采用混合工质的回热器性能研究

　　1　前　　言

　　随着低温制冷机应用研究的不断深入,如何提高回热式制冷机在液氮(80 K)温区的制冷量已成为一个迫切需要解决的问题。气体混合物已经被成功地用于提高J T制冷机在80 K温区的制冷性能^[1,2] 。我们想知道这是否也适用于其它形式的回热式制冷机,如G M,Solvay和脉管制冷机。回热器的性能如热损失和压降损失直接关系到制冷机的性能。Daney^[3] 对使用惰性气体混合物(He Ar和He Kr)与使用氦气的回热器性能进行了比较,得出结论为:混合工质对一些换热表面来说,传热有适度加强,但压降却大大增大。我们以Daney提出的有关传热和压降损失的计算关联式,对以氦和氮为主的混合物(包括He Ne,He Ar,He H ₂ ,N ₂ Ne,N₂ H₂ ,N ₂ Ar,N ₂ He)的性能进行了计算,得出了一些不同的结论,这些结论有助于进一步研究回热式制冷机在80 K温区的制冷效能。

　　2　计算依据

　　2.1　混合物性质

　　Daney采用的是近似估算法,根据混合规则,由纯组分的数据计算出混合工质的性质,如他采用下面公式估算混合物的传输性质(粘度和热导率):

　　式中x ₁,x ₂ 为混合物中轻组分和重组分的摩尔分数;y ₁,y₂ 为混合物中轻组分和重组分的传输性质;A,B为与组分有关的常数。

　　我们采用美国Cryodata公司的PROMIX混合物热物性计算软件来计算混合物的热力学参数及其传输性质^[4] 。该计算软件采用Peng Robinson状态方程式和扩展对应态模型预测混合物的气液平衡,并采用混合规则计算混合物的热物性和传输性质,其计算结果比Daney的估算更加可靠。

　　2.2　传热性能分析

　　传热对回热式制冷机的影响可通过回热器的热损Qreg表示,Daney提出^[3] ,对在80 K或较高温度下工作的低温制冷机的回热器,可用下式给出热损和St数的关系:

　　St数与Re数的关系依赖于流道的形状,我们考虑四种典型的结构来计算:①丝网填料;②随机堆叠的球状填料;③处于层流的缝隙流道;④处于紊流流动的圆形管。对以上结构分别运用Kay London传热关联式,得出以下相对热损计算关联式。

　　其中C ₁是与回热器的结构形式有关的系数,对丝网填料回热器,C₁ 取0.43;对球状填料回热器,C1取0.3;对层流的缝隙流道C1取0.99;对紊流流动的圆形管,则C1取0.20。

　　2.3　流动性能(压降)分析

　　等式右边第一个数组由回热器的几何形状确定,第二个数组取决于工作条件(机器的转速和工作压力)。对于几何形状,转速和压力都相同的回热器,得到各种结构回热器的相对压降损失的计算通式如下: