低温制冷系统中混合工质研究

低温制冷系统中混合工质研究
作者：刘建民
来源：《科技资讯》 2013年第14期
刘建民
保定欣达制冷空调工程有限公司河北保定071000
摘要：本文将以混合工质作为研究对象，来探讨其在制冷设备下的使用情况，为实际中工
作提供可参考资料，希望能促进该行业的制冷工序的进步和发展。

关键词：混合工质；低温条件下；制冷设备；
中图分类号：TU83文献标识码：A文章编号：1672-3791(2013)5(b)-0000-00
通过对诸多制冷设施的观察和了解，得知这些设备在发挥制冷功能时，是会受到工质热性
影响的。

所以经过人们的研究和研制，制定出用混合物质做工质，其制冷效果最好，此文中就
深入简介几种此类的制冷设备，结合实例来探究混合工质的具体应用状况。

1低温制冷系统的原理
一般制冷系统的制冷原理：压缩机的作用是把压力较低的蒸汽压缩成压力较高的蒸汽，使
蒸汽的体积减小，压力升高。

压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽，使之压力升高
后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流后，成为压力较低的液体，
之后送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽，再送入压缩机的入口，从而完
成制冷循环。

而低温制冷系统主要涉及低于120K温度范围的问题（一般按温度范围划分为以下几个领域：120K以上，普冷；120~0.3K，低温；0.3K以下，极低温）。

低温制冷系统更复杂，低温系统的工质包括常见工质和特殊工质，其应用范围更广，除了食品工业外还应用于航空航天、科研等
等高精领域。

2混合工质的优点分析
制冷工质具体就是指用于制冷设备中起到产生低温的媒介,这种媒介能够在此设备体系中循环流动,经过流动中导热或相变等过程从而产生能量变化，再与外界的能量相转换最后产生制冷功效的物质，达到降温的目的。

上面所提到的热性其实是说此物质的热容和传热性能，因此此
热性直接与制冷功效有着直接的联系[1]。

以前的纯工质的制冷体系,之所以被淘汰就是源于它
的热性较弱,最后被热性功能强大的混合工质所替代，这种混合式工质，一般情况下是由至少两类工质融合形成，由于其综合热物性能较高，发挥各工质优势，互补其劣势性能，所以也在制
冷设备中普遍使用。

3混合工质在J-T设备中的使用
混合型的工质被现代社会所认同的原因，多数是因为其具有较乐观的发展前景以及自身优势，具体说来包含:①也是其根本性优势，就是此类工质其制冷能力极强；②使用混合性的工质，还有利于提高工作效率，缩减运行时间[2]；③通过这种工质，能实现均匀制冷的效果,还能提
升制冷的水平，而这些优点，是纯工质类的制冷体系，远远不能达到的。

国外相关的混合工质
制冷技术已运用多年，历史也比较久远了，例如Joule-Thomson制冷体系。

具体的记载内容请
见表1。

表1国外混合工质节流制冷系统的研究进展状况
当然，在Joule-Thomson制冷理论提出后,APD公司马上针对其理论研制出了Cryotiger类
的制冷设备,其能达到80K的制冷功效。

随后，我国也引进了此项技术，通过改进和探究研制出了适合本国使用的制冷设施。

比如科学院提出的低温核心体系，具体说来就是功率达到1/3HP
的空调制冷机，还有中国科技公司第十六研发所，也开发出多种混合工质的制冷设备[3]。

4混合工质在低温制冷体系中具体应用情况的探析
4.1使用在斯特林设施里
首先将混合工质使用在制冷体系中的,是斯特林制冷设施，但相关的资料还没能收集到。

只发现加拿大Walker曾提到过，斯特林这种制冷设施采用的是混合工质,并且这两种工质在不同
状态下，所呈现出来的形态也不一样,一种是在制冷过程中才呈现气体状态，而另一类是在室温下就是气体形态。

当这两种工质在受到压力处于膨胀状态时，会发生变化变成液态物质,从而致使在制冷运行中会存在气态和液态两种状态的工质。

但以上这些介绍，都是基于理论而想象出
来的，尚未发现有相关资料加以证实，所以那时也没有真正得到应用[4]。

至今，我国厦门大学的教授学者们，对斯特林这种制冷设备开始研究，发现实际中并不存在这种气体,所以此种方法只是存在理论上的，通过改良将此种气体改为氦气,再与掺入19%的氢气或9%的氖气融合，制成混合气体。

1998年浙江大学的研究者，也对斯特林制冷机开展了研究，得知将制冷速率控制在1450rpm，压力控制为2.7Mpa，发现当温度超过46K后,工质氢气的制冷能力要比氦气强。

4.2在脉管制冷机中的应用情况
谈及脉管类制冷设施，混合工质在此类设施中的使用，最初是源自21世纪初，我国陈国邦教授发现此类制冷设备的高性能。

实际上，此类模式也是引进外国Brayton技术，结合此技术，陈教授和学者们探究出了此类制冷设施，是采用了两类工质而成，但制冷的能力却高出很多倍。

而这两种混合工质，正是上面所提到的氦气和氮气混合气体，分别为10%氮与90%氦的混合体,
这种混合体的制冷能力比起纯的工质提升了9.5%和6.7%。

随后，陈教授带领研发小组，将他们的研制程序和结果公布于众，无偿奉献给此行业[5]。

随后的两年，西安大学教授何雅玲，将此种方法理论应用在脉管制冷设备研制上，详细地做出了此设施的模型，通过这些理论探究和实验，可知制冷功效和工质的热性间的强大关联。

后来，很多研究专家都对此类制冷设备中使用
的混合工质进行了探究，也取得了显著的效果，例如甘智华对80K温区、G-M型制冷设备中，
利用的混合工质做了探析，得出是氦、氢这两种气体融合成的[6]。

以上诸多研究和试验，都能
证明工质的选择，是制冷设施制造时所要考虑的重要因素,这一发现对今后使用混合工质，制成制冷设施发挥了积极作用。

5结论
综合所述，了解到制冷设备制造时，混合工质的作用是很大的，相比之下它比纯工质的使用能力更强大。

正是由于现在工质制冷工艺的不断改进和进步，相信今后此行业的技术，会更加完善和先进。

虽然，现在看来我国使用此技术的能力还欠缺，但是相信通过此专业的专家和学者不懈的努力和研究下，能为提升此技术应用能力做出更大的贡献。

参考文献
[1]周颖艳；杜小泽；杨立军；杨勇平.吸收烟气余热的非共沸混合工质蒸发换热特性[J].中国电机工程学报.2013(03)：22-22
[2]徐雄文.非共沸混合工质制冷系统工质浓度变化及其性能优化研究[J].华南理工大
学,2012(06):87-88
[3]龚磊.混合制冷剂扩散吸收式制冷系统理论与实验研究[J].浙江大学学报，2012(01)：29-30
[4]卢苇；陈洪杰；杨林；曹聪.自然工质风冷太阳能双级喷射中低温空调制冷系统的设计及性能分析[J].化工学报,2012(12):37-40
[5]范晓伟；巨福军；王凤坤；张仙平.热泵系统用R744/HCs混合工质配比范围研究[J].热科学与技术,2012(12):14-15
[6]王辉.扩散一吸收式制冷系统的数值与实验研究[J].安徽工业大学,2012（06）：22-25。