绝热毛细管内制冷剂质量流量的特性

1、维晋资计I 2003年第3】卷第5期流体机械49文章编号：KX&0329(2003 )050CK7(»绝热毛细管内制冷剂质量流量的特性研究周勤 刘楚芸 杨快威 蓋爱华(浙江大学，浙江杭州3KXJ27)摘慕：运用绝热毛麵管的均相流模型，数值模拟了毛细普内制挣剂的质屋流蜀、并进行了实验验证;幷折了 R12, 砒如两种制冷捌在毛细管内的駅动特性，讨论了过冷盛、毛细管隹度、入口压力、出口压力等蠢数对制冷刑质輩流量的 关词,处穗毛细管:质量流屍中图分类号：TR6P2文献标识码：AInvestigation on the Characteristic of the Mass Flaw R

2、ate in Adiabatic Capillary Tube2»u Qin Uu Oidyun Yan Changuti Jiang AihuaAbstract:Boyd un the Humuennous Flow Mocfel </ adiabatic capiJLary tubes, a cduiiUt pcogram for munencal sinmlabon of thenwfis flow rate ofin 個pillaiy tube is developed. The results obtained are uwnpaml with iht measURt

3、d lIhU and then analyzed. Hie invcsli飘inret include (he cifecla of refrirant subconling, capillary 】erth* concWhung presaune» evapuraling pressun? with re&igej«Jits of R12 and R134a respectively nn lhe mass Haw rate of m&igcnuri .KEywnrtfc:wJjabalic capillaxy lube&i lhe nut鷗 fl

4、ow mle维晋资计I 2003年第3】卷第5期流体机械49维晋资计I 2003年第3】卷第5期流体机械49收犒日期：200207-121稿日購：2002-09-181引言毛细管是小型制拎装置中常用的节流元件之 一。由于制拎剂在毛细管内两相流动比较复杂、 使得毛细管的流量计算变得较为困难口工稈上常 用试凑法来选用毛细管需要花费大量的时闾。本文针对R12制冷系统建立了绝热毛细管 的均相流模型'模拟计算制冷剂质最流量，并进 行了实验验证，计算数值与实验值得到了较好地 吻合。由干人们对臭氧层空洞和温室效应的关 注，文中也对主要替代工质R134在毛细管内的 流动特性做了较好的数值模拟，这对实际

5、工程应 用具有一定的指导意义。2毛细管内制冷剂潦动特性的分析制冷剂在毛细管内流动的騎动势是毛细管 进出口压差,在压差骡动下过冷的制持剂液体 进人毛细管,随后制樓剂在毛细管内的流动可分 为过冷液体区I、亚稳态液休区U、亚稳态气液两 相区ID和热平衡态气镀两相IXWpq个流动区 域，如图1所示。图1沿毛细背氏度方向的压力和温度变化制挣剂迸人毛细管后，因流动摩擦制冷刑压 力下降、此时制拎剂处于过冷状总，压降呈线性变 化*对于液休制冷剂，可以认为是不可压编流体” 对于绝热流动以证明液体温度不变，即此时制48FLUID MACHINERYVol.31tNo.5,2003徐刑温度分布应棵持进口温度。因此在

6、热力学 平衡的假设下，当制冷剂压力下降至液体温度所 对应的饱利压力时,制冷剂便雯发生由液相到吒 相的相变很卩闪发现蒙，开始闪发的位置称为闪发 点口但事实上,实验研究表明，当制冷剂压力下降 至液休温度所对应的炮和压力点，即热力学平衡 下的闪发点时，制冷刑液体并不立即发生闪发。 原因是气泡的产生和生從在满足热力学平衡的基 础上还要满足力学平衡、克服相间压力差。所 以,制拎剂液体便在毛细管内形成一个“过热“液 体区U，这一状态很不稳定，一旦受到小扰动的影 响，平衡就会遭到破坏，故称之为亚稳态液护区。 一，般当过热度达到25七，使囚蒸发温度延迟2 -3弋时，气液相间的压力差就满足气泡产生和生 成所需的

7、力学条件液体真正开始闪发*在闪发 的初期*气泡生成较少，从总体上看仍处于亚稳态 区，即皿区*但这一过程相当短暂随着气相的堆 加，制冷剂平均比容上升流速迅速加快流动的 摩擦阻力增力EU制冷剂压力加速下降，从而很快过 渡到热力学平衡下的气液两相濒动，即IV区。在 热平衡态气液两相区压力降为非线性变化，但温 度始终对应于各点压力的抱和温度。3实验装3.1宾验系统实验系统选用的是BYD-150B三星级电子温 控电冰箱，制拎工质为R12。为了获取制岭剂的 质量流届,在制冷剂回路上加装了流凰计-在吸 筑管、蒸发器前、压缩机出口以及冷瓏器后的管子 上分别澤接了 4只压力表以获取制拎剂的压力， 井在相关点上布

8、置了热电偶测鼠制冷剂温度。改 装后的实验台，既能进行毛细管内制冷剂两相流 的实验研究,又能进行电冰箱性能测试的实验研3.2测试系统制冷剂的流量由出厂标定精度为2.5级的 LZB-10型转子流量计测岀口压力表的精度为 0札其中两只低压表的量程为11«內,两只髙压表 的量程为1倚MP航利用铜-康铜热电偶及多路转 换开关取得温度信号.经数字电压表读出*4敢学樓型建宜相应的绝热毛细管数学模型，作如下 假设：(1) 毛细管内的流动为一维绝热均相流动。(2) 忽略亚稳态流动。4J 过冷液体区连续方程：m = G/ F - const(1)式中nt质量流率，kg/W皆)G 质量流鈕.焰心F截面积动

9、虽方程:dp十导才 式中p压力*Pa.f沿程摩阻系数u比容、m?/kgD内径価I长度切4.2气漉两相区连续方程；hi - C/F = co/iu( = const(3)式中z平均流速Tm/s动量方程：-如二粤才Q +亦妆能尿方程：d/iO(5)式中 h比熔,kj/l隔其中气液碉相混合物的比熔和比容可分别表 示为；hi = xhg + ( 1 - I) ft/ 45 二 SUg * 】一耳)W5结果分析 5.1 实验验证毛细管内制冷剂的质届流量取决于毛细管长 度、内径s过冷度、人口压力、出口压力以及毛细管 的相对粗糙度等参数°根据建立的数学模型，计 算了不同工况下制冷剂R12的质届流駅

10、,与实验 值比较(如表1所示)，其误差小于15%.从表中 可以看岀实验值比计算值大，这是因为本模型忽 曜了流动过程中的亚稳态现象，事实上亚稳态的 存在延长了过冷段长度，编短了两相段长度毛细 管总的沿程摩阻系数下降，导致制冷剂流量增加。制拎捌心口 10(MPa)p* ( MPh)D(nffl)it(m机小)陽(”讨£>»(%)7.85845.904114.0780.63.20,560.63712 J7.85861.600Hl.1350.63.20.57035 3口巧868,47116.0400,63,20,590.65L9.4niz0.87846屈111.1350t63

11、.20.闢0.fi023.78.9684S.347111,1350,63.20.5S0,6379.07+67841.980111.1350.63.20.56Dg7.0褰】计算值与买验值的比较注：丄为计算值，G为实雅值tD = IG -5.2数僅分析针对R12.R134a制冷剂，取卄算工况为；D = 0.77X 10'5m；2iriB6 = 4K; P = 0. 920 x ltfPajp =0,426 x ltfPa； £ = 2, 926叫图2从过拎度、毛细 管长度、人口压力和出口压力4亍方面对制冷剂 质量流量的影响进行了分析°蕉*昭時®4無«

12、逛人口压力(MPd)人口压力对质虽流量的够响R134a1岀口压力(MPh)益®N握$««量(D出口压力对质盘的谎fit的童响图£几十主娈雾數对质量流址的離响从图2可以发现，同一计算工况下R12有着 较大的质帛流量,因为它具有较小的摩阻。图2 0)中制冷剂质量流量随着过冷度的增加而不断 增加s这是因为随着过冷度的增加，汽化起始点的 压力值不断接近出口压力值，使得过冷段长度不 翫增大两相段长度不断减小;而过冷段的沿程摩 限系数小,两相段的摩阻系数大,总体上导致沿程 康阻系数的减小,引起质量流量的不斷增大。图2 (b)中质量流量随着毛细管长度的增加而不断减 小

13、、毛细骨长度较短时，对流量变化的影晌较大口 比较图2(c).(d)可以看岀入口压力对制冷剖质量 流量的影响很明显而出口压力对流量的影响假 乎不大。对制拎剂R12.R134a在毛细箭内的流动进行 了数值模拟与实验数据的比较表明，该摸型具有 较高的特度;经分析知，两种制冷剂的过冷度、毛 细管丘度、人口压力、出口压力等参数对质量流量 均有影响。本项研究对实际工程应用具有一定的 实用价值。#««Li K. Y,tLu)Sui+Chen Z. Y,f Chen Z. H,. Metnstahk Flow of R12 Through Capillary Tube&Lj *Int”L990J31J81-136.Rupasinghe A. S.、Modeling of cqpiUdry tubes far howe* hold rrfrieralDcs a/td freezers J .M. E. thesis Univeniity of Aiiekland+ AuckJsnd New ZmlandT 1996.Somchai Wongwies