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离心机制冷系统蒸发器设计计算

离心机腔体发热量的计算

蒸发器传热计算模型示意图

制冷系统是超高速及高速冷冻离心机的常用配置,制冷系统设计是否合理直接影响到腔体内温度场以及转子内样本试剂温度。通过理论和实验方法初步测定了离心机碳纤维转子与空气摩擦所产生的热量,并根据该热量设计制冷系统。

从能量学的观点看,离心机在达到稳态后电动机的输出功率反应为离心机转子的功耗,此时,离心机转子的动能增量为零,转子的功耗主要转化成热能的形式,一部分分布在离心机转子上,一部分通过转子表面传递至腔体空气中。在计算离心腔内发热量时作以下假设:

1)电机输出电能全部转化为摩擦力做功。

2)摩擦力做功中90%转化为热能。

3)由于碳纤维材料良好的绝热性能,忽略摩擦热向转子内部的热传导,即认为转子与空气高速

摩擦所产生的摩擦热全部传递给离心腔内空气。

通过实验测得转速n=13000r/min并达到稳定时电机输入功率P=2.2kW,电机功率因数η=0.85,离心机腔体发热量即摩擦热为Q=0.9Pη= 1683W。


离心机制冷系统蒸发器设计计算

研究的医用高速冷冻实验室离心机制冷系统采用蒸汽循环压缩式制冷。蒸发器采用不锈钢内腔外表面盘绕铜管方式,铜管内制冷剂与内腔内的空气进行热交换。通过速度场的计算初步确定腔体内壁附近主流空气的速度,并根据该速度可以初步计算蒸发器的传热系数,确定蒸发器铜管的尺寸与长度。蒸发器简化传热计算模型如图4所示。

医用冷冻实验室离心机腔体内速度场进行了初步的理论研究与计算,计算结果表明在转子外表面及腔体内壁面附近存在较大的速度梯度,而两者之间存在一个速度比较稳定的区域。将该区域定义为主流区,以该区域的速度值作为分析蒸发器对流换热时的主流速度。通过计算得知,在最大转速13000r/min时腔体壁面附近空气主流速度为26.2m/s。在分析腔体空气与壁面间对流换热之前,为简化计算,对该传热问题作以下假设:

1) 流动是二维的。

2) 流体是不可压缩的牛顿型流体,流体物性为常数、无内热源。

3) 粘性耗散产生的耗散热可以忽略不计。

4) 腔体壁面温度分布均匀。

5)蒸发器铜管外表面绝热良好,可不考虑冷量损失。

6) 将腔体圆筒形壁面展开成长方形,即将空气在离心腔内流动过程看作流体外掠平板过程。