1、非共沸混合工質(zhì)在制冷循環(huán)中濃度偏移分析許雄文劉金平曹樂秦巖邱國(guó)雄鄧雪（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州510640）摘要：非共沸混合工質(zhì)在Joule-Thomson制冷循環(huán)中應(yīng)用越來越廣泛，其工質(zhì)的濃度偏移對(duì)制冷機(jī)的性能影響顯著。為此 建立了非共沸混合工質(zhì)兩相區(qū)流動(dòng)換熱工質(zhì)濃度偏移數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出兩相流動(dòng)中氣液相流速不同是發(fā)生濃度偏移的必要 條件，得到了混合工質(zhì)兩相區(qū)當(dāng)?shù)貪舛绕埔?guī)律并根據(jù)流動(dòng)工質(zhì)濃度計(jì)算出兩相區(qū)的當(dāng)?shù)貪舛龋ㄟ^J-T制冷機(jī)蒸發(fā)器的 工質(zhì)濃度偏移實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好吻合。數(shù)學(xué)推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，J-T制冷循環(huán)中低沸點(diǎn)工質(zhì)當(dāng)?shù)?濃度低于循環(huán)流動(dòng)濃度，而高沸點(diǎn)工質(zhì)當(dāng)

2、地濃度將高于循環(huán)流動(dòng)濃度。進(jìn)一步分析表明混合工質(zhì)J-T制冷循環(huán)中低沸點(diǎn)工 質(zhì)循環(huán)濃度高于其充注濃度，而高沸點(diǎn)工質(zhì)循環(huán)濃度低于其充注濃度。關(guān)鍵詞：非共沸混合工質(zhì)；氣液兩相流；濃度偏移；制冷循環(huán)中圖分類號(hào)：TK123Zeotropic Mixed-refrigerant Composition Shift Analysis inRefrigeration CycleXu Xiongwen, Liu Jinping, Cao Le, Qin Yan, Qiu Guoxiong, Deng Xue(School of Electric Power, South China University of

3、Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, ChinaAbstract: Zeotropic mixed-refrigerant is widely used in Joule-Thomson refrigeration cycle, and refrigerator performance is greatly affected by the composition shift of mixed-refrigerant. A mathematical model of mixed-refrigerant composition shift in gas-

4、liquid two-phase flow was proposed. The deduction result shows that the different velocity of gas and liquid in two-phase flow is the necessary condition of composition shift, and the composition shift rules and local composition were obtained, which were verified in a mixed-refrigerant shift experi

5、ment in evaporator of Joule-Thomson refrigerator. The results showed that local low boiling point component fraction is less than cycle fraction in Joule-Thomson refrigeration cycle, while local high boiling point component fraction is greater than cycle fraction. Further analysis showed that cycle

6、fraction of low boiling point component is greater than charged fraction, while cycle fraction of boiling point component is less than charged fraction.Key words: Zeotropic mixture; gas-liquid two-phase flow; composition shift; refrigeration cycle聯(lián)系人：劉金平。聯(lián)系人：劉金平。第一作者：許雄文（1982一），男，博士 研究生?；痦?xiàng)目：“十一五”國(guó)家

7、科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目 （2006BAJ03A06 ）;Corresponding author: Prof. Liu Jinping, HYPERLINK mailto:mpjpliu mpjpliuFoundation item: supported by National Major Project ofScientific and Technical Supporting Programs of China During the11t h Five2year Plan Period (2006BAJ03A06)引言隨著制冷技術(shù)的發(fā)展，人們開始利用非共沸混 合工質(zhì)相變時(shí)的溫度滑移，實(shí)現(xiàn)較大

8、溫度變化的冷 熱源下的制冷循環(huán)盡可能逼近洛倫茲循環(huán)，從而提 高此類循環(huán)的效率。非共沸混合工質(zhì)作為制冷劑越 來越多地被人提及。人們對(duì)非共沸混合工質(zhì)的認(rèn)識(shí)多限于其混合 的各組分沸點(diǎn)差而造成相變時(shí)的溫度滑移。即同一 壓力下混合工質(zhì)由液體蒸發(fā)成氣體時(shí)，其溫度不斷 升高，由氣體冷凝成液體時(shí)，其溫度不斷降低。這 種相變溫度滑移是非共沸混合工質(zhì)區(qū)別于純工質(zhì) 的一個(gè)主要特點(diǎn)。近年來，隨著非共沸工質(zhì)研究的不斷深入，公 茂瓊等人發(fā)現(xiàn)了混合工質(zhì)在Joule-Thomson制冷循環(huán) 中的濃度變化，并進(jìn)行了不同運(yùn)行工況下不同測(cè)點(diǎn) （包括單相區(qū)和兩相區(qū)）濃度變化的實(shí)驗(yàn)研究1;2007年，公茂瓊等人又設(shè)計(jì)了由無油壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)

9、的 Joule-Thomson制冷循環(huán)中混合工質(zhì)濃度變化實(shí)驗(yàn)的 實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究2, 3。但由于采樣過程中只 能采出氣體工質(zhì)，兩相工質(zhì)的濃度很難從運(yùn)行的機(jī) 組中直接采樣得到，因此，公茂瓊等人在實(shí)驗(yàn)中對(duì) 制冷循環(huán)兩相區(qū)濃度的測(cè)定并沒有直接采樣測(cè)得， 而是在機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后停機(jī)，待機(jī)器平衡至室溫 后，再?gòu)母鞑蓸狱c(diǎn)采集氣體測(cè)試從而得到其濃度。 筆者認(rèn)為，公茂瓊等人的實(shí)驗(yàn)有很大的突破性，在 一定程度上對(duì)工質(zhì)在各測(cè)點(diǎn)的濃度變化規(guī)律進(jìn)行 了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但是在停機(jī)后混合工質(zhì)液相將在重力 作用下向低處流動(dòng)，而且氣體也將由高壓不斷向低 壓擴(kuò)散，這對(duì)兩相區(qū)工質(zhì)的濃度影響較大，因此其 濃度測(cè)試誤差也是比較大的。在理論

10、上，兩相區(qū)工質(zhì)氣液相流動(dòng)速度的不同 是造成兩相區(qū)流動(dòng)濃度與當(dāng)?shù)貪舛绕频闹饕?因4, 5。對(duì)于制冷系統(tǒng)中循環(huán)工質(zhì)濃度與充注濃 度的偏移，主要是由于工質(zhì)在潤(rùn)滑油中溶解度的不 同以及液相積存引起的4-9.在兩相區(qū)當(dāng)?shù)貪舛扔?jì)算中，目前大多數(shù)采用現(xiàn) 有的兩相流中的空泡系數(shù)模型進(jìn)行計(jì)算。如陳九法 曾采用G. A. Hughmark模型10進(jìn)行混合工質(zhì)兩相 流的空泡率計(jì)算，從而計(jì)算出兩相區(qū)的相積存 6-8?；旌瞎べ|(zhì)濃度的偏移理論對(duì)于指導(dǎo)混合工質(zhì) 制冷機(jī)組工質(zhì)的充注、改進(jìn)Joule-Thomson制冷循 環(huán)仿真和兩相流動(dòng)換熱模型都有重要意義。本文將 嘗試直接利用混合工質(zhì)的流動(dòng)方程導(dǎo)出混合工質(zhì) 在兩相區(qū)的流

11、動(dòng)與當(dāng)?shù)貪舛绕?，并根?jù)流動(dòng)工質(zhì) 濃度進(jìn)行兩相區(qū)當(dāng)?shù)貪舛扔?jì)算，最后建立一個(gè)實(shí)驗(yàn) 裝置進(jìn)行驗(yàn)證分析。1混合工質(zhì)兩相流動(dòng)換熱濃度偏移的 數(shù)學(xué)模型及其推導(dǎo)計(jì)算為簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，首先進(jìn)行如下假設(shè)：流動(dòng)在等截面積圓管內(nèi)進(jìn)行，氣液兩相流動(dòng)為 無旋流動(dòng)；在整個(gè)流動(dòng)過程中，氣液相都處于熱力學(xué)平衡 狀態(tài)，不存在亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)；在流動(dòng)橫截面上，不存在壓力梯度，氣相流速 和液相流速都分別是一致的，不存在氣相流速 梯度和液相流速梯度。由于同時(shí)伴有熱量和兩相之間質(zhì)量的傳遞，因 此，JT制冷循環(huán)中混合工質(zhì)氣液兩相流動(dòng)是個(gè) 非常復(fù)雜的問題。若視其為流動(dòng)過程，它應(yīng)遵守質(zhì) 量守恒定律，對(duì)于n組分混合工質(zhì)兩相換熱穩(wěn)態(tài)流 動(dòng)：ap v

12、x+ （1 a） p v x= g x ,g g m, g, jl l m,l, jm f ,m, jj=1, 2,n （1）ap v + （1a）p v = g （2）ggll m在方程（1）中，Xfmj（j=1, 2,n）表示第j 種組分的流動(dòng)質(zhì)量濃度，1即單位時(shí)間內(nèi)流過任一橫 截面積的工質(zhì)的質(zhì)量濃度。同時(shí)由歐拉法定義當(dāng)?shù)?第j種工質(zhì)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（xmj），表示當(dāng)?shù)亟孛嫔?的靜止的工質(zhì)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。Xmj可由下式表示：xapx_a P（3）mj ap a pgi將式（1）和（2）代入（3）整理可得：1（4）由（4）式可得，當(dāng)v = v,時(shí)x . = xf ., 此時(shí)兩相流動(dòng)中不存在濃度偏移

13、。而在實(shí)際兩相流 動(dòng)中，當(dāng)液體蒸發(fā)成氣體時(shí)，體積增大，氣體流速 大于液體流速，反之當(dāng)氣體凝結(jié)成液體時(shí)，體積減 小，使得液體流速較原來的氣體流速降低。因此， 實(shí)際兩相流動(dòng)中，氣相的流速往往都比液相的流速 大很多，即vgv,，根據(jù)（4）式可得，當(dāng)?shù)毓べ|(zhì)濃 度（xmj）與流動(dòng)工質(zhì)濃度 f ）的關(guān)系取決于當(dāng) 地工質(zhì)液相濃度（xmlj）與當(dāng)?shù)毓べ|(zhì)氣相的工質(zhì)濃 度（xyj）的關(guān)系，如I表1所示。表1當(dāng)?shù)貪舛扰c流動(dòng)濃度的相互關(guān)系Table1 Interactive relations between local composition andflow composition序號(hào)相互關(guān)系1x=xx=xx=xx

14、=xm,g,jm,l,jm,g,jm,jm,l,jm,jm,jf,m,j2x x ,xxxxx xm,g,jm,l,jm,g,jm,jm,l,jm,jm,jf,m,j3 xxx x-mgjm,l,jxmgjm,jm,l,jm,jm,jm由表1可知，當(dāng)當(dāng)?shù)貧庖合喙べ|(zhì)濃度相等時(shí)，兩相流動(dòng)中也不存在濃度偏移，而當(dāng)當(dāng)?shù)貧庀喙べ|(zhì)濃度大于當(dāng)?shù)匾合喙べ|(zhì)濃度時(shí)，當(dāng)?shù)毓べ|(zhì)總濃度小 于循環(huán)流動(dòng)工質(zhì)濃度，反之亦相反。相比于液相工 質(zhì)組分濃度，氣相中低沸點(diǎn)工質(zhì)組分所占比例較 高，因此，低沸點(diǎn)工質(zhì)當(dāng)?shù)貪舛鹊陀诹鲃?dòng)濃度，而 高沸點(diǎn)工質(zhì)濃度將高于流動(dòng)濃度。單相流動(dòng)中由于不存在工質(zhì)的相流動(dòng)速度 差，因此，也就不存在濃度偏移，

15、即單相流動(dòng)中的 當(dāng)?shù)毓べ|(zhì)濃度等于循環(huán)流動(dòng)濃度。為了進(jìn)行兩相區(qū)當(dāng)?shù)貪舛鹊挠?jì)算，必須引入 動(dòng)量方程和能量方程。其中氣相區(qū)的穩(wěn)定流動(dòng)動(dòng)量微分方程如下： d（ap嚴(yán)p丁d%） =_a住一）dzdzigwg（5）整個(gè)兩相穩(wěn)定流動(dòng)的動(dòng)量微分方程：（6）其中，r lg為流動(dòng)中氣液相之間的摩擦力，r wg為 氣相與管壁的摩擦力，r w為管壁對(duì)兩相流體流動(dòng) 的總摩擦力,N m-1 （5）整個(gè)兩相穩(wěn)定流動(dòng)的動(dòng)量微分方程：（6）忽略氣液相的動(dòng)能項(xiàng)，兩相穩(wěn)定流動(dòng)的能量微 分方程如下式：8以p Av h +（1 以）p Av h i小=q（7）dz其中，hg, 分別為氣液相的比焓值，kJ/kg； q（7）dz求解管內(nèi)各

16、點(diǎn)的當(dāng)?shù)貪舛龋偟淖兞繑?shù)如下: 狀態(tài)參數(shù)：2個(gè)；氣液相流速和空泡率：3個(gè)；各工質(zhì)組分濃度：n-1（n種組分）?？偟淖兞繑?shù)為：n+4個(gè)。總的方程數(shù)如下：式（3）含有n個(gè)方程，加上方程（5），（6）和（7）， 共有n+3個(gè)方程。另外還有一個(gè)摩爾數(shù)守恒方程如 下：2實(shí)驗(yàn)裝置及其實(shí)驗(yàn)方法2.1實(shí)驗(yàn)裝置為驗(yàn)證以上兩相流動(dòng)濃度偏移模型的正確性， 本文建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其流程示意圖如圖1所 小。實(shí)驗(yàn)裝置由一個(gè)Joule-Thomson制冷機(jī)組成，其 冷凝器和蒸發(fā)器由一個(gè)三排波紋翅片管換熱器改 裝而成，換熱器每排管上有12根內(nèi)徑為9.5 mm。 第一排每條管兩端均加上電磁閥，并在每條管上安 裝一個(gè)采樣閥。切開

17、第一排管和后面兩排管的連 接，使得第一排管獨(dú)立成為制冷機(jī)的蒸發(fā)器，而其 他兩排成為冷凝器，如圖2所示。改裝后，蒸發(fā)器 每根管長(zhǎng)約為650 mm。采樣閥手動(dòng)節(jié)流閥圖1實(shí)驗(yàn)裝置流程圖采樣閥手動(dòng)節(jié)流閥Fig. 1 Flow diagram of experimental setup其他實(shí)驗(yàn)部件的型號(hào)如表2。表2其他部件Table2 Other components部件名稱型號(hào)規(guī)格壓縮機(jī)ZBG142BY-H, 280 W節(jié)流閥6.35 mm 接口采樣閥同上膜式電磁閥9.5 mm接口，常閉干燥器-ap vgg +Mg（1a） p vM l llgmMf（8）因此總的方程數(shù)為n+4,方程數(shù)與變量數(shù)相等，方

18、 程組封閉可解。史熾二 出;“辮卜 我:二i第Bmoa-zjmmmtmKm取樣閥電磁閥電做漏史熾二 出;“辮卜 我:二i第Bmoa-zjmmmtmKm取樣閥電磁閥電做漏取樣閥圖2改裝的換熱器Fig. 2 Custom heat exchanger500 ml2 L5 L500 ml2 L5 L圖3采樣氣袋序號(hào)混合組分充注量（竺）質(zhì)量分?jǐn)?shù)蒸發(fā)壓力（bar）丙烷1700.54812.5丁烷1400.452丙烷1330.5042丁烷1310.4963.0Fig. 3 Gas sampling bags以每條換熱管為單元，管內(nèi)的工質(zhì)濃度代表實(shí)驗(yàn)測(cè)得蒸發(fā)器各管內(nèi)的當(dāng)?shù)貪舛戎螅鶕?jù) 所測(cè)得的流動(dòng)濃度（蒸

19、發(fā)器內(nèi)接近壓縮機(jī)進(jìn)口已全2.2實(shí)驗(yàn)方法運(yùn)行壓縮機(jī)，同時(shí)通電打開所有膜式電磁閥， 按一定比例充注非共沸混合工質(zhì)，調(diào)節(jié)手動(dòng)節(jié)流 閥，并對(duì)每條管溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，待系統(tǒng)穩(wěn)定后， 同時(shí)關(guān)閉所有膜式電磁閥，將所有的蒸發(fā)工質(zhì)封閉 在每條管子內(nèi)，并關(guān)閉壓縮機(jī)和換熱器風(fēng)機(jī)。由于 在一定的壓差作用下，膜式電磁閥具有逆向可通的 特點(diǎn)，因此，順著蒸發(fā)器工質(zhì)流動(dòng)方向的最后一條 管內(nèi)的膜式電磁閥逆向安裝，當(dāng)關(guān)閉壓縮機(jī)后，蒸 發(fā)器外的壓力升高，保證其無法與蒸發(fā)器內(nèi)的工質(zhì) 進(jìn)行質(zhì)量傳遞。用足夠大（最大5 L）的氣體采樣袋從采樣口進(jìn)行采樣，如圖3所示。打開采樣閥，在常溫常壓 下，封閉在兩電磁閥之間的該管內(nèi)所有液相工質(zhì)都 將氣

20、化，進(jìn)入采樣袋，此時(shí)采樣袋內(nèi)的工質(zhì)濃度就 是該管內(nèi)的當(dāng)?shù)毓べ|(zhì)總濃度。采樣過程中，由于工 質(zhì)吸熱蒸發(fā)進(jìn)入采樣袋，因此管子的溫度不斷降 低，采樣時(shí)應(yīng)等管子溫度回升至常溫后關(guān)閉采樣 閥，取下采樣袋，保證工質(zhì)全部氣化進(jìn)入采樣袋。 個(gè)平均當(dāng)?shù)貪舛?。采樣過程應(yīng)順著運(yùn)行工質(zhì)流動(dòng)方 向上蒸發(fā)器內(nèi)最后一根管開始采樣，保證上游管內(nèi) 工質(zhì)無法通過電磁閥進(jìn)入下游采樣管。最后，采用 GC-1690氣相色譜儀對(duì)采樣袋內(nèi)的工質(zhì)進(jìn)行氣體 濃度分析。實(shí)驗(yàn)中主要采用的測(cè)試儀器的不確定度如表 3所示。表3主要測(cè)量?jī)x器參數(shù)Table3 Main measuring apparatus parameters序號(hào)儀器名稱不確定度實(shí)驗(yàn)用途

21、GC-1690 熱導(dǎo)測(cè)試當(dāng)?shù)亟M分1型氣相色譜儀1%濃度2TC20電子秤1 g控制充注量3實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果及分析本文采用丙烷和丁烷作為非共沸混合工質(zhì)進(jìn)行2次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中工質(zhì)的充注數(shù)據(jù)如表4所示。表4工質(zhì)充注數(shù)據(jù)Table3 Mixed-refrigerant charge data 部氣化的管內(nèi)的工質(zhì)組分濃度)，解方程組式(2), (5), (6), (7), (8)，再按照式(3)計(jì)算當(dāng)?shù)?組分濃度；計(jì)算過程采用向后差分法，蒸發(fā)器第一 條管的組分濃度作為邊界條件，各兩相區(qū)管段假定 等熱流密度，并忽略所有粘性阻力作用。實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果如圖4, 5所示。圖4第一次蒸發(fā)器內(nèi)當(dāng)?shù)貪舛葘?shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果Fig.

22、 3 The result of 1st experiment and calculation result oflocal composition variation in evaporation圖5第二次實(shí)驗(yàn)蒸發(fā)器各管子內(nèi)當(dāng)?shù)貪舛葓DFig. 4 The result of 2nd experiment and calculation result oflocal composition variation in evaporation從圖4,圖5可以看出，蒸發(fā)器管內(nèi)的丙烷的 當(dāng)?shù)貪舛认壬吆蠼档?，丁烷的濃度變化則相反， 并在靠近出口的管子處達(dá)到穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算 結(jié)果較好吻合，證明了實(shí)驗(yàn)

23、過程和計(jì)算模型的可靠 性。丙烷在氣相的濃度比液相濃度高，因此兩相流 動(dòng)中當(dāng)?shù)貪舛认蛳缕啤５谝淮螌?shí)驗(yàn)中，蒸發(fā)器都 在第8根管之后，工質(zhì)基本上全部蒸發(fā)成氣體，第 二次實(shí)驗(yàn)中，蒸發(fā)器在第10根管之后工質(zhì)全部蒸 發(fā)為氣體。工質(zhì)全部蒸發(fā)后，不再有濃度偏移出現(xiàn)， 工質(zhì)濃度基本不再發(fā)生變化，此時(shí)當(dāng)?shù)貪舛染褪窍?統(tǒng)的循環(huán)流動(dòng)濃度。從圖上可知，蒸發(fā)器內(nèi)兩相流 動(dòng)換熱的丙烷當(dāng)?shù)貪舛瓤偸堑陀谄淞鲃?dòng)濃度，在蒸 發(fā)器進(jìn)口處，工質(zhì)即處于兩相狀態(tài)，其當(dāng)?shù)貪舛纫?低于流動(dòng)濃度；丁烷濃度變化則相反。在第一次實(shí)驗(yàn)中，丙烷工質(zhì)充注的質(zhì)量濃度為 54.8%，而從圖3可知運(yùn)行時(shí)的丙烷工質(zhì)的循環(huán)流 動(dòng)質(zhì)量濃度約為61%，循環(huán)系統(tǒng)中丙烷

24、工質(zhì)的流動(dòng) 濃度高于其充注濃度，而丁烷工質(zhì)的流動(dòng)濃度低于 其充注濃度；第二組實(shí)驗(yàn)的變化情況基本相當(dāng)，其 丙烷的充注質(zhì)量濃度和循環(huán)流動(dòng)質(zhì)量濃度分別為 50.4%和 55.4%。這是因?yàn)?，在冷凝器和蒸發(fā)器的 兩相區(qū)內(nèi)，丙烷當(dāng)?shù)貪舛鹊陀谘h(huán)流動(dòng)濃度也就是 單相區(qū)的濃度，但整個(gè)系統(tǒng)的兩相區(qū)和單相區(qū)工質(zhì) 總濃度，即充注濃度是恒定的。因此可以推斷，丙 烷工質(zhì)在兩相區(qū)的濃度應(yīng)低于總的充注濃度，而在 單相區(qū)的濃度應(yīng)高于充注濃度，丁烷工質(zhì)的情況剛 好相反。？當(dāng)制冷系統(tǒng)在確定了非共沸混合工質(zhì)的最佳 運(yùn)行比例之后，其低沸點(diǎn)工質(zhì)的充注濃度應(yīng)高于此 濃度，而高沸點(diǎn)工質(zhì)充注濃度應(yīng)低于此濃度，從而 保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)工質(zhì)的循環(huán)

25、流動(dòng)濃度即工質(zhì)在單 相區(qū)的濃度接近最佳運(yùn)行濃度。同理，對(duì)于給定的 非共沸混合工質(zhì)Joule-Thomson制冷循環(huán)仿真，不能 簡(jiǎn)單用工質(zhì)的充注濃度當(dāng)作循環(huán)濃度進(jìn)行計(jì)算。4裝置重復(fù)性實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重復(fù)性，對(duì)第二次實(shí)驗(yàn)過 程進(jìn)行了兩組相同的實(shí)驗(yàn)，將丙烷和丁烷的充注量 控制在130 g左右，實(shí)驗(yàn)過程中調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度， 控制蒸發(fā)壓力為3 bar。具體充注量如表5所示：表5重復(fù)性試驗(yàn)工質(zhì)充注數(shù)據(jù)Table4 Mixed-refrigerant charge in repeatability experiment序號(hào)混合組分充注量(g)質(zhì)量分?jǐn)?shù)蒸發(fā)壓力(bar)1丙烷丁烷1331310.5040

26、.49632丙烷丁烷1301310.4980.5023實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。從表6中數(shù)據(jù)可以看出， 實(shí)驗(yàn)裝置具有較好的可重復(fù)性。表6丙烷質(zhì)量濃度Table 5 Mass concentration of propane實(shí)驗(yàn)管子序號(hào)及丙烷質(zhì)量濃度序號(hào)12345610.5170.4700.4600.4180.4400.41120.5010.4580.4490.4250.4210.401實(shí)驗(yàn)管子序號(hào)及丙烷質(zhì)量濃度序號(hào)78910111210.4110.4100.4490.5540.5730.54520.4050.4240.4430.5570.5570.5695結(jié)論本文建立了非共沸混合工質(zhì)兩相區(qū)換熱流動(dòng)

27、工質(zhì)濃度偏移的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)并證明了濃度偏移 發(fā)生的必要條件：當(dāng)混合工質(zhì)的氣液相流速不同 時(shí)，其當(dāng)?shù)毓べ|(zhì)濃度就可能發(fā)生偏移。還得到了混 合工質(zhì)兩相區(qū)流動(dòng)換熱的濃度偏移規(guī)律的。通過兩 相流動(dòng)方程計(jì)算得到了蒸發(fā)器中兩相流動(dòng)的當(dāng)?shù)?工質(zhì)濃度值，并通過混合工質(zhì)Joule-Thomson制冷機(jī) 蒸發(fā)器的工質(zhì)濃度偏移實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)與計(jì) 算結(jié)果可以較好吻合，證明了計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)過的 可靠性。數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，非共沸混 合工質(zhì)在兩相區(qū)的當(dāng)?shù)貪舛绕凭哂幸韵乱?guī)律:當(dāng) 當(dāng)?shù)毓べ|(zhì)的氣液相濃度相等時(shí)，兩相流動(dòng)中不存在 濃度偏移；而當(dāng)當(dāng)?shù)貧庀喙べ|(zhì)濃度大于當(dāng)?shù)匾合喙?質(zhì)濃度時(shí)，當(dāng)?shù)毓べ|(zhì)的總濃度小于循環(huán)流

28、動(dòng)的工質(zhì) 濃度，反之亦相反。相比于液相工質(zhì)組分濃度，氣 相中低沸點(diǎn)工質(zhì)組分所占比例較高，因此，低沸點(diǎn) 工質(zhì)當(dāng)?shù)貪舛鹊陀谘h(huán)流動(dòng)濃度，而高沸點(diǎn)工質(zhì)的 當(dāng)?shù)貪舛葘⒏哂谘h(huán)流動(dòng)濃度。在Joule-Thomson制冷機(jī)中，冷凝器和蒸發(fā)器兩 相區(qū)低沸點(diǎn)工質(zhì)的比例低于整個(gè)系統(tǒng)總的充注濃 度，因此單相區(qū)低沸點(diǎn)工質(zhì)濃度將高于充注濃度， 而循環(huán)流動(dòng)工質(zhì)濃度與單相區(qū)工質(zhì)濃度相同，因此 制冷循環(huán)流動(dòng)工質(zhì)濃度高于工質(zhì)的充注濃度。所以 當(dāng)制冷機(jī)的混合工質(zhì)最佳運(yùn)行濃度確定以后，低沸 點(diǎn)工質(zhì)的充注濃度應(yīng)高于此最佳運(yùn)行濃度。符號(hào)說明a 空泡系數(shù)x當(dāng)?shù)亟M分濃度，由歐拉法描述xf流動(dòng)組分濃度，即在單位時(shí)間內(nèi)流過截面的工質(zhì)組分質(zhì)量

29、分?jǐn)?shù)，由拉 格朗日法描述P 當(dāng)?shù)孛芏?kg m-3v 流速,m s-igm 質(zhì)量流速，kg m-2 s-1T 粘性系數(shù)，N m-1A管橫截面積，m2h比焓，kJ/kgn工質(zhì)組分?jǐn)?shù)M 摩爾質(zhì)量，kg/mol下角標(biāo)m 質(zhì)量g氣相1 液相f 流動(dòng)參數(shù)j 第j組分lg 氣液相間相互作用wg氣相與壁面間相互作用w壁面作用ReferencesGong M.Q., Wu J.F., Luo E.C., Qi Y.F., Hu Q.G. and Zhou Y., Research on the Change of Mixture Compositions in Mixed-Refrigerant Joule-

30、Thomson CryocoolersJ. Advances in Cryogenic Engineering 47 (B) (2002) 881-887M. Gong, Z. Deng, and J. Wu, Composition Shift of a Mixed-Gas Joule-Thomson Refrigerator Driven by an Oil-Free CompressorJ. in: S.D. Miller and R.G. Ross, Jr., International Cryocooler Conference, Inc., Boulder, CO, 2007, p

31、p. 453-458Deng Zhaobin(鄧昭彬),Gong Maoqiong(公茂瓊)，Wu Jianfeng(吳劍 峰).Experiment Study on Compositions Shift in Multicomponent Mixed-refrigerant Joule-Thomson Cryocooler Driven by an Oil-free compressorJ. Journal of Refrigeration(China)(制冷學(xué)報(bào))，2006, 27(6): 5-9Gong Maoqiong(公茂瓊).Composition Shift Due to Phase Holdup in Two Phase Flow for Multicomponent Mixed-refrigerantJ. Journal of Refrigeration(China)(制冷學(xué)報(bào))，2006, 27 (4): 10-12Gong Maoqiong(公茂