热流逸真空泵的流导分析及此类泵在真空预冷机的应用

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有一种利用热流逸效应工作的真空泵,不同于常规真空泵,具有结构简单、无运动部件、可利用低品位热能等优点,目前正日益受到人们的关注。此类真空泵由多个单级努森泵串联得到,单级努森泵又是仅由微通道和冷热腔构成,也可以看作为真空系统管路的一部分,其流导性能便可以作详尽的讨论研究,流导同样是真空系统的重要参数,研究其流导性能将有助于我们更深入地认识热流逸真空泵的运行机制,进而为其优化设计及应用提供指导。本文首先建立了几种典型截面形状长微通道和短微通道的流导计算模型,进而分析了流导随努森数、温差、微通道特征尺寸和长度以及不同工质(H2、He、N2、O2、air、Ar、CO2、CH4)变化的规律。结果表明,微通道在过渡流区域的流导比在自由分子流区域大2~4个数量级;相同条件下,短微通道的流导性能优异于长微通道;绝大多数情况下,截面形状的对称性越强则其流导性能越好;在自由分子流区域,截面形状对流导的影响不大,但在过渡流区域,不同截面形状的流导可相差几十倍;H2所对应的流导,无论何种情况,总是最佳,并且在不同条件下,温差最能体现H2的优越性。可见,从微通道的流导性能方面考虑,应尽可能在过渡流区域工作,且应优先采用截面形状对称性强的短微通道结构,工质可以视情况考虑选择H2工质,但需要综合考虑努森数、温差和微通道特征尺寸之间的相互协同与制约。进而对微通道流导进行了蒙特卡洛模拟。结果表明在长宽比L/W确定的时候,矩形微通道流导随高宽比H/W的增大而增大,并且近乎为线性增长;在相同截面积的条件下,微通道的流导随微通道长度L的增大而减小;当微通道长度L较小且相同时,高宽比H/W越大微通道的流导越小;三种截面形状(圆形、矩形和椭圆形)的微通道在流导性能方面圆形微通道总是最佳;最后验证了微通道流导的模拟结果与公式计算结果的趋势是相同的,并且它们之间的误差还是比较小的,蒙特卡洛模拟方法在微通道流导方面同样具有很高的研究价值,为微通道的流导计算提供了一种新的方法,解决了一般公式无法准确计算的不规则形状微通道的流导问题。基于微通道的流导数学模型,扩展到整个真空泵的流导计算,结果表明,热流逸式真空泵内8种工质(H2、He、N2、O2、air、Ar、CO2、CH4)的流导性能与冷热腔长度L3和微通道特征尺寸Lr均关系密切,从这两方面来考虑,可以适当的减小冷热腔长度L3或者增大微通道特征尺寸Lr来提高热流逸式真空泵的流导性能,但是热流逸效应的发生与微通道特征尺寸Lr密切相关,不能一味的增大微通道特征尺寸Lr。热流逸式真空泵内这8种工质,其流导都是随连接通道的径长比k L的增大而增大,但是在小径长比k L增长率慢慢的趋于平缓,H2工质在流导方面优势很明显,但是其流导性能随着径长比k L的增加并没有较大的提升。基于热流逸式真空泵模型,进一步建立了热流逸式真空预冷机模型,结果表明,热流逸式真空预冷机的耗热Qt和热效率η随温差ΔΤ的增大而增大,但是我们肯定希望在耗热Qt少的同时提高热效率η,温差ΔΤ的确定需要综合两方面来考虑。预冷箱内食品的平衡含水量EMC随着压力P的增大逐渐升高,并且变化率逐渐减小;空气湿度h对食品的含水量同样有较大的影响,空气湿度越大,食品的含水量也就越大,而食品保鲜必须要控制在一定的含水量;真空预冷保鲜技术,要根据实际情况确定预冷箱的空气湿度h以及压力P,才可以达到保鲜的目的。当处于自由分子流区域时,仅串联30级压比就可以达到11.59;当处于过渡流区域时,仅串联30级压比就可以达到5.39,想要达到更大的压比只需要继续增加串联级数即可。热流逸式真空预冷机比一般真空预冷机优势明显,具有成本低和电费消耗少的优点,可以节约一大笔钱,并节约很大一部分的能源,这为改善传统预冷技术高耗能的缺点提供了新的解决思路。
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