混合工质J-T节流制冷机中换热器特性的试验研究
J-T节流制冷机具有结构紧凑、容易制造、调节方便、低成本、可靠性高等独特优点，作为70~150K的冷源已被广泛使用。近年来，混合工质J-T节流制冷机的研究不断深入，已经成为低温制冷技术的一个热点这主要因为：使用混合工质制冷可以增大制冷能力，降低入口压力，减少降温时间，改善热交换器中的温度分布，进一步提高制冷系统的效率；并且可以通过改变组分配比影响换热器的温度分布曲线纯工质节流制冷系统在这一点上是无法相比的在设计混合工质J-T节流制冷机时，混合工质组分配比的选择对制冷机的工作性能有重要影响，一个重要原因是混合工质组分配比对热交换器的换热性能影响比较大从工程热力学角度来讲，小温差传热非常有利于换热器效能的提高；而从换热器角度看，在小温差下传热需要更大的传热面积并造成更大的压降损失，将导致制冷机效能下降。由于多组分混合工质J-T节流制冷机在换热器中常常会出现相变传热（部分组分蒸发或冷凝现象发生），而混合工质的冷凝和蒸发放热系数，和多组分两相流通过狭窄通道的压力降低损失，至今还没有可靠供，所以混合工质J-T节流制冷机设计过程中换热器的优化工作变得更为复杂本文介绍了我们建立的混合工质J-T节流制冷机实验台，通过对部分实验结果的分析，认识多组分混合工质J-T节流制冷机中换热器的工作特性，为优化设计提供必要依据。
2实验装置给出了实验装置与测量布点示意图，换热器、节流机构、蒸发器、测量传感部分等置于真空腔体内，实验时保持真空度在10-9Pa以上本实验台使用的压缩机是由一台3匹谷实验安置与测量布点示意图由于从压缩机出来的高压气体是混合工质与润滑油的混合物，并且混合工质与润滑油中可能含有少量水份，润滑油和水份的存在对热交换器和节流制冷的工作是极为不利的，所以我们在压缩机冷却器后设置了油气分离器和干燥器，尽可能地减小润滑油或水份对换热、节流的影响热交换器由四段列管式换热器串联组成，总的换热管长约6m每段外管为不锈钢管，列管为10根薄壁不锈钢均匀分布组成，管长均为1.5m热交换器内管走低压流体，壳管走高压流体为了研究热交换器的温度和压力分布，分别在壳管和列管的0m（高压流体进口），5m，6m（低压流体进口）位置上各布置了13对铜-康铜热电偶和NS-I1型压力变送器，温度信号、压力信号、制冷量功率信号分别经过Fluke数据采集仪进行采集，并输入电脑自动储存处理节流机构由两根长度1m的超细毛细管并联组成。为了方便测量制冷机的冷量，蒸发器缠绕电组丝用来与功率计相连，测量冷量3实验结构及分析我们取三种混合工质，表I具体给出了相应的摩尔成分组成。混合物A包含较少的高沸点成分（异丁烷与丙烷），混合物B包含较多的高沸点成分（异丁烷与丙烷），混合物C包含较多的高沸点成分（异丁烷与丙烷）和低沸点成分（氮气与甲烷）表1三种混合工质的沸点及组成成分沸点（K）摩尔成分（％）混合物A混合物B混合物C氮气甲烷乙烷丙烷异丁烷给出了换热器长度方向的温度分布曲线，换热器的温度分布依赖于热力学过程的小温差换热段，比如混合物A包含较少的高沸点成分（丁烷与丙浣），小温差换热段位于换热器热端，温度曲线平的部分也在靠近换热器热端由于混合物C包含较多的低沸点成分（氮气与甲烷），小温差换热段位于换热器冷端，温度曲线平的部分也在靠近换热器冷端。混合物B包含较多的高沸点成分（丁烷与丙烷）和低沸点成分（氮气与甲烷），小温差换热段位于换热器中部，温度曲线平的部分也在靠近换热器中部从图上可以看出，随着流量增大，小温差换热段增大，这主要是增大流量对换热改善而形成的。从热力学观点，热交换器尽可能在小温差下进行，这样引起的不可逆损失较小，所以尽量在小温差下传热；另一方面，在一定换热量条件下小温差传热需要比较大的换热面积，换热器的面积利用率就比较低，比如在0 5~6mm部分（混合物C）的面积利用率就比较低。所以要通过实验确定合适的混合工质组分配比，使得换热尽可能多的在小温差区域进行，同时又保证合适的换热面积利用率。我们可以理解混合工质组分配比对混合物换热器性能行为是非常重要的，并且根据小温差换热段位置进行对混合物进行分类图给出5了换热长魅的压力分布曲线，象温度分布曲线一样喊分布曲线仍然依赖于小温差换热段位置，混合物A（小温差换热段位置在换热器热端）的压力损失比混合物C（小温差位置在换热器冷端）的大我们知道，大密度流体（液相出现较早的如混合工质A）的换热器，压力损失与传热率的比比低密度流体（液相出现较晚的如混合工质C）的情况小进一步由和可以得知，压力损失与传热率的比，低温下（75-100K）比高温下（240-300K）要小，比如混合物A大约25%的换热面积（小温差换热段）在热端，因上这一部分对应的压力降相对较大，基本上所有的压力合出了混合物A和混合物B在长度方向的冷量和制冷温度曲线分布情况，对图中曲线进行分析可以得出如下结论：（1）对两种混合物换热器最小长度约为2m，如果达不到这一长度，制冷温度就达不到85K对于3米长换热器，混合物A的性能能够达到为10W时86K，而混合物B的性能为（2）如果换热器长度大于5米，混合物A在90-92K可以产生最大冷量14-15W；（3）如果换热器长度大于5米，混合物B可以获得最大冷量约19W，最低制冷温度4）制冷温度随换热器长度增大而增大，但是混合物A要比混合物B增大的快；（5）使用混合物B更好，因为可以获得大的冷量、更低的制冷温度。
4结论通过对在混合工质J-T节流制冷机实验台上进行混合工质组分组成对J-T节流制冷机中换热器的工作特性影响的研究，指出在混合工质J-T节流制冷机设计过程中，混合工质组分配比对整机及换热器换热和流动有重要影响，选择组分配比时要统筹考虑混合工质小温差换热段的出现位置及其长度的综合影响本文为进一步研究多组分混合工质J-T节流制冷机中换热器的工作特性和优化设计提供必要依据
