多元混合工质节流制冷机逆流换热器综合传热系数的实验研究

    1 前 言

    多元混合工质节流制冷机在过去几年有了很大的进展,采用单级油润滑商用制冷压缩机驱动的多元混合工质节流制冷机与其他形式的制冷机相比具有明显的优点:低温下无运动部件、可靠性高、具有良好的热力性能、低制造成本等,已经成为80~200 K温区的主力制冷机[1,2]。该种制冷机制冷温区范围连接低温与普冷领域,具有很广泛的应用背景,对半导体工业、天然气工业、生物医学工程的发展具有非常重要的意义。

    逆流热交换器是混合工质节流制冷机中最为关键的部件之一,其性能将直接影响制冷机的整机性能。众所周知,从热力学角度讲,较小的传热温差将减小系统不可逆损失,但是从传热学角度讲,在完成一定的传热负荷时,小的传热温差将导致较大的换热面积,换热面积的增大将导致两个问题,一是系统尺寸增加,二是大的传热面积将可能导致工质流动压力损失增加,这也将导致系统性能下降。因此,在以完成所承担的传热负荷为目标下,存在一个换热器的优化问题,这个问题的解决将在很大程度上依赖于我们对这种多元非共沸混合工质热交换器工作特性的认识程度。

    开展多元混合工质具有相变过程传热问题的研究具有重要的意义,特别是对石化工业、天然气工业领域。目前国内外有关对多元混合工质相变传热的研究工作还较少。普冷领域针对混合制冷剂传热研究开展相对较多,但是由于制冷流程的差异,发生在普冷领域相关混合工质传热多为单纯冷凝或蒸发(沸腾)过程,很少有存在两种相变耦合传热过程的情况,大多研究针对冷凝器或蒸发器中的流动相变传热进行研究。并且,由于研究中替代现有CFCs工质的混合工质多为两组元工质,少数为三种组元,四种以上几乎没有[3]。因此研究中对研究工质组元浓度变化对传热过程的影响相对简单。然而在多元混合工质节流制冷机内的换热器又有着特别的工作特性,不同于一般用途的换热器,其内部工作过程十分复杂。这表现在: 11换热器工作温区大,在一次节流循环中,制冷机系统采用一级换热器来完成回热过程,因此换热器可能的工作温差有200 K甚至更大。21工质物性变化剧烈,多元非共沸混合物工质在较大的工作温区内工质物性变化很大,而且难以准确确定。31换热机理复杂,在混合工质逆流换热器工作温度范围内,换热器两侧工质都要经历相变过程,具体来说,对换热器高压工质温度由高到低经历着从气相-汽液两相-液相的相变过程(对某些混合工质节流制冷机来说,进入换热器的高压工质可能已经处于汽液两相区);对低压工质来说从温度由低到高经历着汽液两相(某些工质可能存在汽-液-液三相)到气相的相变过程;因此换热器内同时存在流动冷凝及蒸发(沸腾)传热过程,其内部机理十分复杂,有关这方面的研究工作还远远不够。因此虽然开展纯粹意义上混合物工质传热研究具有重大的学术意义,但是其所面临的困难还是非常艰巨的,这也可能是为什么目前关于多元混合物工质相变传热研究报道少的原因。