二元混合工质HFC23/CFC13池核沸腾传热的实验研究

    1 前言

    对于-80℃温区的复叠制冷系统,低温级常用的制冷工质为HFC23、R503(HFC23/CFC13=0. 401/0. 599质量比)、R508A (HFC23/HFC116=0. 39/0. 61质量比)和R508B (HFC23/HFC116=0. 46/0. 54%质量比)。准确预测混合工质沸腾换热系数对于制冷系统换热器的设计有非常大的指导作用。对于低温混合工质HFC23/CFC13的沸腾传热研究在国内尚属空白,在国际上仅有文献[1]报道过,但是文献[1]只给出了混合物HFC23/CFC13在单个热流密度下获得的3个不同系统压力下的池核沸腾换热系数,这些数据对于指导换热器的设计还远远不够。

    本文的目的就是从不同压力、热流和摩尔浓度等方面入手,对混合工质HFC23/CFC13的传热特性进行系统研究,得到混合物HFC23/CFC13的沸腾换热系数。同时,实验结果与较典型的预测关联式进行比较。

    2 实验装置

    2. 1 装置介绍

    图1为实验装置示意图。加热表面为直径25mm的紫铜棒2固定在不锈钢沸腾容器4的底部。加热热流和加热壁面温度根据铜棒上的三个等距测温点,按照傅立叶定律线性外推的方法来计算。通过压力传感器来控制电磁阀10的通断,从而保证了沸腾容器4内压力的恒定。混合工质的配置采用精度为0. 1g的精密天平称重测量出各个组分的初始配比。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9连接进行组分浓度测量。

    实验共采用了5个Pt100铂电阻温度计,每只温度计都经过了中国科学院低温计量站标定,温度测量的不确定性为±0. 1K。压力传感器的测量精度为±1kPa。加热功率的测量采用艾诺(Ainuo)2102C型电参数综合测量仪,绝对温差范围为±6W。气色谱仪的型号为SP-3400,测量精度为±0. 01。实验的总体测量误差不大于7%。详细设备介绍见文献[2]。

    2. 2 实验流程及方法

    实验流程图如1图所示。在实验前,沸腾容器经过氦质谱仪进行捡漏操作,确保容器绝对密封。沸腾容器内部先用丙酮浸泡,去除杂质,然后内部抽真空准备导入工质。首先用精密天平称量纯组分后,按一定浓度配置定量的工质到工质储罐1中,打开沸腾容器4与工质储罐1的连通阀7,通入混合工质,并设定一个初始压力值,当沸腾容器4内的压力高于设定值时,电磁阀10自动打开开始冷却。当工质液面高度达到100mm左右,关闭连通阀7。同时启动电加热器12,为了避免沸腾滞后效应,应采取热流密度逐渐降低的顺序依次调节加热器12的功率,在稳定状态下记录各点温度、压力数值,同时测量气液相组分浓度。记录完一组数据后调节另一个压力值重复上述步骤。

    3 实验结果及分析

    3. 1 HFC23/CFC13在不同热流下的实验结果