非共沸混合工质流动沸腾参数计算方法研究

　　0 引言

　　经过多年的发展，非共沸混合制冷剂已经应用于多种制冷和热泵系统。使用非共沸混合工质作为制冷剂的节流制冷技术已成为80-230K温区的主要制冷技术^[1]。此外，采用非共沸混合工质的单级压缩热泵具有结构简单，制造成本低，运行调节简单，适用温区广且热力效率高等优点^[2]。

　　与纯工质相比，混合工质在热系统中的应用需要更多更复杂的机理研究，其中涉及到相平衡问题，浓度变化问题，以及混合工质相变过程涉及的物性变化问题等。传热研究是直接影响系统设计和应用的重要课题。非共沸混合物饱和流动沸腾传热测量和计算与纯工质有很大的不同。Thome[3]在其综述文中指出，已发表的很多关于非共沸混合物流动沸腾的文献中，传热测量和计算不规范，给工业应用带来了很多困惑并造成了不必要的麻烦。特别是，很多学者直接用计算纯工质流动沸腾传热的方法来计算非共沸混合物。相平衡计算的缺失，会使获得的传热系数存在显著偏差。已有文献讨论过非共沸混合物流动沸腾的局部参数计算问题，但还没有见到针对各参数计算方法研究的完整和详尽论述。

　　为使非共沸混合物流动沸腾传热测量和计算更加精准易用，本文使用相平衡和热焓计算相结合的方法，研究了包括混合物热物性参数，两相平衡状态参数和流动参数在内的各参数的计算获取，并给出了详细的计算步骤及相关计算式。

　　1 非共沸混合物流动沸腾传热特性

　　在非共沸混合物的沸腾过程中，低沸点组分更加容易蒸发，所以在加热的管道中，沿着流动的方向，二元混合物中的低沸点组分在液相中所占的摩尔比例逐渐降低，而其在汽相中所占的摩尔比例则相应增大。对于三元混合物，泡点温度排在中间的那种组分则有可能加剧沸腾，也可能减弱沸腾，取决于其纯工质在该压力下的沸点是低于还是高于三元混合物的泡点。非共沸混合物的这种特性会使其在加热管道中流动时，混合物的汽液相各热物性参数沿着流动方向持续变化，且不能单纯使用循环系统内非共沸混合物总的组分比计算获得。

　　此外，对非共沸混合物饱和流动沸腾传热影响更大的是其沸点温度的变化。液体混合物处于某压力下开始沸腾的温度，称为该压力下的泡点温度(Tbub);气体混合物处于某压力下开始凝结的温度，称为该压力下的露点温度(Tdew)。与纯工质不同，非共沸混合物的泡点温度低于它的露点温度。但是，非共沸混合物的传热系数与纯工质一样通过式(1)获得：

　　其中，T_w是加热流道内壁面温度;对于纯工质，T_bub是对应压力的饱和温度，而对于非共沸混合物，T_bub是对应压力下混合物液体的泡点温度。当汽相和液相中的摩尔组分比例沿着管道流动方向发生变化的时候，局部的泡点温度T_bub也会随之变化。随着沸腾的进行，低沸点组分在液相中所占比例逐渐降低，相应的T_bub则逐渐升高。此时，泡点温度不能单独通过压力计算获得。因此，在计算非共沸混合物流动传热系数之前，首先要获得它的泡点温度。直接在流道不同处进行取样测量存在难度，同时也可能会破坏管内流体的流动。本文以CSD状态方程和热能方程为计算基础，通过相平衡和热焓计算获取流道沿程各局部点的混合物两相流动的汽液相组分比和质量含气率，进而获得其泡点温度及其它相关参数。