毛細輔助蒸發(fā)理論與實驗研究.pdf

1、對低飽和蒸汽壓液態(tài)工質(如水、甲醇等)小溫差下蒸發(fā)，為了避免液體內部靜壓對其蒸發(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備，不利于設備小型化和微型化。為此本文引入另外一種膜態(tài)蒸發(fā)形式：毛細輔助蒸發(fā)，將其應用到小型和微型制冷設備中。毛細輔助蒸發(fā)是利用微細通道對液體的毛細抽吸作用形成蒸發(fā)薄膜，是一種被動成膜方式，它不需要任何的輔助設備即可實現(xiàn)均勻布液，蒸

2、發(fā)器結構簡單緊湊、運行可靠、成本較低。以往針對毛細輔助蒸發(fā)換熱開展的研究絕大多數(shù)集中在微小尺度(毫米級以下)領域，常規(guī)尺度領域研究極少。因此，本文將這種廣泛應用于微小尺度領域的高效蒸發(fā)換熱方式擴展應用到常規(guī)尺度領域，即應用于小型和微型制冷設備內低飽和蒸汽壓液態(tài)工質蒸發(fā)。 為了深入認識毛細輔助蒸發(fā)過程中的熱量和質量傳遞機理，解決在常規(guī)尺度領域應用時可能遇到的問題，本文分別從理論和實驗的角度開展了研究。 本文首先針對橫圓管外

3、表面周向微細矩形槽道內液態(tài)工質毛細輔助流動蒸發(fā)開展了系統(tǒng)深入的理論分析，建立了完整的數(shù)學模型。通過數(shù)學模型深入研究了毛細輔助蒸發(fā)過程中液態(tài)工質的流動特性和蒸發(fā)換熱特性，研究結果表明：沿液體流動方向槽道軸向截面內彎曲汽.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，但是對于相同的槽道結構參數(shù)、相同液體入口位置、相同汽相壓力

4、和槽道壁面過熱度，同一槽道軸向截面甲醇的動態(tài)接觸角比水小得多，因此截面內總的吸熱量高于水。此外，理論分析表明存在一個最大的槽底直徑，當超過此直徑時將出現(xiàn)角落流，嚴重削弱槽道承載熱流能力。最大槽底直徑隨槽道壁面過熱度增加而減小，隨槽道深寬比增大而增大。 為了對所建立的數(shù)學模型進行驗證，本文對周向微細矩形槽道內毛細輔助流動蒸發(fā)換熱開展了實驗研究，搭建了單管測試實驗裝置。根據(jù)理論分析結果，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)工質選取水和甲醇。實驗結果表明：槽道液體入口位置，即液位對毛細輔助蒸發(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℃，槽道壁面過熱度ΔT=4.0±0.2℃，以水為例，當無量綱液位γ由3/4降至1/4時毛細輔助蒸發(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降膜水蒸發(fā)器蒸發(fā)側的設計換熱系數(shù)通常為2800～4500W/(m2K)。此外，毛細輔助蒸發(fā)換熱系數(shù)隨槽道壁面過熱度增加而減小，隨蒸發(fā)壓力升高而增大。 為了對毛細輔助型低壓蒸發(fā)器在小型和微型制冷設備內的應用進行系統(tǒng)驗證，本文設計加工了制冷功率為1kW的微型硅膠.水固體吸附式制冷機，采用了毛細輔助型低壓水蒸發(fā)器。對樣機開展的實驗研究表明蒸發(fā)器運行穩(wěn)定、可靠。對一臺設計功率