混合工质在低温制冷中的应用

　　1 前言

　　在新型低温制冷机的发展过程中,可以发现制冷机的制冷效果与工质的热物性有很大的关系。例如,当工质的比热容大时,制冷效果较好;当工质的导热系数大时,导热损失就大,就会影响制冷机的效果;当粘性系数较大时,则由于摩擦增大,导致压力损失增大,影响到压比,也会影响制冷机的制冷效果[1]。由于纯物质种类有限,人们希望利用混合物作为制冷工质,从理论上讲,混合工质可应用于任一使用纯工质的制冷机。文献中已大量报道了混合工质在普冷、液化天然气、J-T制冷机中的应用,特别是混合工质在J-T制冷机中的大量应用。在回热式制冷机中采用混合工质的想法源于对Stirling制冷机制冷性能的讨论,但至今为止还没有实验方面的数据[2]。本文主要介绍混合工质在低温制冷中的应用情况。

　　2 混合工质的特点

　　制冷工质是制冷机中的工作介质,它在制冷机系统中循环流动,通过自身热力状态的变化与外界发生能量交换,从而实现制冷的目的。制冷工质的热物性如粘度、导热系数、比热容等直接影响制冷机的性能。Kazachk.i G曾经提到工质的热物性在评价工质能否成为理想的制冷剂时占有举足轻重的作用[2]。由于单一纯工质种类有限,且其热物性有一定局限性,混合工质的研究逐步成为工质研究的热点。混合制冷工质是由两种或两种以上的纯制冷工质以一定比例混合而成的。混合制冷工质具有各纯质制冷工质近似平均的性质,并能实现纯质制冷工质的优势互补。

　　3 混合工质在J-T制冷机中的应用[2, 3]

　　混合工质在节流制冷机中的应用成为研究的热点是由它的发展前景和潜在优点所决定的[4]。这主要因为:使用混合工质可以提高制冷能力、降低运行压力、缩短降温时间,改善热交换器中的温度分布,进一步提高制冷系统的效率;并且可以通过改变组分配比影响换热器的温度分布曲线。纯工质节流制冷系统在这一点上是无法相比的[4]。在Joule-Thomson循环中采用混合物制冷工质已有相当长的发展历史,表1简述了国外混合工质节流制冷系统的研究进展状况。

　　混合工质J-T节流制冷机在国外已有产品出现, APD公司生产的CryotigerÓ系列节流制冷机,其最低温度为68K, 80K时其制冷量为7W,输入功率为450W[4]。

　　国内混合工质在节流制冷机中的应用也取得了较大进展,中国科学院低温中心(以下简称/低温中心0)用额定输入功率为1/3HP的空调压缩机,用四种组元的混合工质在153K时取得11W制冷量,在163K时获得16W制冷量;低温中心罗二仓教授研发团队现已研制出混合工质节流制冷机样机和产品[5]。中国电子科技集团第十六研究所所研制的某型混合工质节流制冷器产品(见图1)各项技术指标均优于俄制同类产品,现已为某重点工程配套应用,并形成小批量生产。华中理工大学,西安交通大学(以下简称/西安交大0),浙江大学也在这方面开展了较多工作。