氮烃混合工质中氖的作用机理

    1　引言

    当今红外热成像技术已广泛地应用在军事及民用领域,如主战坦克的瞄具、夜视仪以及红外摄像仪等。而作为红外芯片冷源之一的节流制冷器,由于它无运动件、无 振动、结构简单等特点,应用越来越受到重视。然而用纯氮或氮烃混合物作工质的节流制冷器,它的制冷量及降温速度虽基本上可满足要求,但它的制冷温度在 77K以上,而红外芯片工作必须保持在80K左右,一旦热耦合性不好,红外芯片就很难正常工作,因而我们必须设法降低节流制冷器的制冷温度。然而在氮 (77.4K)到氖(27.1K)之间有一段很大的空白带,没有一种纯质的正常沸点处于这一温区,这就迫使我们去寻找更低制冷温度的混合工质。

    2　氖的选择依据

    我们知道,在一定的压力下,两种不同沸点的工质混合节流后,它们混合溶液的沸点随着配比的不同而不同,在两种工质的沸点之间变化,同时低沸点组分在气态中的比例大于它在液态中的比例,而高沸点组分正好相反。

    那么在诸如氦、氢、氖等低沸点组分中我们如何作出选择呢?首先由于氢的不安全性,我们即可排除它;其次在氦和氖中,由于氦与氮的沸点相差太大,混合后极易 出现固相析出,更主要的是氦出现节流冷效应的转化温区太低,极限转化压力太小,当节流制冷器达到稳定节流状态时,混合工质中的氦只能产生节流热效应,这是 我们所不希望的。而氖的转化温度、转化压力都较高,只要在混合工质中比例适当,在稳定节流状态时它已进入节流冷效应区(如图1),如在30MPa的混合气 体中含有20%的氖,此时氖的分压为6MPa,当节流制冷器在160K的稳定节流状态节流,氖已进入了制冷区,氖节流时在将产生较大正值的等温节流效应 △HT。

    3　氮烃混合工质的特点

    氮烃混合工质的性质很多文献[1][5][6]都有大量的介绍,本文不再赘述。结合本文的内容,我们只想强调无论氮烃二元还是多元溶液,在一定压力 (如0.1MPa)下,只要氮的配比达到一定的量(不同的烃类,氮的比例不一)。混合溶液中都会出现富氮液相和富烃液相(氮-甲烷混合液除外),从而氮烃 混合工质在节流膨胀后可以达到液-液-气三相共存态,而三相共存温度是一个定值,在富氮液相蒸发过程中它保持不变,因而可以做为节流制冷器的制冷温度。如 混合物30%N2+30%CH4+20%C2H6+20%C3H8,其制冷温度可达80K左右。

    4　加氖后氮烃混合工质的制冷温度

    通过以上分析,我们知道氮烃混合溶液达到液-液-气平衡状态时,氮在气相中的浓度将大于在液相中的浓度,而烃则相反。那么在加入氖后,氮烃混合工质又将如何变化呢?我们可以通过混合工质的节流特点来加以分析。