汪 洋，羅新奎，王小軍，楊 祺，張文瑞（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

混合工質(zhì)物性計(jì)算及在微通道中換熱特性研究

汪 洋，羅新奎，王小軍，楊 祺，張文瑞
（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

微尺度高效換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、熱阻小、換熱系數(shù)大等特點(diǎn)。以A/B混合制冷劑為工質(zhì)，對(duì)其密度、飽和蒸氣壓、表面張力和黏度進(jìn)行了計(jì)算并擬合出標(biāo)準(zhǔn)差在1%內(nèi)的相應(yīng)的物性溫度曲線，并對(duì)其在-45、20、60℃入口溫度下在1.1/1.2 mm尺寸的矩形微通道內(nèi)的換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在給定400 W外熱流下，不同入口溫度有效換熱熱流密度都在50 000 W/m2左右，入口溫度越高，平均換熱系數(shù)越大。

混合制冷劑；物性；微通道；熱流密度；換熱系數(shù)

0 引言

隨著飛行器的飛行馬赫數(shù)增加，精度的要求更加苛刻，紅外光學(xué)窗口的冷卻要求變得更加嚴(yán)格。飛行馬赫數(shù)的增加直接導(dǎo)致了氣動(dòng)加熱熱量的大幅度增長(zhǎng)，從而對(duì)冷卻冷量的要求就更加龐大，普通的冷卻方式無(wú)法滿足這種需求。而微通道流動(dòng)沸騰換熱［1］能夠保證微系統(tǒng)的巨大換熱熱流密度和高效的換熱效率，利用相變傳熱使需冷卻器件迅速降溫并保持穩(wěn)定。因此，采用微通道換熱器［2］對(duì)光學(xué)窗口進(jìn)行冷卻，這種換熱器具有尺寸小、熱阻低、換熱效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

在對(duì)微通道換熱特性的研究中，多數(shù)學(xué)者都選擇單一工質(zhì)進(jìn)行研究，主要集中在去離子水、R12、R22、R113、R134a等工質(zhì)上［3］。部分學(xué)者采用的是混合工質(zhì)，同單一工質(zhì)相比，混合工質(zhì)的研究具有一定難點(diǎn)：混合工質(zhì)的物性參數(shù)不能很好地獲得；沸騰換熱中溶質(zhì)的析出使得換熱更加復(fù)雜?；旌瞎べ|(zhì)的選用主要是R11/R123、Air-Water（帶空化去離子水）、FC-84、R134a/R600a等［3］，與A相關(guān)的混合工質(zhì)研究尚且缺乏，A常作為替代易燃的石油醚、乙醚等作為有機(jī)溶劑。

由于使用環(huán)境的特殊性，對(duì)制冷劑提出了較高要求，除了要滿足無(wú)毒、不燃、理化性質(zhì)穩(wěn)定等要求外，還對(duì)制冷劑工質(zhì)環(huán)境提出了要求：儲(chǔ)存溫度為-45～60℃，工作結(jié)束溫度為80℃，工作時(shí)間1 000 s，同時(shí)，基于特殊使用環(huán)境，要求該制冷劑在低溫（-45℃）下保持一定的啟動(dòng)壓力，飽和蒸氣壓不能過(guò)低；高溫（80℃）下為保證存儲(chǔ)安全，制冷劑的飽和蒸氣壓不能過(guò)高。在-45～60℃的工況下，選擇A/B按照一定比例混合后作為制冷工質(zhì)，滿足的特點(diǎn)：在低溫工況下，飽和蒸氣壓（0.78 MPa）可以提供有效的啟動(dòng)壓力；混合物中的A在升溫的過(guò)程中析出可以強(qiáng)化沸騰換熱；混合物的臨界溫度達(dá)到161℃，能夠避免普通制冷劑如R22等在高溫下的失效現(xiàn)象；高溫工況下，飽和蒸氣壓2.97 MPa＜4 MPa，可安全存儲(chǔ)。

1 混合工質(zhì)物性分析計(jì)算

臨界狀態(tài)是純物質(zhì)的氣液兩相平衡共存的一個(gè)極限狀態(tài)，在此狀態(tài)下，飽和液體與飽和蒸氣的熱力學(xué)性質(zhì)相同，氣液間的分界面消失，因此沒(méi)有表面張力，氣化潛熱為零。處于臨界狀態(tài)下的溫度壓力和比體積，分別被稱為臨界溫度Tc，臨界壓力Pc和臨界比體積Vc。

對(duì)于純物質(zhì)的P-V-T關(guān)系，可以概括為函數(shù)關(guān)系：f（P，V，T）=0。將此關(guān)系拓展為混合物時(shí)，必須引入成分變量x=xi，f（P，V，T，x）=0。為了將混合物的函數(shù)形式與純物質(zhì)的函數(shù)形式統(tǒng)一起來(lái)，通常把混合物質(zhì)看作為一套按照一定規(guī)則求出的假臨界參數(shù)而且性質(zhì)均勻的新物質(zhì)，其中假臨界參數(shù)的制約準(zhǔn)則就是混合法則［4］，是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)獲得的。一般來(lái)說(shuō)，混合法則是把混合物參數(shù)用組元成分和各純組元參數(shù)按照式（1）：

式中：yi、yj為摩爾分?jǐn)?shù)，可以是氣相也可以是液相；Qij=f（kij，Qi,Qj），QiQj為純組元參數(shù)；kij為交互作用系數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定，當(dāng)缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，一般當(dāng)作1處理。

那么，混合臨界參數(shù)可以如式（2）～（4）表示：

式中：Tcm為混合工質(zhì)的臨界溫度；Pcm為臨界壓力；ωm為極性因子；yi為各組分摩爾分?jǐn)?shù)；Tci為混合工質(zhì)各組分臨界狀態(tài)下溫度；Zci為單位質(zhì)量摩爾數(shù)；Vci比體積；ωi為各組分的極性因子。

在此基礎(chǔ)上，采用陳建新等［5］提出的方法計(jì)算混合工質(zhì)密度，利用CSD方程、Brook-Bird關(guān)聯(lián)式和Hakim修正式以及Goletz-Tassions推算方法［4］分別對(duì)混合工質(zhì)飽和蒸氣壓、表面張力和黏度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程采用mathcad軟件，并用origion進(jìn)行結(jié)果擬合，選取相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差在1%內(nèi)的曲線，結(jié)果如圖1所示。其中：密度ρ=1.333 5-0.001 27T-8.694 8×10-6T2，飽和蒸氣壓，表面張 力 σ=17.786 75-0.052 5×10-5T2，黏 度

2 混合工質(zhì)在微通道中換熱特性實(shí)驗(yàn)

微通道領(lǐng)域的難點(diǎn)主要集中在流型的可視化、壓力損失特性和換熱特性三個(gè)方面。針對(duì)這些方面的研究，在以鹵代物為工質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中，大多采用循環(huán)結(jié)構(gòu)式的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，這種實(shí)驗(yàn)臺(tái)存在著實(shí)驗(yàn)投資大、設(shè)備復(fù)雜、系統(tǒng)可靠性低等缺點(diǎn)，而且預(yù)設(shè)工況比較難以達(dá)到，造成工況改變，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)精度。實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際工況模擬，以A/B按一定摩爾比例配比后的混合液體作為工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

為了使工質(zhì)在有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)在實(shí)驗(yàn)段有限空間中達(dá)到沸騰，就必須包含大功率加熱系統(tǒng)。同時(shí)為了保證環(huán)境溫度，還必須有溫度控制系統(tǒng)。為了有效的模擬外熱流環(huán)境，在楊祺等［2］帶領(lǐng)下設(shè)計(jì)了外熱流模擬裝置，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)采用的為1.1 mm×1.2 mm矩形微通道，沿流道方向布置3個(gè)熱電偶，如圖3所示，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。矩形微通道布置在某型號(hào)光學(xué)窗口主動(dòng)冷卻裝置冷框內(nèi)［6］，實(shí)驗(yàn)針對(duì)冷卻要求，進(jìn)行定性研究。給定加熱功率400 W，考慮框體輻射和對(duì)流換熱，定性溫度為壁面平均溫度tw=1/n∑ti，通道長(zhǎng)度為470 mm，三通道并列，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)入口溫度分別為-45、20、60℃，針對(duì)每個(gè)入口溫度，選取每個(gè)時(shí)間差為60 s 的12個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)總時(shí)間跨度為1 500 s。數(shù)據(jù)處理如式（5）～（7）［7］。

輻射換熱量為：

自然對(duì)流換熱量為：

其中參數(shù)選?。害?5.67×10-8W?m-2?K-4；hcon=5～25 kJ?m-2?℃-1。有效換熱熱流qeff：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～6所示。

圖1 物理性能參數(shù)擬合曲線圖

圖2 外熱流模擬裝置簡(jiǎn)圖

圖3 熱電偶布置簡(jiǎn)圖

圖4 平均換熱系數(shù)曲線圖

圖5 有效熱流密度對(duì)比曲線圖

圖6 有效換熱熱流密度隨時(shí)間變化曲線圖

3 結(jié)論

通過(guò)采用不同關(guān)聯(lián)式擬合的A/B物性曲線，誤差在1%之內(nèi)，符合參數(shù)選用要求。

在給定400 W熱流下，三種工況的換熱熱流密度相近，集中在50 000 W/m2左右；當(dāng)電磁閥打開(kāi)時(shí)，從總體上，冷框的壁面溫度是在下降的，而有效換熱熱流密度略呈上升趨勢(shì)，這可能是由于內(nèi)部制冷劑沸騰不完全，仍然在加速沸騰導(dǎo)致。

在不同的入口溫度下，溫度越高，平均換熱系數(shù)越大，一方面是溫度高，飽和蒸氣壓大，制冷劑流量變大的影響；另一方面，高溫下外熱流可以有更多的熱量使制冷劑氣化，強(qiáng)化沸騰換熱，此時(shí)沸騰換熱占主導(dǎo)地位。

［1］魯鐘琪.兩相流與沸騰傳熱［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［2］楊祺，汪洋，丁義峰，等.微尺度換熱技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.低溫工程，2015，（z1）：186-190.

［3］Satish G.Kandlikar，Srinivas Garimella，et al.Heat Transfer and Fluid Flow in Minichannels and Microchannels［M］.USA：ElsevierLtd，2006：232-237.

［4］楊世峰，混合工質(zhì)物性計(jì)算研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，1999.

［5］陳建新，陳則韶，胡芃，等.混合制冷劑飽和液體密度的推算［J］.西安交通大學(xué)報(bào)，2007，41（5）：534-537.

［6］丁義峰，汪洋，王小軍，等.微尺度高效換熱器的熱流計(jì)算與設(shè)計(jì)［J］.真空與低溫，2015，4（2）：99-102.

［7］許國(guó)良，王曉墨，鄔田華，等.工程傳熱學(xué)［M］.北京：中國(guó)點(diǎn)力出版社，2005：2-6.

THE CALCULATE OF PHYSICAL PROPERTIES AND STUDY ON HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS IN MICRO CHANNEL

WANG Yang，LUO Xin-kui，WANG Xiao-jun，YANG Qi，ZHANG Wen-rui
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Microscale high efficiency heat exchanger has the character of compact structure，low thermal resistance and high heat transfer coefficient.The density，saturated pressure，surface tension and viscosity of the refrigerant mixed with A and B were calculated and curve fitting of physical properties to temperature with the standard deviation under 1 percent were established.The heat transfer characteristics in a rectangle micro channel with the size of 1.1 mm/1.2 mm at the inlet temperature of-45，20 and 60℃the external heat flux density of 400 W is studied，the different working condition has the same effective heat exchange heat flux density while the average heat transfer coefficient grows with the inlet temperature.

mixed refrigerant；physical properties；rectangle micro channel；heat flux density；heat transfer coefficient

TB61+1

A

1006-7086（2016）02-0081-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.02.004

2016-01-04

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（9140C550308140C55014）

汪洋（1990-），男，安徽人，碩士研究生，從事制冷及低溫工程研究。E-mail:wangyang4840@126.com。