混合工质物性计算及在微通道中换热特性研究

汪 洋，罗新奎，王小军，杨 祺，张文瑞（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

混合工质物性计算及在微通道中换热特性研究

汪 洋，罗新奎，王小军，杨 祺，张文瑞
（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

微尺度高效换热器具有结构紧凑、热阻小、换热系数大等特点。以A/B混合制冷剂为工质，对其密度、饱和蒸气压、表面张力和黏度进行了计算并拟合出标准差在1%内的相应的物性温度曲线，并对其在-45、20、60℃入口温度下在1.1/1.2 mm尺寸的矩形微通道内的换热特性进行了实验研究，在给定400 W外热流下，不同入口温度有效换热热流密度都在50 000 W/m2左右，入口温度越高，平均换热系数越大。

混合制冷剂；物性；微通道；热流密度；换热系数

0 引言

随着飞行器的飞行马赫数增加，精度的要求更加苛刻，红外光学窗口的冷却要求变得更加严格。飞行马赫数的增加直接导致了气动加热热量的大幅度增长，从而对冷却冷量的要求就更加庞大，普通的冷却方式无法满足这种需求。而微通道流动沸腾换热［1］能够保证微系统的巨大换热热流密度和高效的换热效率，利用相变传热使需冷却器件迅速降温并保持稳定。因此，采用微通道换热器［2］对光学窗口进行冷却，这种换热器具有尺寸小、热阻低、换热效率高、环境适应性强等特点。

在对微通道换热特性的研究中，多数学者都选择单一工质进行研究，主要集中在去离子水、R12、R22、R113、R134a等工质上［3］。部分学者采用的是混合工质，同单一工质相比，混合工质的研究具有一定难点：混合工质的物性参数不能很好地获得；沸腾换热中溶质的析出使得换热更加复杂。混合工质的选用主要是R11/R123、Air-Water（带空化去离子水）、FC-84、R134a/R600a等［3］，与A相关的混合工质研究尚且缺乏，A常作为替代易燃的石油醚、乙醚等作为有机溶剂。

由于使用环境的特殊性，对制冷剂提出了较高要求，除了要满足无毒、不燃、理化性质稳定等要求外，还对制冷剂工质环境提出了要求：储存温度为-45～60℃，工作结束温度为80℃，工作时间1 000 s，同时，基于特殊使用环境，要求该制冷剂在低温（-45℃）下保持一定的启动压力，饱和蒸气压不能过低；高温（80℃）下为保证存储安全，制冷剂的饱和蒸气压不能过高。在-45～60℃的工况下，选择A/B按照一定比例混合后作为制冷工质，满足的特点：在低温工况下，饱和蒸气压（0.78 MPa）可以提供有效的启动压力；混合物中的A在升温的过程中析出可以强化沸腾换热；混合物的临界温度达到161℃，能够避免普通制冷剂如R22等在高温下的失效现象；高温工况下，饱和蒸气压2.97 MPa＜4 MPa，可安全存储。

1 混合工质物性分析计算

临界状态是纯物质的气液两相平衡共存的一个极限状态，在此状态下，饱和液体与饱和蒸气的热力学性质相同，气液间的分界面消失，因此没有表面张力，气化潜热为零。处于临界状态下的温度压力和比体积，分别被称为临界温度Tc，临界压力Pc和临界比体积Vc。

对于纯物质的P-V-T关系，可以概括为函数关系：f（P，V，T）=0。将此关系拓展为混合物时，必须引入成分变量x=xi，f（P，V，T，x）=0。为了将混合物的函数形式与纯物质的函数形式统一起来，通常把混合物质看作为一套按照一定规则求出的假临界参数而且性质均匀的新物质，其中假临界参数的制约准则就是混合法则［4］，是通过经验获得的。一般来说，混合法则是把混合物参数用组元成分和各纯组元参数按照式（1）：

式中：yi、yj为摩尔分数，可以是气相也可以是液相；Qij=f（kij，Qi,Qj），QiQj为纯组元参数；kij为交互作用系数，通过实验数据拟合确定，当缺少实验数据时，一般当作1处理。

那么，混合临界参数可以如式（2）～（4）表示：

式中：Tcm为混合工质的临界温度；Pcm为临界压力；ωm为极性因子；yi为各组分摩尔分数；Tci为混合工质各组分临界状态下温度；Zci为单位质量摩尔数；Vci比体积；ωi为各组分的极性因子。

在此基础上，采用陈建新等［5］提出的方法计算混合工质密度，利用CSD方程、Brook-Bird关联式和Hakim修正式以及Goletz-Tassions推算方法［4］分别对混合工质饱和蒸气压、表面张力和黏度进行计算，计算过程采用mathcad软件，并用origion进行结果拟合，选取相对标准差在1%内的曲线，结果如图1所示。其中：密度ρ=1.333 5-0.001 27T-8.694 8×10-6T2，饱和蒸气压，表面张 力 σ=17.786 75-0.052 5×10-5T2，黏 度

2 混合工质在微通道中换热特性实验

微通道领域的难点主要集中在流型的可视化、压力损失特性和换热特性三个方面。针对这些方面的研究，在以卤代物为工质的实验中，大多采用循环结构式的实验台，这种实验台存在着实验投资大、设备复杂、系统可靠性低等缺点，而且预设工况比较难以达到，造成工况改变，会影响实验精度。实验根据实际工况模拟，以A/B按一定摩尔比例配比后的混合液体作为工质进行实验。

为了使工质在有限的实验时间内在实验段有限空间中达到沸腾，就必须包含大功率加热系统。同时为了保证环境温度，还必须有温度控制系统。为了有效的模拟外热流环境，在杨祺等［2］带领下设计了外热流模拟装置，结构如图2所示。

实验采用的为1.1 mm×1.2 mm矩形微通道，沿流道方向布置3个热电偶，如图3所示，利用数据采集系统采集实验数据。矩形微通道布置在某型号光学窗口主动冷却装置冷框内［6］，实验针对冷却要求，进行定性研究。给定加热功率400 W，考虑框体辐射和对流换热，定性温度为壁面平均温度tw=1/n∑ti，通道长度为470 mm，三通道并列，对实验数据进行处理。实验入口温度分别为-45、20、60℃，针对每个入口温度，选取每个时间差为60 s 的12个测量数据，实验总时间跨度为1 500 s。数据处理如式（5）～（7）［7］。

辐射换热量为：

自然对流换热量为：

其中参数选取：σ=5.67×10-8W∙m-2∙K-4；hcon=5～25 kJ∙m-2∙℃-1。有效换热热流qeff：

实验结果如图4～6所示。

图1 物理性能参数拟合曲线图

图2 外热流模拟装置简图

图3 热电偶布置简图

图4 平均换热系数曲线图

图5 有效热流密度对比曲线图

图6 有效换热热流密度随时间变化曲线图

3 结论

通过采用不同关联式拟合的A/B物性曲线，误差在1%之内，符合参数选用要求。

在给定400 W热流下，三种工况的换热热流密度相近，集中在50 000 W/m2左右；当电磁阀打开时，从总体上，冷框的壁面温度是在下降的，而有效换热热流密度略呈上升趋势，这可能是由于内部制冷剂沸腾不完全，仍然在加速沸腾导致。

在不同的入口温度下，温度越高，平均换热系数越大，一方面是温度高，饱和蒸气压大，制冷剂流量变大的影响；另一方面，高温下外热流可以有更多的热量使制冷剂气化，强化沸腾换热，此时沸腾换热占主导地位。

［1］鲁钟琪.两相流与沸腾传热［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［2］杨祺，汪洋，丁义峰，等.微尺度换热技术的研究与应用［J］.低温工程，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］杨世峰，混合工质物性计算研究［D］.西安：西安建筑科技大学，1999.

［5］陈建新，陈则韶，胡芃，等.混合制冷剂饱和液体密度的推算［J］.西安交通大学报，2007，41（5）：534-537.

［6］丁义峰，汪洋，王小军，等.微尺度高效换热器的热流计算与设计［J］.真空与低温，2015，4（2）：99-102.

［7］许国良，王晓墨，邬田华，等.工程传热学［M］.北京：中国点力出版社，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

重点实验室基金（9140C550308140C55014）

汪洋（1990-），男，安徽人，硕士研究生，从事制冷及低温工程研究。E-mail:wangyang4840@126.com。