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，設計了一套采用小尺度蒸發器的單級制冷系統。為保證冷卻過程中蒸發器內部溫度場的均勻性及冷卻效果，利用CFD 商業軟件，對該蒸發器內部流體的溫度場進行數值模擬，并對蒸發器表面溫度進行了試驗測量。試驗結果表明，蒸發器內壁面溫度達到設計要求( - 35℃) ; 蒸發器整體溫度分布均勻，軸向溫差小于1℃; 模擬結果與試驗測量結果基本吻合。在此基礎上進一步對該蒸發器進行了優化設計，將其內壁面改為波紋面，采用波紋面的蒸發器與加熱爐的換熱空間內，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) 是廣泛應用于熱力學和動力學的研究、物質的鑒定、材料熱分析、化學性質分析等領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。傳統的DSC 并沒有對加熱爐設置冷卻系統，在DSC 運行結束后，加熱爐自然冷卻到常溫需要經過很長一段時間。因此真空技術網(smsksx.com)認為有必要為DSC 配備一套冷卻系統。

　　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、系統封閉、操作簡單，相比前2 種冷卻方式更加經濟有效。對于以上幾種冷卻方式，關于壓縮式制冷在DSC 中應用的研究尚處于空白，因此本文針對該冷卻方式，設計了一套單級循環的制冷系統。在該系統中設計了一個小尺度蒸發器作為冷卻源，該冷卻源妥貼地配置于DSC 加熱爐上，以實現快速冷卻。為了驗證該制冷系統的在DSC 中的冷卻效果，在試驗研究的基礎上，利用CFD 軟件模擬該蒸發器內部流場的溫度分布，并對該小尺度蒸發器的優化設計提出了改進的措施。

　　在蒸發器數學模擬的研究中，汪蕊等利用CFD 對旋轉薄膜蒸發器內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 軟件對分體室內機采用四折式蒸發器時的貫流風機系統的內部流場進行了模擬，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，關于干式蒸發器及降膜式蒸發器的模型研究居多，且通常采用二維模型的形式，研究僅以數值模擬為準。本文研究的蒸發器屬于小尺度蒸發器，為了使計算結果更為準確和完整，本文選擇三維模型對蒸發器內部流體的溫度場進行了模擬。并通過試驗，驗證了數學模型的可行性和準確性。此外，為了提高蒸發器與加熱爐的換熱效果，根據試驗結果和理論模擬，提出了針對蒸發器的內壁面的優化設計。

2、數值模擬

　　2.1、蒸發器結構

　　圖1 給出了樣機中的小尺度蒸發器結構，系統采用了制冷劑R404A，為了回流方便，制冷劑上進下出，成對角方向布置，制冷劑在蒸發器空腔內流動，通過內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，先不設置加熱爐，單純測定蒸發器內表面的溫度分布。制冷劑通過蒸發器內壁從室內空氣吸熱，最終使得蒸發器內外溫度降低。

圖1 小尺度蒸發器

5、結論

　　(1) 試驗測試的蒸發器表面平均溫度為- 32℃，模擬結果為- 30℃，兩者基本吻合; 從溫度分布上看，結果都表明蒸發器上部比下部溫度略低，但垂直方向溫差不超過1℃，說明蒸發器內部溫度分布均勻。模擬結果和試驗結果對比吻合較好，表明建立的物理數學模型是合適的，進行的模擬計算能夠與實際相符合，說明合理的CFD 數值模擬對實際工程問題的預測是可行的;

　　(2) 將該小尺度蒸發器內壁優化設計成波紋面，可以提高換熱面積，增大空氣擾動，極大提高了蒸發器與加熱爐的換熱效果;

　　(3) 試驗與模擬的結果都證實了該小型制冷系統的可行性，對于冷卻DSC 的加熱爐，設計出了完整的一套單極冷卻系統，對今后設計DSC 冷卻系統有借鑒意義。