labconco 真空冷冻干燥机中的冷阱即是制冷系统的蒸发器,又是真空系统中的捕集器,它是集真空、传热传质于一身的设备。
1、冷阱中流动的气体通常处于稀薄气体环境下,其流动和换热规律具有与常压下不同的特点,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一定的指导意义。在稀气体动力学中一个称为克努曾数(Knudsen)的无量纲参数作为气体稀薄程度的量度,即Kn=/L,为气体分子的平均自由程,L为流动的特征长度。相应于不同的Kn数,存在不同的流动状态:(1)Kn<10-*为连续介质区;(2)10-< Kn<10-'为滑流区(即速度滑移和温度跳跃区);(3)10-'<Kn<10时为过渡区,和流动特征长度L为同一量级,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)Kn>10为自由分子区,气体分子的平均自由程入远大于流动特征长度L。本文研究的对象是冷阱中流动的气体,它在冻干机工作的绝大部分时间内处于滑流区(即 10-*<Kn<10~’),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是两个通常要考虑的影响因素!,Sparrow“]用考虑了滑移边界条件的 N-S方程和能量方程在等热流和等壁温情况下分析了气体在圆管内的不可压缩充分发展流动和换热。
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一致。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,而不性气体跟冷阱内表面发生热交换后夹带着很少量的水蒸气流出冷阱。这里主要研究冷阱中的气体的换热;对于水蒸汽结霜过程的传热,已有很多文章作过介绍,本文不作研究。图1是我们研究的冻干机的冷阱结构示意图,其空载真空度小于2P。由于冷阱是一个真空传热设备,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[:-3.1X10-27，这里，见是气体分子直径(空气分子的直径为P列23.72X10~m),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,如图2所示。从图中可见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。已知冷阱的内径为:D=0.2m,正常稳定工作时冷阱内的气体压力一般是2~8Pa,经计算在这样的压力范围内,冷阱内流动的气体处于滑流区(即10-<Kn<10-’)。下面主要分析处于这个区的冷阱内的气体换热。
真空冷冻干燥机冷阱内气体换热的 Nusselt 数表达式,结果表明冷阱内气体压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的影响大。当冷阱内的气体处于滑流区时,压力越低,则换热 N数越低,即换热系数越小,从而换热量将越小。
