小型混合工质J-T制冷机

［’’， ’*］ 平衡规律所做的大量工作 ，结果表明，氮—
图)
闭合循环节流制冷机流程图
氟里昂混合工质具有与氮—烃类混合工质类似的节 流特性和相平衡特性，是可以取代氮—烃类混合工
’ 8 压缩机；* 8 油分离器；3 8 纯化过滤器；! 8 节流制 冷器及杜瓦；% 8 自动回油阀；& 8 风扇及冷凝器。
质，最常用的为氮和氩。但是，采用单纯气体作工 质的节流制冷机效率较低，需要较高的运行压力， 而且通常只能用于开式系统中，应用场合受到一定 限制，采用多元混合物工质比采用单纯气体作工质 的 01 , 节流制冷机不仅在热效率上有大幅度的提 高，而且能大大提高制冷能力、降低运行压力、加
［2］ 快降温速度、保证蒸发温度基本恒定 。
［%］ 关系 。
( )
（%）
% 0 ! （’） ’ (〕 !! " %〔 # # ! $ & " ! 的数值可正、可负或为零，参见图 %。
( )
( )
( )
$
［’］
一次 节 流 制 冷 循 环 的 流 程 图 及 #"4 图 见 图 。 一次节流制冷循环在理想条件下的制冷系数 *& !% ’ !’ # " ’ + " #（ , ’ , ）’（ ! ’ ! ） % % ’ % ’ （/） 对于混合物节流制冷循环， 为使表达简便， 这里
注：">?7 5 ")" 3 //@A>
它的特性和结构对整个系统的特性有着决定性作 用，压缩机的型式通常采用膜式和活塞式两种。膜 式压缩机实际上不污染工作气体，从这一点看，在 封闭节流系统中使用最合适，但是膜式压缩机系统 的重量和外形尺寸都比较大，而且薄膜的工作寿命 有限。油润滑的全封闭压缩机的制造工艺已非常成 熟，其在普冷工况下运行也非常可靠，但无法直接 满足闭合节流循环制冷机的动力需求，因此必须对 压缩机进行改装，采取的主要措施有加强压缩机的 散热能力以及对压缩机油进行置换。 节流制冷器包括节流装置和换热器两个部件。
为：
图%
转变曲线和转变温度
需要 指 出 的 是，习 惯 上 常 把 # 1 称 作 转 变 温
%
［$］ 善度 $ （ #） ，
引入两个函数局域理想制冷系数$ （ # ）和热力学完
收稿日期：’&&&"&-"$&
图!
节流效应
! " 温 " 熵图； # " 焓 " 温图。
图#
一次节流循环流程图及 $"% 图
包括风扇动力 包括风扇动力 — —
表4
制造厂商 空气产品 海玛提克工程 休斯 型号 :;’" <;’! &(=’))" 工作温度 范围 * + $!/)) !)%) !1
开式循环节流制冷器性能
典型制冷性能 + !) !) !1 # 13) ") 0) 发展状况 生产 生产 生产 工 氮 空气，氮或氧 氩 质 最低工作压力 （标准大气压） !) — ""$ 无负荷冷却 时间 * 789 2 )32 )34
"! 3 $
!
（$）
’
理论分析
由工程热力学可知，微分节流效应定义为： !# !! " !$ ! 由热力学一般关系式，可以得到：
进行 节 流 制 冷 循 环 分 析 时， 等 温 节 流 效 应 #) # 是一个很有用的概念，参见图 ’。 等温节温效应数值上等于定温压缩前后气体的 焓差，等温节流效应和积分节流效应可以用下式关 联： ( !) " # ! ’ ( " ’ !! % & （.） !# " !$ # !# $ 或 （*） #) # " ’ % &## ! 值得指出的是，无论等焓节流效应还是等温节 流效应，它们数值的大小都与使用的工质有很大的
& （ ’ ( ， $ ， ) %， ) &） （ $） $" $ ! *$
’
（(） （-）
单一工质一次节流制冷循环的火用效率是很低 的，例如，以氮为工质， ) 3 $ #’ 456， ) ’ $ ’ " 3 456 时， # $ !3 " 27 ，说明节流制冷循环的制冷系 数远小于同温限下卡诺循环的制冷系数，因减少换 热器传
图 ..
利用气体混合冷效应的节流热交换系统原理图
.，8 9 热交换器；: 9 混合器；; 9 节流阀；/ 9 蒸发器。
图% 0 3 &’ ( 制冷器。 开式循环实验系统图
节流装置的作用是降压获取低温，完成循环中的节 流过程。节流元件常是微孔、多孔粉末冶金片、毛 细管以及在工作过程中可全部或部分自动改变孔径
［1］ 的小孔等，图 ") 为四种节流装置的结构示意图 。
" 3 储气瓶；4 3 机械物过滤器；/ 3 真空杜瓦；
冻而堵塞，以及毛细管被机械灰尘堵塞，必须安装 纯化过滤器，一般用孔隙度小于 /"= 的金属粉末 冶金过滤器滤掉机械灰尘，气体纯化吸附剂主要利 用分子筛和硅胶。 对混合工质节流制冷机来说，还有一些基础问 题有待研究，如运行可靠的小型甚至微型压缩机的 研制、多孔介质内混合物多相流动及传热规律研 究、混合物热物理性质预测等。 参考文献：
［.］陈国邦，等 > 最新低温制冷技术［ ? ］ > 北京：机械工 业出版社，.@@; > ［:］陈光明，等 > 制冷与低温原理［ ? ］ > 北京：机械工业 出版社 > ［8］公茂琼，罗二仓，周 程，.@@@， （;） ：.86.- > ［;］张国刚 > 微型制冷器［ ?］ > 北京：国防工业出版社 > ［/］许名尧，何雅玲，吴沛宜 > 二元氮6氟里昂低温混合工 质的最佳配比分析［ 5］ > 低温工程， .@@/，（ /） ： /;6 /- > ［<］杨家艾，常兆祯，等 > 工作在液氮温区的闭合循环节 流制冷机［ 5］ 9 低温工程，.@@@， （;） ：@6.: > ［0］边绍雄 > 小型低温制冷机［ ? ］ 9 北京：机械工业出版 社> ［-］高 原 > 国外小型低温换热器的发展状况［ 5］ 9 低温 （:） ：;/6/: > 工程，.@@;， ［@］中 科 院 上 海 技 术 物 理 研 究 所 > 微 型 制 冷 机 技 术 专 辑 ［ ?］ 9 上海：上海科学技术文献出版社 > ［.1］公茂琼，周 远，周赞熙，等 > 混合物和纯氮工质在 一种 56 7 节流制冷机上热力性能的对比实验［ 5］ 9 低 （:） ：/6@ > 温工程，.@@0， 远 > 液氮温区 56 7 节流制冷机 多元低温混合物工质热力循环优化设计［ 5］ 9 低温工
%
引
言
度，一般气体的 # 1 远高于室温，约为临界温度的 . + -*/ + ’ 倍，所 以 在 室 温 下 节 流 时 都 呈 现 降 温 效 果。只有临界温度很低的氖、氢和氦，它们的转变 温度分别为 ’$& 2、’&. 2 和 ./ 2，所以欲获得节 流冷效应就必须先进行预冷。 绝热节流的另一个重要特性是积分节流效应， 它表示流体由状态 % 绝热节流到状态 ’ 所引起的温 度变化的总量 ## ! ，即：
图 ! 是采用混合工质的闭合循环节流制冷机， 它能 为 红 外 线 器 件 在 液 氮 温 区 提 供 约 "# 的 冷 ［$］ 量 。图 % 是开式循环实验系统图，它分别由高压 气瓶、连接管道、金属过滤器及 &’ ( 制冷器组成。 表"
制造厂商 哥瑞特 . 埃索西 空气产品 圣巴巴拉研究中心 注：" ,- 5 02/ 3 2%%6 型号、说明 或计划 "//0!! !))$2$ &’!)’"))) — 工作温度 范围 * + 11 11 11 约 1%
封闭节流系统中节流动力主要由压缩机提供，
图 ")
节流装置的结构示意图
>3 节流微孔； -3 多孔片节流；B3 毛细管节流； C3 可调式节流孔。
节流制冷器中的低温换热器，最为广泛地采用 翅片管绕管式换热器，为使热交换器小型化，采用 螺旋翅片毛细管，螺旋式缠绕在小芯轴上，近来， !"# $%&"’() 等人研制出填料管式换热器，这种换 热器比翅片管绕管式换热器更容易制造和更紧凑， *"+," 等人研制了由粉末冶金烧结换热器组成的节 ［ -， ./， .0］ 流制冷器。 利用气体混合冷效应的节流热交换系统能显著 增大节流单位制冷量，减少启动时间和增加制冷器 的工作 时 间，其 中 单 位 制 冷 量 ! 1 2 !" # 3 !" # 4 ， 4 !" # 是等温混合效应，利用气体混合冷效应的节 流热交换系统原理图见图 ..。目前俄罗斯在冷却 探测器的 56 7 制冷机中很多就利用了气体的混合效 应。
$’ $%
利用实际气体的焦耳"汤姆逊效应的节流制冷 技术是低温制冷技术中发展最早、应用最早的一种 成熟的制冷技术之一，由于节流制冷技术具有易于 微型化、结构简单、启动时间短、低温端无运动部 件、运行可靠等优点，因而被用作低温电子技术、 红外技术、冷冻外科、低温生物学和超导技术中的 冷源
［.］
。
"# ! " # ’ ’ # % "
［ &， ’!］ 这方面的研究 。
对于混合物制冷工质而言，所存在的基础研究 问题主要包括以下几点：混合物制冷工质热物理性 预测，包括平衡物性和传输物性的准确预测；混合 物制冷工质相变规律，即气—液—固三相 平 衡 预 测；混合物制冷工质的节流特性；混合物制冷工质 最佳配比设计等。