真空冷冻干燥机冷阱中的气体换热分析

真空冷冻干燥机冷阱中的气体换热分析邓东泉除烈上海交通大学制冷与低温工程研宄所，23，速度滑移对换热的影响基于冷阱内面定热流和恒壁温的假设，建立了相应的分析模型，导出了冻干机冷讲内处于滑流区的气体换热他批数达式认为随着冷阱压力的降低，热扯数将不断减小。
1引言真空冷冻十燥机的冷阱即公制冷系统的蒸发器。又是真空系统中的捕集器。它集真空传热传质于身的设1冷阱中流动的气体通常处于稀薄气体环境人其流动和换热规律具有与常压下不同的特心。研究冷阱中气体的流动和换热规律，对于冻干机冷阱的设计及优化具有定的指导意义。在稀薄气体动力学中个称为克努曾数的无玷纲参数作为气体稀薄程度的量度，即人；=为气体分子的均出由程为流动的特征长度应于+同的数存在不同的流动状态入⑴为连续介质区；厂1为滑流区即速度滑移和温度跳跃区31人710，为过渡区，入和流动特征长度1为同量级，气体分子之间的碰撞和气体分子与壁面的碰撞对气体流动的影响具有同等的重要意义，连续介质假设不再成立；4尺0为自由分子区，气体分子的平均自由程远大于流动特征长度1.
因此本文将主要分析冷阱中处于滑流区的气体换热。对于处在滑流区的气体换热，速度滑移和温度跳跃以两个旭常要考虑的出响因素3暖，用名虑了泔移边界条件的13方朽和能影等壁温况1分析广淋在圆管内的不可地缩充分发展流动和换热，本文住前人以阱中的气体换热进行了初步分析，得出了冷阱中处于滑流区的气体的换热努谢尔数的达式。
2真空冷阱从真空干燥箱中出来的含有水蒸汽的空气混合气体，在温差势和压力梯度的驱动下进入冷阱，冷阱中的冷源是由螺旋盘组成的蒸发器，沿着盘管方向的温度几乎均匀致。当混合气体进入冷阱空间后由于温度急降，水蒸汽发生相变，沿着盘管均匀结霜，从而被冷阱捕集，相变热由盘管中的制冷剂带走，而不凝性气体跟冷阱内面发生热交换后夹带着很少量的水蒸气流出冷阱。这里主要研宄冷阱中的气体的换热；对于水蒸汽结霜过程的传热，己有很多文章作过介绍，本文不作研究。1是我们研宄的冻干机的冷阱结构意，其空载真空度小于2；1.由于冷阱是个真空传热设备，其内的低压气体的换热跟常压下相比有不同的特点。气体平均自由程的近似计算公式为冗=3A224r，M，这是气体分子直径空气分子的直径为兰3.72，7为气体温度，尸为气体压力。据此画出气体压力温度和平均自由程的关系曲线，2.从中可压力对平均自由程的影响比温度对平均自由程的影响要大得多。
己知冷阱的内径为1=2正常稳定工作时冷阱内的气体压力般是2，8，经计算在这样的压力范围内，冷阱内流动的气体处十滑流区即31面。要分析处于这个区的冷阱内的体压力这换热。
3换热分析为了分析方便，将冻干机的冷阱简化为3的模型。假设1将流动的气体，看作充分发展的不可玉缩流体。2冷阱内壁处于定热流和定壁温条件。3次作过利，冷阱愤1空度维持不变可能每次的真空度值不样。
对于冷阱中的气体满足动量守恒和能量守恒方程Ml止逆，且虻十！。
由于冷阱中的气体处于滑流区，则满足以下边界条件15速度滑移边界条件其，温度跳跃边界条件7.
其中。
度，7为位聊处的冷阱继而温度，夺为温役跳跃系数，0为面热适应系数，3为比热比，巧为普朗特数。0是气体的热扩散系数，=7只，为1休的导热系数。
从以上几个方程，并根据换热系数和努谢尔特数的定义可以得到下面的关系式由于心这里取气体分子直径2=3.72父，则上式可1常压下充分发展的。数为心。=48，即4.36.为了更直观地观察问，不妨把冷阱内的气体看成仅原子气体，其比热比1.4，且假设作0.7，则根据上式可得到。和气体压力的关系曲线，4所瓦只给了面热适应系数，=1的情况。从4中发现温付换热的於响要比压力对换热的影响小辱多中对应于72331和=2731的两条曲线很接近，说明温度对换热的影响比较小中当压力尸8时，数分为4.3067233和4.271=273幻，跟常压下充分发展的，数4.36比较接江。当压力广2兄，时1数分别为2.7877，233和2.6037273可以看出1卡力从83变七到028时数几乎下降了4.般控制冻干机冷阱内的气体压刀不小子，否剡会造成设备成4努谢尔特数与压力的系曲线本较高和消耗过多能源。4中随着压力的减小，换热数将不断下降，这反映了斤，数与冷讲真空度的关系，当真空度越高即压力越低时，则作！数越低，换热量也越低，这与实验现象致。冷阱内气体的换热系数，而气体导热系数随1.空提高所减少，因此冷阱莨交越高，则冷阱内气体的换热系数就越低。
4总结文从理论分折了螺旋抱；管式冻机冷阱中气体的换热。采用温度跳跃和速度滑移的边界条件与传统总义的动景方秤和能量方，相结的方法可以用来描述冻干机冷阱内的气体在滑流区的流动和换热过程，导出真空冷冻干燥机冷阱内气体换热的心数及达式，结果明冷阱内气体报力对换热的影响要比冷阱温度对换热的影响大得多，换言之，即冷阱中的气体压力对冷冻干燥的影响要比冷阱温度对冷冻干燥小吴其芬。陈伟芳。高温稀薄气体热化学非平衡流动的，30方法，长沙国防科技大学，2000.
41达安道。真空设计手册，北京国防工业出版社，1991.