1．目的及意义

J-T循环中是一种能够提供低温冷却的简单而又紧凑的循环。这些循环具有许多应用，其中低振动冷头是实现紧凑所需要的。混合制冷剂（MR）工作流体可以显着提高J-T循环的冷却能力。混合制冷剂焦耳汤姆森（MRJT）循环的优化已成为实质性研究的主题。但是，大多数优化技术都没有详细模拟换热器。例如，许多研究人员使用电导模型，该模型假设换热器中的电导率恒定。威斯康星大学麦迪逊分校和其他地方的工作表明，对流系数是强大的质量功能参数。当在增强的传热区域中，质量在15％和85％之间时，对流系数可以比单相区域高三倍[1]。这种现象表明换热器的电导率是换热器中MR质量的函数。因此，优化MR而不需要流量在增强的传热区域中的系统将需要大的换热器或者不能实现模型预测的性能。为了确保MRJT循环的最佳性能，应选择MR以提供最高的冷却负载，同时保留在增强的传热区域中。

为了确定最佳MR组成，创建了热力学理想循环的模型并用于参数研究。参数研究的结果以图形方式呈现在等高线图上，其中参数空间是换热器中质量的极限（即，换热器中任何地方的最低和最高质量）。轮廓显示标准化制冷功率的恒定值。该“图”显示了MR组成对循环性能的影响，并且它可用于选择提供高冷却负载的MR，同时还将回热器限制在增强的传热区域中。循环图显示在增强的传热区域中操作的成本是最大可能的冷却负荷的减少。指定了一条设计线，用于识别给定质量约束条件下具有最高热力学冷却负荷的所有混合物。沿着这条线识别的MR可以用作实验测试的初始起点。使用不同的模型输入参数测试模型和绘图技术，以确保它对所有周期都有效。另外，描述了用于确定最佳组件数量的方法。改进绘图技术以为具有最大COP的循环提供最佳混合。最后，修改模型以考虑换热器中的压降，并且绘图方法也用于确定该情况下的最佳混合物。

本研究的目的是确定能够提供尽可能大的冷却负荷的混合物，同时保持在高传热系数的区域，允许使用小型换热器。为了使换热器保持较小，所选择的混合物需要在增强的传热区域中与换热器中的MR一起操作。这有两个目的; 首先，它允许更小的换热器，其次，它提供更高的传热效率，这可以导致循环提供更高的冷却负荷。选择该目标是为了补充先前由Skye [3]构建的冷冻外科探针的实验测试设施。探头需要足够小以便于操作，并提供最大的冷却功率，以便对大肿瘤保持微创并减少手术所需的时间。一旦确定了最佳混合物，就可以通过实验测试，并且可以验证模型的结果。

为了实现该目的，需要一种识别MR对循环的传热和热力学冷却负荷的影响的方法。 该方法将允许选择具有良好传热和热力学冷却负荷的最佳平衡的混合物，并产生最佳的现实世界性能。

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2. 研究的基本内容与方案

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2.1 研究的基本内容

（1）建立J-T循环的模型

为了开始优化过程，需要一个模型来确定热力学冷却负载以及具有给定操作参数和混合物的循环中的质量。该模型可分为两个通用部分，第一部分是压缩部件，它定义了循环压力和质量流量之间的关系，第二部分是冷头，它被定义为换热器，膨胀阀和负载热量器。这种划分允许灵活地使用该模型来定义预冷和室温循环，而无需建模额外的循环。

（2）分析参数以确定混合物选择对MRJT循环的影响

选择混合物以包括具有在循环的高温和低温之间分布的正常沸点的组分。通常，为了保持换热器中的两相条件，需要至少一个沸点低于负载温度的组分，以及沸点高于供应温度的组分。由于已经限制回流换热器中的混合制冷剂必须处于两相区域，因此需要具有跨越换热器范围的沸点的部件。否则，对于某些给定的混合物组分，将不可能维持约束，因为它们总是根据其正常沸点而过冷或过热。

（3）创建J-T循环性能的图