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当阻力型低温换热器的理论与实验

发布时间:2021-09-09 15:26:31 阅读: 来源:棉签包装机厂家

阻力型低温换热器的理论与实验

摘要:通过氦液化器末级换热器的热力特性分析,阐明了利用分布阻力可以改善换热性能,提高液氦产量的理论。同时设计制造了一种分布阻力型换热器,在4.2K小型制冷机上进行了对比实验,验证了上述理论。图4参6。

关键词:低温换热器 流动阻力 氦液化器

1 前言

众所周知,一般换热器的流动阻力,是一种系统能量损失,就此而言,应该越小越好。但是对氦气这样的特殊工质,在特殊条件下,有可能利用流动阻力来改善低温换热器的性能,从而提高液化循环的效率。斯科特曾提出利用氦液化器末级换热器的分布阻力(沿程阻力)来提高液氦产量[1]。

除了采用两相膨胀机的氦液化循环以外,一般氦液化器,无论使用何种预冷方式,最后都是通过节流方法达到液氦温区的。末级换热器就是指节流阀前的逆流换热器,如图1所示。末级换热器的传热过程,通常是在极低温度(4~14K)、极小温差(0.5~2.5K)下进行的,其性能的好坏对循环的影响极大,历来受到人们的重视。笔者在分析氦液化器末级换热器热力特性的基础上,阐明了利用阻力提高液氦产量或制冷量的理论依据,并没计制造了一种分布阻力型换热器.利用4.2K小型制冷机[3],与非阻力型换热器进行对比实验,对-上述理论进行了验证。

2 氦液化器末级换热器的热力特性

末级换热器的特性与工质的热物理性质及工况有关。它的温度和压力工况,通常可根据氦液化循环的预冷方式及实践经验来设定。末级换热器低压通道氦气进口温度T3(对应图1中点3)是由液氦饱和压力决定的,一般范围为3.7~4.5K。高压通道氦气进口温度T1(对应图1中点1)取决于前级的预冷方式。由于节流制冷量近似等于该处的等温节流效应,T1越低,则制冷量或液化率就越大。为了保证一定的制冷量或液化率,T1通常设计在10~14K。高压通道出口温度T2(对应图l中点2)即节流前的温度,对制冷量或液化率有直接影响,从氦的温熵图[4]来看,3.7~4.5K范围内的饱和气体线几乎与30.9J/g的等焓线相重合,该等焓线的转化点[微分节流效应(эT/эP)h=0]为7.8K,因此,T2必须低于7.8K,才能使氦气液化,实际上T2常低于6K。低压通道出口温度T4(对应图1中点4)取决于末级换热器热端温差的大小,为了提高换热效率,这个温差一般选得很小,常在lK以下,甚至只有0.3K。由此可见,氦液化器末级换热器的显著特点是工作温度很低和传热温差极小。

关于末级换热器的工作压力,低压通道的流动阻力一般很小,若略去不计,则低压侧压力PL等于液氦的饱和压力。通常在0.1MPa左右。高压侧压力PH,可以根据高压通道进口温度T,来设计,即取为转化温度等于T1时的转化压力,这样,高压氦气进口状态点(T1、PH)将位于温压图的转化曲线上。例如T1=9.5K, 则几取为18.5MPa。如图2中的a点。a点的焓值应是T1温度下的最小值,对应的等温节流效应最大,海南将打造航运综合试验区 建设大宗商品交易基地可称为最佳压力。对于常规的非阻力型末级换热器来说,由于高压通道的流动阻力也不大,因此,按T1选择的最佳压力就不可能也是出口温度T2对应的最佳压力。

例中,若略去高压通道流动阻力,当T2=6K时,则出口状态点b将落在转化曲线右下方的24.0J/g等焓线上。一个值得研究的问题是,若能在高压通道内设置分布阻力,使出口压力降到6K又;f应的最佳压力0.75MPa,那末出口状态c点将落在20.4J/g等焓线上,使节流前焓值减小3.6J/g,意味着节流后单位制冷量增加3.6J/g。若换一个角度看,假设高压氦气的放热量不变,出口焓值保持24.0J/g,而分布阻力使出口压力降为1.0MPa,仍使其位于转化曲线上。那末,出口温度T:将等于6.6K,使出口传热温差增加0.6K(对此可以起到保护传感器碰撞类换热器已很可观),因而传热面积可以减少。

上述分析未涉及传热系数因设置分布阻力而引起的变化。实际上, 没置分布阻力后,由于气流速度和扰动的增加,是有利于传热系数提高的,所以不会产生负面影响,总之,只要在氦液化器末级换热器高压通道内设置合理的分布阻力,就可能提高液化率或制冷量。这并不违背热力学第二定律。因为从局部看。设置分布阻力会引起熵增,使不可逆损失增加,但与此同时,未级换热器后节流阀的节流程度必须大大减小,否则无法保持节流后的压力PL不变,所以节流阀的熵增是减少的,从总体看,两部分的总熵增不是增加了,而是减少的[5]。

3 热力参数关系式

高压氦气在具有分布阻力的换热器通道内,经历的是放热节流过程,所以状态参数变化关系比较复杂。通过能量平衡方程,连续性方程等一系列方程可导出下列压力、温度、熵沿分布阻力管道的变化关系式[5]。

P——压力,Pa

T——温度,K

S——熵,J/kg·K

X——阻力管长度,m

q——热流,W/m2

u——阻力管横截面周长,m

a ——阻力管横截面积,m2

t ——氦气通过dx管长的时间,

ρ——密度, kg/m3

β—此动作松开圆柱的贮槽—定压膨胀系数,1/K

K——定温压缩系数,1/Pa

W——流速,m/s

D——阻力管当量直径,m

f——阻力管摩擦系数

Cp——定压比热,J/kg·K

αh——微分节流效应,k/Pa

4 对比实验

为了验证阻力型换热器的理论, 笔者在 4.2K小型制冷机上进行了对比实验。

4.1 实验装置

4.2 K小型制冷机如图3所示,是一种 能在4.2K温度下,连续提供制冷量的闭式 循环氦气制冷机。它由压缩系统和制冷系统 两部分组成,后者由GM制冷机(预冷源) 和节流回路组成。图中11就是在4.2K温度 下输出冷量的部件(相当于液氦槽)。图中 9就是末级换热器。

1.节流压机 2.一级压机 3.二级压 机 4.GM制冷机 5.一级换热器 6. 一级冷头换热器

7.二级换热器 8.二 级冷头换热器 9.末级换热器 10.节 流阀 11.三级冷头 12.氖热管

对比实验的分布阻力型和非阻力型换热 器均采用逆流套管式,两种末级换热器使用 的管材、管径、管长均相同。外管为Φ5× 0.5mm, 内管为Φ2× 0.1mm, 管材为 1Crl8Ni9Ti不锈钢,管长2.5m,盘成直径为 130mm螺旋管状。分布阻力型换热器高压通 道内阻力设置是否合理是实验成败的关键。 理想情况下,分布阻力应使氦气状态沿着转 化曲线变化。为考虑加工方便,没有采用加 阻力管芯的方法,而是采取把走高压氦气的 内管适度轧扁的方法。经初步计算和实际试 验,最后决定把分布阻力段内管截面轧成近 似3× 0.4mm的矩形。由于4.2K小型制冷 机末级换热器高压氦气进口温度在14K左 右,压力在2.0MPa左右,为了使微分节流 效应小于零,所以分布阻力仅设置在离出口 480mm长的管段内。

4.2 实验结果

对于不同的高压压力PH和不同的节流回路流量做了大量实验,结果都能验证上述 理论。图4为一组对比实验的结果,它反映 了高压PH=2.01Mh,节流后温度为4.15± 0.15K条件下,制冷量随氦气流量变化的关 系。对比实验表明:在相同条件下分布阻力 型制冷量均比非阻力型大,对每种换热器而 言,都存在一个制冷量为最大的最佳流量。

5 结 论

(1)在末级换热器高压通道内加合理的 阻力,可以提高制冷量或液化率;若制冷量 或液化率保持不变,则可以减少传热面积。

(2)所加阻力,必须在氦气的微分节流 效应小于零的区段,使其与非阻力型相比, 在放出热量相等的情况下,而具有较高的温 度和较大的传热温差。

(3)用加阻力管芯的方法设置分布阻力 理应好于轧扁内管的方法:理想的分布阻力 是使氦气的状态向转化曲线变化,虽然很难 实现。但也应尽量使状态变化过程线向转化 曲线靠拢。

参 考 文 献

1 斯科特R B著,舒泉声等译.低温工程. 北京:科学出版社,1977.

2 Mann D B, et a1. Design. construction, and performance of a laboratory-size helium liquefier.Advances in Cryo Eng,1959(5)

3 赵开涛,季士良等.1W/4,2K小型制冷机 的研制和试验.低温与超导,1988(4)

4 化工第四设计院.深冷手册(上册).北 京:燃料化学工业出版社,1973.

5 金苏敏.4.2K微型制冷机末级换热器的研 究.南京工学院硕士学学位论文,1988.

6 张祉枯等.制冷及低温技术(上册).北京:机械工业出版社,1981.

* 赵开涛, 男,1939年7月生,1964年毕业于南京工学院动力系,现为东南大学动力系制冷教研室副 教授,从事教学与科研工作。(end)

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