低温混合工质池核沸腾换热研究

    1　引言

    蒙特利尔议定书签订以来,CFCs制冷剂和HCFCs类制冷剂将被禁止使用。近年来,在普冷领域已经开始寻找新的对环境无危害或危害小的制冷工质,并对这些新的制冷工质的热力学性能进行了深入的研究。到目前为止,能够替代的纯工质只有为数不多的几种,而以HFCs和HCFCs组成的混合工质便得到了广泛的应用。而在低温领域,自从Alfeev[1]发现采用低温混合工质以来,人们发现使用低温混合工质具有纯质不可比拟的优点,可增大制冷量,降低工作压力,提高节流循环的效率,使节流效应低的被动局面得到根本性的改变,从而使低温混合工质在微型节流制冷机中具有广阔的发展前景。俄罗斯、乌克兰、美国、法国分别都展开了对多元混合工质的研究,其中以美国APD公司为代表,在实用产品上首先批量生产以商标“CRYOTIGER”的产品。从90年代初期开始,中国科学院低温中心,西安交通大学、上海交通大学、合肥低温电子研究所等开始研究液氮温区液氮多元混合物工质J-T节流制冷循环,低温中心已经将液氮温区以上的混合工质节流循环的低温冰箱的研究和开发工作发展到了产品化的地步,达到了国际领先水平。

    混合工质由两种或多种纯工质组成,按温度范围的不同,可分为普冷混合工质和深冷混合工质。普冷混合工质是HFCs和HCFCs组成沸点温差较小的混合工质,而在低温回热J-T节流制冷机循环中,多采用多元氮-烃类混合物或多元氮-氟利昂混合物作制冷工质,组分数一般都在4种以上,并且各组分沸点相差很大,有时甚至大于100K。

    低温混合工质在节流制冷机的研究上,无论是基础理论方面,还是在实际研究方面,都取得了飞速进展,而且已经有部分产品。但是对于混合工质制冷机内部机理的研究,还远远不够,表现在:(1)混合工质复杂的热物性性质在理论计算和实验研究方面都需要做进一步大量的工作。(2)混合工质与纯工质在循环过程中的区别还远未清楚,包括相变换热过程中的区别、温度滑移和组分漂移对循环的影响、混合工质的节流特性等等。(3)对于不同温区循环的混合工质适用的各种装置部件的研究才刚刚起步,需要作大量的工作。

    对于混合工质的相变换热特性的研究是一个非常有实际意义的课题,而对于沸腾相变换热,由于在换热器内的沸腾换热过程比较复杂,所以首先以池内的混合工质的沸腾换热为重点研究对象,了解沸腾换热过程的机理与影响因素,从而为混合工质制冷机换热器的设计和构造打下了理论基础。因此本文介绍了几种主要的沸腾换热机理,列举了几种通用的混合工质沸腾换热关联式,以便进一步的研究。

    2　混合工质池内沸腾换热机理模型及换热系数关联式