阻力型低温换热器的理论与实验点击:1724 日期:[ 2014-04-20 00:59:04 ] |
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。 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。
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]。
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。 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。
(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。 转载请注明:哈雷换热设备有限公司 http://www.hrale.net/news/20128152262.html |
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