混合工质在脉管制冷中应用初探

脉管制冷机以其独特的结构形式和工作特点，已成为最具有发展前途的小型低温制冷机之一。在新型低温制冷机的发展过程中，可以发现制冷机的制冷效果与工质的热物性有很大的关系。例如，当工质的比热容大时，制冷效果较好；当工质的导热系数大时，导热损失就大，就会影响制冷机的效果；当粘性系数较大时，则由于摩擦增大，导致压力损失增大，影响到压比，也会影响制冷机的制冷效果。Kazachld，G.曾经提到工质的热物性在评价工质能否成为理想的制冷剂时占有举足轻重的作用高于脉管制冷机的制冷温度，若取这些气体作为混合工质，则会出现气体液化的现象，反而影响了脉管制冷机的正常工作。所以，本文仅对氦、氢混合工质在脉管制冷机中的应用进行讨论。

混合工质的状态方程仍采用理想气体的状态方程。对于混合工质的物性，作如下处理：按Wilke公式来计算混合工质的粘度：在中指出，这些公式的误差均在1%以内，精度较高，比直接用混合法则拟合的要好。

按下面的公式计算混合工质的定压比热容：以上各的yi，y2为混合工质的摩尔成分，2和乜、山2和A21是与组分有关的常量。n表示粘度，入表示导热系数，cp表示定压比热容，R表示气体常数，M表示摩尔质量。下标m表示混合工质对应的物性，1、2分别表示不同组分的物性。

混合工质的摩尔质量则按混合法则来计算。纯质的物性由查出。

通过计算可以得到H2和He的物性随摩尔成分的变化，如中（a）~（d）所示。从图上可以看出，混合物的物性并不是按照统一的递增或递减的规律来变化的。当He所占的摩尔成分增大时混合工质的粘度增大，导热系数则逐渐减小，定压比热容逐渐减小，混合工质气体常数逐渐减少。而且从图上还可以发现，这些物性的变化都不是线性的。

3采用混合工质的脉管制冷机的数值模拟脉管制冷机的结构示意图如所示，包括压缩腔、水冷却器、回热器、冷热端换热器、脉管、小孔和气库。本文为了发现混合工质的成分与脉管制冷机性能之间的关系，仅对小孔型脉管制冷机作了研究，且计算中对脉管制冷机的物理模型作了如下处理：工质视为理想气体、定比热容、常物性，且为一维流动。

气体温度仅沿轴向变化，由于气体热导率低，忽略气体的轴向导热。

将整个制冷机进行区域离散，制冷机各个子区域的控制方程可由质量、能量、动量、填料的能量平衡方程、状态方程以及其他辅助方程组成，即连续方程：（）气体能量方程：Cp +动量方程：=一水冷却器、热端换热器的壁面和填料能量方程：bookmark4冷端换热器的壁面和填料能量方程：bookmark6回热器的壁面和填料能量方程：bookmark8小孔的流量及压缩机容积变化见；计算中所用到的换热系数a和阻力系数fr取自出。关于网格划分、方程离散及数值求解的具体方法和实施，由于篇幅所限，在此不再赘述。

4计算结果及分析本文所用的脉管的结构与中的一致，运行条件是：频率为15Hz平均压力为1.1MPa热端温度为300K冷端温度为80IK所示的是压缩机所消耗的功量与氦的摩尔成分的关系。可以看出，随着氦的摩尔成分增大，压缩机所消耗的功量会减少，这是由于随着氦的摩尔成分的增加，通过脉管的冷段和热端的流量就会减少，如所示，也就是说需要压缩的气量就减少，因而压缩机的耗功量减少。另外如所示，随着氦的摩尔成分增大，压缩腔中的平均压力也在减少，这也使得压缩机的耗功量减少。

说明随着氦的摩尔成分的增加，存在一个最大的制冷量，这是由混合气体的热物性所决定的。当氦的摩尔成分增大时，虽然混合气体的定压比热容在减少，但其导热系数也在减少。制冷量受多种因素的影响，综合考虑，不难找到一最佳成分，使得制冷量最大。从看出，在所给定的运行条件下，氦的摩尔成分为37%时，可以得到最大的制冷量。比纯氦作制冷工质时制冷量增加了25%.表明当氦的摩尔成分为60%左右时，制冷机的制冷系数COP达到最大值。这是因为制冷机的制冷系数COP不仅与制冷量的大小有关，而且还与制冷机系统中压缩机的耗功有关，提高制冷量和减少压缩机的耗功均可以使得制冷机的制冷系数提高。而此处氦的摩尔成分与最大制冷量时的氦的摩尔成分不一样的原因是由于随着氦气量的增加，压缩机的耗功一直在减少，制冷量则是先增加后减少，因此COP也是先增加，而后因为制冷量要比耗功量减少得快，导致COP后来也减少，从而得出在氦的摩尔成分为60%左右时，制冷机的制冷系数达到最大，比纯氦作工质时提高了438%.随着氦的摩尔成分的增加，脉管中的压比t也在逐渐增大，如所示。但是脉管中的最大压力却在减少，如所示。这样对结构的强度有利，同种结构的脉管可以在增大氦的摩尔成分时进一步适当地增大平均压力。这也可以看成是由于氦的摩尔成分增加时，混合气体的粘性系数增加的结果，由于粘度增大，使得在回热器中的压降增大，从而导致脉管中的最大压力减少。

从中还可以得到这样的结论：随着氦的摩尔成分增加，脉管冷、热端气流流量的相位会滞后，这是由于随着氦气量增加，混合气体的粘度增大，导致回热器中的阻力增加，从而使得脉管中流量的相位会有所滞后。根据相位理论。西安：西安交通大学，199712KaysW‘M，LondonAC.Compactheatexchanger McGrav-HillBookCompaiy，198413阎守胜，陆果。低温物理实验的原理与方法。北京：科学出版社，1981 14王超。脉管制冷过程的数值分析、实验及改进方案的研究：。西安：西安交通大学1993分节式电容液面计的特性。