多元混合工质池核沸腾传热实验研究

    1 引言

    多元混合工质节流制冷机在过去的几年取得了飞速发展,采用单压缩机驱动的多元非共沸混合物工质回热式节流制冷机逐渐成为80K~230K这一广阔温区的主力制冷机[1]。而对于混合工质沸腾传热系数的影响因素还没有一个定量的理解,还没有为J-T(焦耳-汤姆逊效应)节流制冷机建立适合的沸腾传热系数的关联式。从基础的池核沸腾出发,通过实验研究低温混合工质沸腾的传热机理,并拟合出一些纯质以及混合工质的池核沸腾传热关联式。

    有关纯工质的池核沸腾传热已经被广泛的研究,并提出了一些综合的关联式用以估算不同工质的沸腾传热系数[2]。而对于混合工质,现存的池沸腾关联式中大多数针对二元混合工质,针对三元或多元混合工质却很少[3~4]。因为混合物的组分如果增加到三元或多元,实验将变得异常复杂和繁琐,如果想覆盖混合物内各个不同组分浓度,操作工作量将成倍的增加。

    2 实验装置

    2.1 装置介绍

    图1为实验装置示意图。沸腾容器为圆桶形不锈钢容器,直径159mm,高为600mm;紫铜棒直径25mm,长200mm;液氮罐容器100升,且具有自增压功能,最高压力0.16MPa。沸腾容器内部的压力由精密压力变送器输出,当沸腾容器内压力高出设定压力,电磁阀自动打开,液氮流过沸腾容器顶部的冷凝器,使容器内压力稳定在设定值。整个沸腾容器以及电加热部分均在真空罩内部与外界真空绝热。在加热器外部裹有铝箔用以防止辐射散热。

    三只精度为0.1K的铂电阻温度计分别放置在距离铜棒顶部20mm、40mm和60mm的位置,通过打通孔的方式插入到铜棒中心。两只同样精度的铂电阻温度计分别放置在沸腾容器底部和中上部,用以测量工质液体和气体的温度值。在沸腾容器中部和底部分别用细毛细管对工质采样,然后与气相色谱仪连接进行组分浓度测量,色谱仪的型号为SP-3400,采用热导检测池方式分析测量。

    沸腾容器经过氦质谱仪进行捡漏操作,确保容器绝对密封。在实验以前,沸腾容器内部先用丙酮浸泡,去除杂质,然后内部经过抽真空才导入工质。为了避免沸腾滞后效应,应采取热流密度逐渐降低的方法,分别测量沸腾传热实验数据。实验壁面温度和热流密度是通过加热棒三点的铂电阻的温度依照傅立叶定律推导计算出来的。当实验工质为混合工质时,采用称重法测量出各个组分的初始配比,使用精度为0.1g的精密天平称量。使用气相色谱仪测量组分浓度时,保证重复性的精度在1%以内。

    2.2 传热误差分析

    实验装置对于沸腾传热系数的采用下式计算:

    对于热流和壁面温度是根据铜棒上的三个等距测温点按照傅立叶定律,通过线性外推的方法计算出来的,如以下两公式所示: