毛細(xì)輔助蒸發(fā)理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、對(duì)低飽和蒸汽壓液態(tài)工質(zhì)(如水、甲醇等)小溫差下蒸發(fā)，為了避免液體內(nèi)部靜壓對(duì)其蒸發(fā)飽和溫度的影響，傳統(tǒng)的低壓蒸發(fā)器通常采用降膜蒸發(fā)，如溴化鋰吸收式制冷機(jī)降膜水蒸發(fā)器。降膜蒸發(fā)需要液體循環(huán)泵和噴淋布液裝置等輔助設(shè)備，不利于設(shè)備小型化和微型化。為此本文引入另外一種膜態(tài)蒸發(fā)形式：毛細(xì)輔助蒸發(fā)，將其應(yīng)用到小型和微型制冷設(shè)備中。毛細(xì)輔助蒸發(fā)是利用微細(xì)通道對(duì)液體的毛細(xì)抽吸作用形成蒸發(fā)薄膜，是一種被動(dòng)成膜方式，它不需要任何的輔助設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)均勻布液，蒸

2、發(fā)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行可靠、成本較低。以往針對(duì)毛細(xì)輔助蒸發(fā)換熱開(kāi)展的研究絕大多數(shù)集中在微小尺度(毫米級(jí)以下)領(lǐng)域，常規(guī)尺度領(lǐng)域研究極少。因此，本文將這種廣泛應(yīng)用于微小尺度領(lǐng)域的高效蒸發(fā)換熱方式擴(kuò)展應(yīng)用到常規(guī)尺度領(lǐng)域，即應(yīng)用于小型和微型制冷設(shè)備內(nèi)低飽和蒸汽壓液態(tài)工質(zhì)蒸發(fā)。 為了深入認(rèn)識(shí)毛細(xì)輔助蒸發(fā)過(guò)程中的熱量和質(zhì)量傳遞機(jī)理，解決在常規(guī)尺度領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)可能遇到的問(wèn)題，本文分別從理論和實(shí)驗(yàn)的角度開(kāi)展了研究。 本文首先針對(duì)橫圓管外

3、表面周向微細(xì)矩形槽道內(nèi)液態(tài)工質(zhì)毛細(xì)輔助流動(dòng)蒸發(fā)開(kāi)展了系統(tǒng)深入的理論分析，建立了完整的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)數(shù)學(xué)模型深入研究了毛細(xì)輔助蒸發(fā)過(guò)程中液態(tài)工質(zhì)的流動(dòng)特性和蒸發(fā)換熱特性，研究結(jié)果表明：沿液體流動(dòng)方向槽道軸向截面內(nèi)彎曲汽.液界面的固有彎月面區(qū)曲率逐漸增大，截面總的吸熱量逐漸增加。對(duì)某一軸向截面吸熱區(qū)域主要集中在彎曲汽.液界面的左上角和右上角。相同條件下軸向截面總的吸熱量水的大于甲醇，但是對(duì)于相同的槽道結(jié)構(gòu)參數(shù)、相同液體入口位置、相同汽相壓力

4、和槽道壁面過(guò)熱度，同一槽道軸向截面甲醇的動(dòng)態(tài)接觸角比水小得多，因此截面內(nèi)總的吸熱量高于水。此外，理論分析表明存在一個(gè)最大的槽底直徑，當(dāng)超過(guò)此直徑時(shí)將出現(xiàn)角落流，嚴(yán)重削弱槽道承載熱流能力。最大槽底直徑隨槽道壁面過(guò)熱度增加而減小，隨槽道深寬比增大而增大。 為了對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，本文對(duì)周向微細(xì)矩形槽道內(nèi)毛細(xì)輔助流動(dòng)蒸發(fā)換熱開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，搭建了單管測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置。根據(jù)理論分析結(jié)果，槽寬分別取0.5mm和0.2mm，槽深分別取0

5、.5mm和1.0mm，槽道壁厚均為0.15mm，即共有四種管型，液態(tài)蒸發(fā)工質(zhì)選取水和甲醇。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：槽道液體入口位置，即液位對(duì)毛細(xì)輔助蒸發(fā)換熱影響最為顯著，槽道節(jié)距P=0.35mm，槽寬W=0.2mm，槽深D=1.0mm，槽底直徑D1=17.0mm，槽道傾角ω=90°，蒸發(fā)飽和溫度Te=5.0±0.1℃，槽道壁面過(guò)熱度ΔT=4.0±0.2℃，以水為例，當(dāng)無(wú)量綱液位γ由3/4降至1/4時(shí)毛細(xì)輔助蒸發(fā)換熱系數(shù)升高了136％，從2400W

6、/(m2K)升高至5700W/(m2K)，而溴化鋰吸收式制冷機(jī)降膜水蒸發(fā)器蒸發(fā)側(cè)的設(shè)計(jì)換熱系數(shù)通常為2800～4500W/(m2K)。此外，毛細(xì)輔助蒸發(fā)換熱系數(shù)隨槽道壁面過(guò)熱度增加而減小，隨蒸發(fā)壓力升高而增大。 為了對(duì)毛細(xì)輔助型低壓蒸發(fā)器在小型和微型制冷設(shè)備內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)加工了制冷功率為1kW的微型硅膠.水固體吸附式制冷機(jī)，采用了毛細(xì)輔助型低壓水蒸發(fā)器。對(duì)樣機(jī)開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)研究表明蒸發(fā)器運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。對(duì)一臺(tái)設(shè)計(jì)功率