新型低温气液相平衡实验系统调试与验证

　　1 引言

　　自二十世纪90年代以来,国内外多元混合工质低温制冷机的研究方兴未艾。科研工作者利用不同沸点的氮烃类物质配比成具有回热性能的混合制冷剂,提高了低温制冷机系统的热力性能。为了更好地优化混合工质即MRC(Mixed Refrig-erantCycle)节流制冷循环,提高其热力效率,科学家们开始深入研究MRC低温制冷机或液化机的工作机理^[1][2]。混合物相平衡特性的研究是该项研究及其它低温科学研究的基石,这是因为在低温换热器中流动的混合物处于复杂的多相流流动状态,对其热物性的分析必须建立在准确的相平衡闪蒸计算的基础上;而且对于非共沸的混合工质,蒸发器的蒸发温度不仅取决于蒸发压力,同时也是各组分组成的函数,因此低温混合工质的相平衡研究与低温制冷及液化循环的运行性能密切相关。

　　气液相平衡实验研究是化工能源学科重要的基础研究方向,具有较长的研究历史,因而具有不同的研究测量方法。主要方法有;蒸馏法、循环法、静态法,流动法、露点法、泡点法和总压法等^[3],各种测量手段具有不同的特点,循环法的优点是:混合及换热快速均匀,平衡时间短,能够利用循环回路实时在线测量温度,压力及组分,实验精度较高。在低温环境下,单一的气相循环使得相平衡系统结构更加简单,操作更加方便,平衡釜内温度更易稳定,因此较广泛被采用,本实验设备也采用此循环方法。

　　2 实验系统

　　相平衡实验设备由实验室委托法国SanchezTechnologies制作,主要为上下两个箱体及其内部设备组成(见图1),箱体材料为耐低温的聚氨酯材料。下箱体内主要放置双级蒸汽压缩制冷系统及其连接的强电弱电线路;上箱体为低温浴的保温壳体,保温厚度超过30cm,空气浴空间约为0.1m³,内置有蓝宝石釜(1)、盲釜(2)各一,其容积均为80m,l另有与蒸汽压缩制冷系统相连的蒸发器、加热丝及流体管道等;蒸汽压缩制冷能够达到的最低制冷温度为208.15K(-65°C), 208.15K至108.15K(-165°C)采用液氮喷淋方式控温。实验系统核心部件为可耐50MPa高压的蓝宝石平衡釜,若其中已形成低温和高压下的气液两相流体,则可打开循环泵7,及选择性打开阀门V1-V4,V7等,气相在可循环泵(速度2-120ml/min可调)的驱动下从釜顶部抽出,经过箱体外面的控制阀门后又经由管道进入保温箱体内部釜体,并从釜体下部鼓泡上升,与低温液相工质进行传热传质,形成动态平衡,还可以利用上箱体上的视窗和外部相机系统观察气液界面的形成和移动。釜体与气相色谱(9)通过设置在循环管路上的四通阀(6)相连接,可在循环的时候随时抽取气相组分测量。可通过低温电磁阀(21)向上箱体内部喷入低温液氮获得恒温环境,电磁阀通过真空波纹管与液氮罐(19)连接;实验系统量身配备控制软件,实时监控蓝宝石及盲釜内压力、温度、空气浴温度以及加压活塞泵的温度和压力;加压活塞泵(8)可加入高压流体以及通过软件控制相平衡釜体内流体压力。