，該冷卻源妥貼地配置于DSC 加熱爐上，以實現(xiàn)快速冷卻。為了驗證該制冷系統(tǒng)的在DSC 中的冷卻效果，在試驗研究的基礎(chǔ)上，利用CFD 軟件模擬該蒸發(fā)器內(nèi)部流場的溫度分布，并對該小尺度蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計提出了改進的措施。

　　在蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模擬的研究中，汪蕊等利用CFD 對旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體的流動過程和速度分布進行了模擬，文中采用了三維幾何模型，但并沒有對模型及計算方法進行詳細介紹。王軍等利用Fluent 軟件對分體室內(nèi)機采用四折式蒸發(fā)器時的貫流風(fēng)機系統(tǒng)的內(nèi)部流場進行了模擬，文中采用二維模型，并不能充分模擬出流場整體分布，且沒有試驗驗證。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，研究僅以數(shù)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(jié)果更為準確和完整，本文選擇三維模型對蒸發(fā)器內(nèi)部流體的溫度場進行了模擬。并通過試驗，驗證了數(shù)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(jù)試驗結(jié)果和理論模擬，提出了針對蒸發(fā)器的內(nèi)壁面的優(yōu)化設(shè)計。

2、數(shù)值模擬

　　2.1、蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

　　圖1 給出了樣機中的小尺度蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用了制冷劑R404A，為了回流方便，制冷劑上進下出，成對角方向布置，制冷劑在蒸發(fā)器空腔內(nèi)流動，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。為了簡化試驗，先不設(shè)置加熱爐，單純測定蒸發(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) 試驗測試的蒸發(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)果和試驗結(jié)果對比吻合較好，表明建立的物理數(shù)學(xué)模型是合適的，進行的模擬計算能夠與實際相符合，說明合理的CFD 數(shù)值模擬對實際工程問題的預(yù)測是可行的;

　　(2) 將該小尺度蒸發(fā)器內(nèi)壁優(yōu)化設(shè)計成波紋面，可以提高換熱面積，增大空氣擾動，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(jié)果都證實了該小型制冷系統(tǒng)的可行性，對于冷卻DSC 的加熱爐，設(shè)計出了完整的一套單極冷卻系統(tǒng)，對今后設(shè)計DSC 冷卻系統(tǒng)有借鑒意義。