液体真空制冷的理论分析及实验验证

    真空制冷的基本原理是利用抽真空降压而使液体相变蒸发而制冷。在真空制冷的过程中,当外界压强降低到液体所对应的汽化压强时,液体就汽化相变,从而带走大量的蒸发潜热。当系统与外界绝热时,沸腾所带走的蒸发潜热来自于液体自身的能量,使其冷却下来,达到制冷降温的目的。

    目前真空制冷的研究主要集中在食品冷冻工业,文献[1]综述了真空制冷在食品工业中的各种应用,文献[2]建立了真空冷却的非稳态数学模型,并利用CFD软件对多孔食品的真空冷却进行了数值模拟。文献[3]综述了真空冷却技术在花卉、果蔬和熟肉中的应用研究现状以及目前真空冷却技术理论研究的进展。真空制冷具有冷却速率快、冷却均匀、蒸发潜热大等优点,随着微电子芯片功率不断增大,真空制冷有望成为冷却微电子芯片的一种新技术。

    世界上第一个液体真空制冷模型由Burfoot[4]提出,他认为在气相和液相之间存在一个浓度梯度,并假设蒸发水的质量流量和质量传递系数与水蒸汽的平衡压力和系统总压力的压力差成正比例。Hous-ka[5]、Zitny[6]分别提出了二个不同的真空制冷模型。这些模型是基于气相和液相的热力学平衡而得到的。Petera和Dostal[7]等对液体真空制冷的基本原理、数值模拟作了研究,并对Houska的模型和Zitny的模型作了比较。

    尽管Dostal[8]提出的真空制冷模型很好地分析了真空制冷中的传热现象,但仅停留在绝热条件下,且没有对推导的结论作实验验证。本文在Dostal工作的基础上,建立了真空制冷系统热传递的数学模型,分别在绝热和有热交换条件下对真空制冷系统中的液体温度的变化进行了分析,推导两种情况下液体温度随时间的变化函数,分析影响温度的各种参数并对理论模型进行实验验证,从而为利用真空制冷冷却微电子芯片提供理论依据。

    1 液体真空制冷的数学模型

    真空制冷系统的物理模型如图1所示,为了简化计算,作如下假设[8]:

    (1)在气相和液相之间存在热力学平衡,并认为该平衡处于液体表面和其蒸汽之间。

    (2)由于在汽液表面间进行的传热传质过程存在着一定的阻力,在靠近气液界面的一个薄层内,如文献[9]所阐述的,存在着明显的热传递阻力和质量传递阻力。

    (3)汽液交界面的温度Ts由饱和蒸汽压Ps所对应的平衡值来确定,在液体内部温度处处相等。

    (4)在制冷过程中,整个系统真空度保持恒定;在液体表面上方空间只有饱和水蒸汽而没有其它气体。

    由图1所示,热传递发生在汽液界面的液体薄层内,从等温液体流向气液界面的热流量qz,写成一维形式可表示为