（制冷及低温工程专业论文）小型制冷装置毛细管特性研究.pdf

摘要 毛细管是最简单的节流机构，通常一根直径为0 5 2 5 m m ，长度为1 - - 3 m 的紫铜管就能使制冷剂节流j 降温。目前，毛细管在家用电冰箱、窗式空调、小 型立柜式空调器和去湿机中已被广泛使用。毛细管的结构十分简单，但制冷剂在 管内的节流过程却极其复杂，这给制冷系统毛细管长度匹配带来了很大的难度。 因此，合理匹配毛细管长度在系统设计过程中显得尤为重要。 关于毛细管内制冷剂的流动特性研究，虽然已经有很多学者进行了各方面的 探索，但在毛细管长度设计上，仍没有一个非常健全的理论设计方法，更多的是 靠实验来进行匹配。基于目前毛细管长度设计的现状，本文以小型制冷装置中常 见的绝热毛细管和制冷剂r 2 2 为研究对象，做了以下工作： 1 、研究制冷剂在绝热毛细管内的理论与实际流动过程，其中不仅考虑亚稳 态现象的存在，还重点分析了制冷剂在实际流动过程中经常出现的l 临界流现象； 关于临界流现象，本文详细介绍了不同学者的研究成果，为深入理解临界流现象 提供了多角度视角。 2 、运用两相漂移流数学模型，考虑亚稳态现象，同时重点考虑j 临界流现象， 开发一个数值模拟程序，用于制冷系统设计过程中绝热毛细管长度的匹配。在绝 热毛细管长度模拟程序开发过程中，重点确定制冷剂在流动过程中的实际气化压 力、临界流量和绝热毛细管实际出口压力。 3 、利用绝热毛细管长度模拟程序，对影响毛细管长度设计的各参数( 如冷 凝压力、毛细管入1 ：1 过冷度、蒸发压力、质量流量和毛细管内径) 进行分析，得 出各参数对绝热毛细管长度的影响趋势；分析影响绝热毛细管实际出口压力的各 参数，并得出影响趋势曲线。 4 、搭建小型制冷装置毛细管特性研究实验台，测量毛细管内有关制冷剂流 动特性的所有参数，用于绝热毛细管内制冷剂两相流特性研究；利用实验测量数 据分析管长对绝热毛细管内制冷剂特性参数的影响；利用实验数据，验证绝热毛 细管长度模拟程序的可靠性。 关键词：绝热毛细管，临界流，长度设计 a b s t r a c t n ”c a p i l l a r yi st h es i m p l e s tt h r o t t l ec o m p o n e n ta p p l i e di nt h e $ n l a u s c a l e r e f r i g e r a t i o ne q u i p m e n ta n di tc a nd r o pp r e s s u r eo fr e f r i g e r a n t t h ed i a m e t e ro f c a p i l l a r yi su s u a l l yf r o m0 5t o2 5m m a n dl e n g t ho fi ti su s u a l l yf r o mlt o3m t h o u g ht h es t r u c t u r eo fe a p i l l a r yi sv e r ys i m p l e , t h ef l o wo fr e f r i g e r a n ti ni t i sv e r y c o m p l e x i th a st a k e nd i f f i c u i t , i nd e s i g no fr e f r i g e r a t i o ns y s t e m s om a t c h i n g c a p i l l a r ys u i t a b l yi nr e f r i g e r a t i o ns y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n t a tp r e s e n t , t h e r ei st o om u c hr e s e m - e l a0 1 1t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c s ；w e l lt h e r e s e a r c ho i lt h ed e s i g no fl e n g t ho ft h ec a p i l l a r yi st o ol i t t l e t h ep r a c t i c a ll e n g t ho f c a p i l l a r yc a nb eo b t a i n e du s u a l l yt h r o u g he x p e r i m e n t i nv i e wo ft h i s ，t h i st h e s i s r e g a r d sa d i a b a t i , , c a p i l l a r ya n dr e f r i g e r a n tr 2 2 t a r g e t sa n dd o e nt h ef o l l o w i n g t h i n g s ： 1 s t u d yt h ea c a d e m i ca n dp r a c t i c a lc o l l r s eo ft h ef l o wo fr e f r i g e r a n ti nt h e a d i a b a t i cc a p i l l a r y d u r i n gt h ec o u l d , m e t a s t a b l ep h e n o m e r t o l lh a sb e e nc o n s i d e r e d ； w e l lc r i t i c a lf l u xp h e n o m e n o ni st h em o s ti m p o r t a n t a tt h es m et i m e t h i st h e s i sa l s o i n t r o d u c e sa n o t h e rr e s u l to fr e s e a r c ho nt h ec r i t i c a lf l u xp h e n o m e n o nf o r u n d e r s t a n d i n gi td e e p l y 2 u s i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft w o - p h a s ed r i t tf l o wa n dc o n s i d e r i n gt h e m e t a s l a b l e p h e n o m e n o na n d c r i t i c a lf l u xp h e n o m e n o n ，an u m e r i c a ls i m u l a t i o n p r o g r a m i s d e v e l o p e d a n da p p l i e d i n t h e d e s i g n o f l e n g t h o f c a p i l l a r y 3 t h r o u g h sn u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o g r a m , w ec a na n a l y z et l a ci n t l u e n e eo f a l lk i n d so ff a c t o r s0 nt h ed e s i g no fl e n g t ha n do nt h ep r e s s u r eo fo u t l e to fc a p i l l a r y a l t e rt h a t , w ec a ng e t8 0 1 1 1 0u s e f u lt r e n d l i n e sa m o n gt h o s ef a v o r sf o ra n a t r z i n g 4 ，e s t a b l i s h i n ga l le x p e r i m e n t a lt a b l e t h r o u g hi t , s o m ep a r a a n e t e r so ff l o w c h a r a c t e r i s t i co f r e f r i g e r a n tc a nb eo b t a i n e df o ra p p l y i n gt ot h e r e s e a r c h f o ro x a m p l e , 、v ec 龃a n a l y z et h ev a r i e t yo f t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s0 1 3 t h ed i f f e r e n tl e n g t h a t t h e $ 8 a 1 1 et i m e , w ea l s oc a np r o v et h ec o r r e c to f t h ep r o g r a mt h r o u g ht h ee x p e l i m e n t a l d a t a k e y w o r i o $ ：a d i a b a t i cc a p i l l a r y , c r i t i c a lf l u x ，d e s i g no f l e n g t h 学号 立j 0 4 - 1 d8 卫4 _ 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：徐沫 签字日期：2 舯占年扩月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸 江盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阿和 借阅。本人授权凿婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：彩度沫 导师签名 劾携 签字日期：2 加f 年占月乎日 签字日期：2 。0 0 年召月g 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 近年来，制冷空调业随着国民经济的发展和人民生活水平的提高得到了空前 的发展由于人们对生活质量要求的不断提高，在新的世纪里制冷空调行业将具 有更广阔的发展前景。然而，伴随空调业蓬勃发展的同时，空调对世界能源的消 耗也引起了世界各方的重视，各国均开始启动新型空调的研制。伴随着相关技术 与制冷空调技术的结合与渗透，新型空调的研发呈现出节能化、环保化、智能化 的特点。 我国制冷空调产量已经达到世界第一但其在节约能源、材料以及开发费用 等方面与发达国家相比仍有很大的差距。传统的制冷空调产品设计主要依赖样机 的反复制作与调试，即增加了开发费用，又谈不上产品的性能优化，不利于节能、 节材。因此，探索一条新型制冷系统设计方法，用以提高制冷系统性能、降低能 量消耗，已经成为制冷和空调技术领域的重要课题，同时亦符合“可持续发展” 国策的迫切要求。利用制冷空调装置的计算机仿真与优化技术，首先在计算机上 实现产品的优化设计，是制冷空调产品设计方法现代化的一个重要发展方向。 在制冷空调产品设计中，最主要的环节是四大部件的性能匹配设计。节流机 构是制冷装置的四大部件之一，是实现制冷循环必不可少的环节。节流机构在制 冷系统中通常是较小的部分，但由于它直接控制系统中的制冷剂循环置，因此节 流机构的容量、质量以及正确调整对保证制冷装置正常和省能运行关系重大，绝 不容忽视。基于节流机构在制冷系统中节能控制的重要地位，对节流机构的研究、 改进和更新一直为人们所关注 1 1 2 研究意义 毛细管是制冷系统中最简单的节流机构，在小型制冷装置中己被广泛使用。 采用毛细管作为节流机构的制冷装置有以下一些优点；结构简单、工作可靠、制 造容易、价格低廉和故障较少；并且大大降低了压缩机的启动力矩，使压缩 机停运后冷凝器与蒸发器之间的压力很快实现平衡。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 毛细管具有很多优点，这是它被广泛应用在制冷系统中的主要原因，但它的 局限性同样也给制冷系统的性能匹配带来了挑战。例如，由于毛细管的内径和管 长是根据特定工况确定的，即当毛细管两端压力差保持不变时，制冷剂的流量保 持定值不变。因此，当蒸发器的负荷变化时，毛细管就不能很好的适应新工况要 求所以只有在设计工况下运行时，蒸发器的传热效果才能得到最佳发挥。如果 蒸发器压力下降，容易发生制冷剂液体进入压缩机的现象；如果蒸发压力上升 则又会使蒸发器供液不足，影响系统制冷能力的发挥。由于毛细管中的流量与进 出口压力关系很大，因而在无贮液器时，要求充注制冷荆的量很准确。如所充注 的制冷剂量过多或过少，都不能使制冷装置正常工作。总之，在毛细管内径一定 的情况下，合理设计毛细管长度成为制冷系统性能匹配过程中至关重要的环节。 毛细管长度的正确选择是建立在对其内部制冷剂流动特性充分认识的基础 上。各国学者对毛细管内制冷剂流动特性的定量描述及室验研究已经取得了相当 大的进展，但由于毛细管内制冷剂经历了绝热、非绝热流动，单相、两相流动等 复杂过程，甚至还存在亚稳态及临界流等复杂现象，使得发展一个准确而实用的 毛细管长度理论定量计算方法存在定困难。 为了合理匹配系统中毛细管的长度，使系统性能最优化，本文采用计算机数 值模拟程序模拟毛细管长度这不仅是制冷系统设计方法的一种新尝试，也是空 调制冷行业不断前进的新动力。 1 2 毛细管研究的发展历程 毛细管是广泛运用于小型制冷设备中的节流元件，其内部制冷剂的流动过程 极其复杂，且不同于膨胀阀。在膨胀阀中，制冷剂通过阀孔的瞬问即完成节流过 程，而在毛细管中节流过程是在沿毛细管总长的流动过程中完成的。为了合理 设计毛细管管长，提高系统性能，自上世纪4 0 年代，国内外许多学者就针对毛 细管内制冷剂的流动特性进行了大量深入研究。本文从实验研究和理论研究两方 面进行了如下阐述。 1 2 1 实验研究历程 实验研究在所有学科的研究中均占有非常重要的地位。在制冷空调领域中， 它更显得尤为重要最初，人们对制冷剂的流动特性、制冷系统的性能匹配一无 所知，在这种情形下，唯有通过实验获得对它们的第一感性认识。这种在实验上 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 不断探索得到的经验积累为今天空前发展的制冷空调领域奠定了坚实的基础。以 下将简单介绍众多学者对制冷系统各方面进行的实验研究成果。 1 、压力、温度分布 1 9 8 4 年，m b p a t e 和d r t r e e “1 对非绝热毛细管沿管长方向的温度、压力 分布进行了测量，其实验工况与采用制冷剂9 1 2 的制冷系统运作时工况相同，结 果表明：绝热毛细管与非绝热毛细管的压力、温度分布是非常不同的。同时也得 到下面的结论：热量的传递加长了两相区的长度，同时减少了流动阻力；接近换 热器出口时，换热量沿换热器增加，故绝大部分传热发生在两相区。1 9 9 1 年， 李瑞阳。1 提出了由实验数据求取毛细管内制冷剂自蒸发流动过程中局部摩阻压 降、加速压降和总压降的方法；给出了干度、摩阻压降、加速压降及总压降沿毛 细管管长的分布；指出于度和各压降沿毛细管的分布均呈非线性。在流动特性的 描述中应考虑千度和各压降的局部变化规律。 2 、摩阻压降系数 1 9 8 1 年，m a c z e kk 和k r o l i e k iz ”提出了变摩阻系数的绝热毛细管模型， 并着重研究了两相流模型中制冷剂的亚稳态现象，这对简化的均相流模型有了一 定的改进。1 9 9 0 年，s l i n 和c c k k v o k 等人“对制冷剂r 1 2 进行了毛细管内 的摩阻压降实验，提出了r 1 2 在毛细管内两相流动过程中的摩阻压降预测模型， 此模型与实验结果吻合误差控制在1 5 以内。1 9 9 1 年，z t t c h e r t 等人“认为， 由于毛细管内径很小，其内壁粗糙度造成的影响较大，必须加以考虑，因此在计算 单相液体摩阻系数时，采用c h u r e h i l 公式“1 较为合适，该公式是c h u r e m lsw 根据m o o d y 摩阻系数图”回归而得到的适用于所有雷诺数的摩阻系数计算公式。 同年，s l i n 和c c k k v o k ”等人提出了单相和两相摩阻系数的关联式。在利用 关联式计算绝热毛细管长度时，他们充分考虑了局部摩阻压降系数、沿毛细管长 度方向制冷剂干度的变化及毛细管的粗糙度。通过研究r 1 2 在毛细管内蒸发过程 的局部摩阻压降，分析并建立了数学模型，数值计算结果与实验结果进行了比较， 误差范围在1 5 之内。 3 、流型 1 9 8 0 年，h k o i z u m i 和k y o k o y a m a t 9 1 利用玻璃透明毛细管对制冷剂的流动特 性进行实验研究，实验中测量沿毛细管长度方向的压力、温度分布，他们观察到 浙扛大学硕士学位论文第一章绪论 其压力分布与理论计算出的压力分布是一致的，但他们也同时观察到了制冷剂气 化的延迟。1 9 9 6 年，李会雄和周芳德等人1 在水一空气两相流实验台上对水平 管内由切向喷射方法产生的气一液两相切向旋流的流型进行了细致的观察和分 析，发现并定义了水平管内两相旋流的5 种流动状态，分析了其流动特点；研究 了入口气水流量、旋流强度及溢流出口溢流现象等因素对流型变化规律的影响， 并与无旋两相流的有关研究结果进行了比较。1 9 9 7 年，c h i - c h u a nw a n g 和 c h i n g s h a hc h i a n g 等人利用制冷剂r 一2 2 、r - 1 3 4 a 和r4 0 7 c 在内径6 5 m m 的 光滑管内进行实验，提出了两相流型及摩擦系数特性：实验数据表明两相流摩擦 系数的变化与流型有着密切的联系；同时表示，混合工质的流型转换要比纯工质 的流型转换有明显的延迟。2 0 0 0 年，c h i e n - y u hy a n g 和c h e n g - c h o us h i e h “4 对 水平管内径为1 0 - 3 o m ，工质为空气一水、r 1 3 4 a 的两相流流型进行了实验研 究。空气一水的实验结果与前人的研究结果比较，得到了很好的吻合。r 1 3 4 a 以 较低的气相速度就可以实现弹状流到环状流的转换，而泡状流到塞状流和弹状流 的转变很明显的受到了工作流体特性的影响得到的结论是：除了浮动力和紊流 波动外，表面张力也是小管径内流型确定的重要参数。2 0 0 1 年，0 z u r c h e r 、 d f a v r a t 和j r t h o m e “”提出了水平管内两相流的新流型图，它预测了制冷剂在 水平管内蒸发过程中管顶端的干度是热流量和流动参数的函数，同时它亦是 k a t t a n 等人绘制的流型图的一种延伸。 4 、参数之间的影响 1 9 9 7 年，c m e l o 和r t s f e r r e t r a “”等人针对不同制冷剂在毛细管中的流 动特性进行了大量的实验，研究了毛细管长度、内径、制冷剂过冷度、冷凝压力 和制冷剂种类对质量流率的影响。2 0 0 2 年，邵双全和石文星等人“”采用理论与 数值计算的方法，对制冷剂充注量和毛细管长度对空调系统性能的影响进行了分 析。为空调器的优化设计匹配、提高空调器的性能奠定了基础。 5 、亚稳态现象 1 9 5 7 年，c o o p e rl 和c h uc k 等人“”在实验中观察到的液相长度要比理论 计算的液相长度大，即使假设毛细管入口处局部损失为零也没有改善，因此得出 结论：制冷剂的实际流动过程存在气化滞后。这是首次证实制冷剂流经毛细管时 亚稳态流的存在。由于亚稳态现象的影响，若将实测到的流动条件代入数学模拟 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 公式，估算的毛细管长度将比真实长度短，若采用较高的摩擦阻力系数。只会增加 其误差。c o o p e r 等人研究了在出现气化滞后情况下影响长度的因素，包括毛细管 内径、入口压力和入口过冷度，可以总结为气化滞后长度随着过冷区内单位长度 压降的增加而增加。1 9 6 3 年，m i k o le p o ”发表了详细的实验结果，首次得到了 包含有亚稳态段的压力和温度沿毛细管长度的典型分布曲线，从中可以看出理论 气化点和实际气化点并不符合，它使得亚稳态流的研究从定性研究过渡到定量研 究。在实验中，液体亚稳态段最长可达0 7 m 。此后m i k o l 等又对亚稳态流做了 进一步的研究，认为气化是由于液相的压力波动而引起的，他引入了气化滞后系 数，并作出了气化滞后系数随雷诺数、流速和韦伯数等参数变化的关系图，但数据 点都很分散，他们认为其原因除实验装置本身引起的分散外，主要是由于气化起 始点不是宏观参数的连续函数。1 9 9 0 年，z - h c h e n 和r - y l i 等人“”利用两根毛 细管观察了制冷剂r 1 2 在实验中的亚稳态现象；并利用著名的核理论方法发展了 制冷剂在毛细管中流动的均核理论：同时建立了制冷剂理论气化点与实际气化点 之间的相互关系1 9 9 4 年，张大勇和李瑞阳等人对非共沸混合制冷剂 r 2 2 r 1 4 2 b 在毛细管内流动过程中的亚稳态流特性进行了实验研究。结果表明： 采用非共沸混合工质时，毛细管内仍然存在亚稳态现象。2 0 0 0 年，d e k a n gc h e n 和s u il i n 针对制冷剂r 1 3 4 a 进行了特性实验研究，实验结果表明，制冷剂在 通过非绝热毛细管时有亚稳态现象的出现，同时表明，这种亚稳态流存在的条件 是当毛细管与回热管之间的传热很微弱时；利用均一核理论，在非绝热毛细管中 将出现一段过热段。 6 、临界流现象 1 9 5 7 年，w h i t e s e lh a 4 1 运用均相模型对两相临界流量进行了计算，但存 在一些问题，如：误差仍在1 0 以上，特别是双相临界流动的一些机理问题与 实验仍有不符之处。其原因在于他们忽略了相间滑移，而是假定气液相流速相等。 许多学者为了解决均相模型中存在的问题，作了进一步的实验研究和理论探讨， 并建立了另一种计算精度较高的、更实用的计算模型一分相模型1 9 8 9 年，周 兴禧和晋欣桥”在关于制冷系统毛细管的特性研究中，针对阻塞流进行了详细的 研究，他们认为，制冷剂出现阻塞流时，制冷剂的速度达到了当地音速；制冷剂 的音速主要取决于制冷剂的干度，而压力却不是主要因素。1 9 9 0 年和1 9 9 1 年， 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 张慈亨等人o “”详细研究了制冷剂r 1 2 通过毛细管时的两相临界流动，并根据计 算临界流量的最小均方根的原则确定了滑移比最佳指数近些年。两种新的毛细 管i 临界流动的判别和计算方法被相继提出t 一是直接按当地声速的定义对毛细管 出口进行判别和计算。这类方法由于判别和计算同时完成，只能通过迭代。二是 根据绝热节流为熵增过程这一特征进行局部判别和计算。1 9 9 8 年。c h u n gm a ” 对分布长度模型的计算方法进行了详细研究，指出在分布长度模型中按局部嫡增 原则判别和计算临界流动容易引起数值稳定性问题，并通过等价转换，提出按局 部计算长度非负来判别和计算临界流动。2 0 0 2 年，范晓伟和龚毅1 以短管节流 件作为研究对象，针对两相临界流动中存在的非均匀性和非平衡性，详细研究了 阻塞情况下的流量特性，并对影响质量流量的主要因素如上游压力、下游压力、 过冷度或干度以及短管几何长度等作了分析。然而，由于两相临界流动过程中的 非均匀性和非平衡性造成一些新的特点，出口截面的临界速度并不能像单相流体 那样，以等同于两相均质流体音速的方法处理，它往往比过冷液体的音速低2 个 数量级。2 0 0 2 年，张春路和丁国良”运用近年来提出的一类新模型一积分近似 模型一对阻塞流动( 两相临界流动) 下的绝热毛细管长度进行了分析求解，为绝 热毛细管在阻塞流动情况下的特性分析提供了一种简便途径。 1 2 2 理论研究历程 人们在对毛细管内制冷剂流动特性进行实验研究的同时，还积极开展了理论 研究。在理论研究过程中，人们试图根据测得的边界参数( 毛细管进、出口参数 及流量等) 以及沿管长的压力、温度分布来分析研究制冷剂在毛细管内部的整个 流动过程；通过建立各种经验和半经验关系式j 理论方程，乃至数学模型。对管 内流动过程的状态变化加以预测。下面为部分学者的研究结果介绍。 1 、经验关联式 1 9 4 8 年，s t a e b l e rl a 针对毛细管内制冷剂流动特性进行了实验，并依 据实验数据绘制出了r 1 2 的毛细管长度选择曲线图，同时给出了实验关联式： 2 厶 ，以广。1 9 5 7 年，h a w h i z e s e l 首次提出了r 2 2 制冷剂两相流公式， 其公式和先前在会议上提出的r 1 2 制冷剂公式一样；这两个公式适用于入口流体 为饱和液相或气液混合状态。在这两种情况下，新气相的产生归功于流体在流动 过程中的压降，其中假定系统在制冷剂流动过程中是绝热的。1 9 9 5 年，r o b e r t 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 r b i t t l e 和w r o b e r ts t e p h e n s o n ”1 等人建立了工质为r 1 5 2 a 的家用制冷装置中 毛细管一回气管换热器性能特性关联式，用它可以预测质量流率和有效过冷度。 这些预测关联式是基于大量操作边界条件和换热器几何尺寸的实验数据演化而 来。1 9 9 6 年，p k 8 a n s a l 和a s 1 i u p a s i n g h e “1 提出了可用于绝热毛细管和非绝 热毛细管尺寸设计的经验关联式，关联式基于的假设是毛细管的长度依赖于5 个 变量：毛细管内径、制冷剂质量流率、毛细管进出口压力差、毛细管入口制冷剂 过冷度及毛细管材质的相对粗糙度。 2 、数学模型 1 9 4 8 年，b o l s t a dm m 和j o r d a nr c 在对绝热毛细管进行压力和温度 测量实验基础上，提出了基于热力学平衡状态下的均相流模型，同时假定摩擦因 子为常数，得到了绝热毛细管的解析解，其流动方程包括：质量守恒、动量守恒、 能量守恒方程。1 9 6 5 年，z u b e rn 和f i n d l a yj a 提出，尽管气液相间局部 速度相等，但实际气帽的平均速度和液相的平均速度并不相等，存在一定的漂移 流速，于是，从分相流模型中分离出漂移流模型，并且具有很好的发展前景。1 9 9 6 年，r o b e r tr b i t t l e 和h i c h a e lb p a t e 针对绝热毛细管的部分制冷剂提出了 一种理论模型同时也将此模型预测的质量流率值与实验测量值进行了比较，为 模型的准确与否提供了很好的评估i 其中最重要的工作有：通过实验数据发展了 单相流摩擦系数等式，通过比较三个两相流粘度模型找到最佳的一个模型，先前 提出的亚稳态流关系式也被很好的验证同年，t u n c a yy i l i i l a z 和s a b a nu n a l 提出了适用于大多数制冷剂的毛细管长度和质量流量设计等式，同时与现存的其 他方法和实验数据进行了比较，结果是令人非常满意的。1 9 9 7 年，王玉贵和夏 畹1 采用分布参数模型建立了毛细管的稳态数学模型，在实验验证和系统模拟的 基础上，提出了一种毛细管最佳长度的计算方法。1 9 9 8 年，丁国良和张春路等 人通过积分方法建立了毛细管内流动的近似分析模型，模型覆盖了毛细管内流 动可能出现的过冷、两相和过热3 种流动区域，给出了不同流动区域的近似积分 解。用此模型预测了制冷剂1 1 2 、r 1 3 4 a 和r 6 0 0 a 通过毛细管的质量流率，并与 分布参数模型的结果进行了比较，平均偏差小于1 ，最大偏差2 2 2 0 0 1 年， l i a n gs m 和t o n gt n 在两相区应用了漂移流模型，并给出了漂移流模型的 较为完整的方程，同时给出了空隙率、液相及气相的相对漂移速度沿管长的分布 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 情况。但是在模型中他忽略了亚稳态现象。 3 、数值计算方法 1 9 9 8 年，刁淑钧和吴勇华对制冷系统中毛细管与装置的最佳性能匹配进 行了分析，提出了用人工神经网络方法预测毛细管最佳匹配尺寸的计算模型。 2 0 0 1 年，0 6 a r c i a - v a l l a d a r e s 和c d p e r e z s e g a r r a 等人针对纯工质和混合 工质在毛细管中的热力学特性及流体动力学特性，提出了一维数值计算等式。这 个离散式方程是由一步步计算推导的。为了能考虑到过渡状态( 过冷液体区、亚 稳态液体区、亚稳态两相区和饱和两相区) ，等式做了必要的处理。所有与热物 性相关的流动变量( 焓、温度、压力、干度、速度、热流率等) 在不同区域不同 点上均被定义。此数值计算模型可以用来分析流型( 纯工质或混合工质) 、临界 流动或非临界流动状况、亚稳态现象、绝热或非绝热毛细管等。同年，s m l i a n g 和、t n w o n g 将两相漂移流模型运用到毛细管中制冷剂流动的模拟，并与实验 结果进行比较；同时还列举了r 1 3 4 a 在毛细管中的流动特性，如压力分布、空隙 率、干度、各相的速度以及相对于混合物质心的漂移速度。2 0 0 2 年，周勤和周 泽魁等人运用均相流模型建立了绝热毛细管的稳态数学模型，并开发了绝热毛 细管长度模拟的应用软件，同时对理论计算结果进行了分析。2 0 0 4 年，苏许辉 和刘楚芸1 针对非绝热毛细管内制冷剂的流动特性，采用两相流漂移流动模型， 开发了非绝热毛细管的数值计算程序。利用该程序对非绝热毛细管内制冷剂的流 动特性进行了数值计算和特性分析同年，曹勇和刘楚芸等人在考虑亚稳态现 象的基础上，基于两相流动的漂移流模型，建立了绝热毛细管内制冷剂流动特性 的数学模型。针对工质r 1 3 4 a 的制冷系统开发了绝热毛细管的数值模拟程序。 4 、机理研究 1 9 9 9 年，王金亮对微细毛细管内的蒸发传热过程进行了理论分析，提出 了其传热性能的计算方法，并作了实例计算。毛细管内的蒸发弯月面可分为平衡 稳定液膜区、过渡液膜区和弯月面弯曲区。热质传递过程发生在过渡液膜区和弯 月面弯曲区。计算结果表明：在过渡液膜区具有很高的换热系数：毛细管内径的 增大将导致毛细管内换热系数的下降。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 研究目的和内容 1 3 1 研究目的 直至目前，针对毛细管内制冷剂的流动特性，各国学者已经做了大量研究工 作，人们对制冷剂的流动特性也有了相当深入的理解。因此，当前的研究重心己 经转移到如何利用前人的研究成果，并将其应用到制冷系统合理优化设计上。 本文以小型制冷装置中绝热毛细管为研究对像，利用具有很好发展前景的漂 移流数学模型，以设计工况参数为输入量，开发一种适用于绝热毛细管长度设计 的数值模拟计算程序，为今后制冷系统在设计毛细管长度时能以最快速度、最高 质量达到最优化匹配作出一些有价值的探索性研究 1 3 2 研究内容 l 、针对绝热毛细管，运用漂移流模型，同时考虑亚稳态和临界流现象，建 立制冷剂r 2 2 在绝热毛细管内流动的数学模型；其中有如下重点参数需要确定： 制冷剂在流动过程中的实际气化压力； 制冷系统出现临界流动现象时的制冷剂临界流量； 毛细管实际出口压力。 2 、利用已建立的数学模型编制数值模拟程序，用于设计工况参数下制冷系 统毛细管长度的模拟，使制冷系统达到最佳性能工况； 3 、根据程序模拟结果进行如下分析： 分析各设计参数对毛细管长度的影响趋势； 分析各设计参数对毛细管实际出口压力的影响趋势； 4 、搭建小型制冷装置毛细管特性研究实验台，通过改变制冷系统运行工况， 测量不同长度、冷凝压力，蒸发压力和毛细管入口过冷度等参数下毛细管内制冷 剂质量流量、出口状态参数，分析毛细管长度对各参数的影响； 5 、实验数据与数值模拟结果进行比较分析，验证数值模拟程序的可靠性。 9 浙扛大学硕士学位论文 第二章绝热毛细管两相流基础 第二章绝热毛细管两相流基础 在异质物体或系统中，各存在分界面的独立物质称之为相。众所周知，自然 界常见的物质有三相：固相、液相和气相。因此，由任意两种存在分界面的独立 物质组成的物体或系统称之为两相物体或两相系统。 两相物体的流动称之为两相流。气液两相流根据物质组分的不同又可以分为 两种。由同一组分的两种相组成的气液两相流称为单组分气液两相流。由不同组 分的两种相组成的气液两相流称为双组分气液两相流。根据换热情况的不同，气 液两相流还可以分为绝热气液两相流和有热交换的气液两相流。本文研究的毛细 管内制冷剂流动属于单组分绝热气液两相流。 本章主要对绝热毛细管内制冷剂的两相流动基础知识进行详细介绍，为本文 后面的毛细管长度数值模拟提供理论依据。 2 1 多相流动的特点 多相流动是自然界、人类日常生活和工程技术中最常见的自然现象，它比单 相流具有更广泛的普遍性和实用性，但物理特性及数学描述却要复杂得多，概括 起来，大体上有如下特点： 。二，二 。 1 、物性变化临界值降低：单相流是单成份的，通常物性变化较小，而在多 相流中至少有两种成份或两种状态，其物性将随容积比、重度比和温度等参数变 化，所以多相流中必需定义更多的物性参数。例如密度，就需要定义各相的分密 度和两相流密度；又如体积，就需要定义各相的容积率等参数。 2 、能耗增大或减少：单相流中，若不计粘性损失就没有能耗，但在多相流 中，即使不计壁面边界粘性损耗，也有相问摩擦损失和蒸发或凝结引起的速度能 损失，所以多相流能耗一般比单相流大。但若在流体中加入少量高分子物质而形 成两相流动，其阻力系数可以降到比单相流还低，可以起到减阻的作用，其能耗 将比单相流还低。 ， “tt f 一 3 、流型复杂多变：在单相流中有层流和湍流之分，而在多相流中，除此之 外，还要根据相间的相对位置、相对含量、相对速度和相对温度而分为各种流动 形态( 流型) 而且各种流型又随物性( 如重度、粘度、表面张力、传热系数等) 、 流动条件、物形、边界条件、热负荷及压力等不同而发生变化。 浙江大学硕士学位论文第二章绝热毛细管两相流基础 4 、相间相互作用强：单相流不存在相间的相互作用。但在两相流中。不仅 有两相流间的相互作用。而且一相间如颗粒与颗粒之间也存在相互作用。这种相 互作用除了极稀薄流动外，一般是较强的，如何来描述这些作用是多相流动研究 的一个重要课题。 5 、界面扰动：在相界面上，若存在浓度梯度，温度梯度、电荷或化学反应， 均会引起表面张力的改变，促使界面产生自发收缩、局部扰动、分裂、振荡等现 象。 6 、数学描述难度大：单相流中只有体积力、辐射热交换和化学反应是发生 在微元体积上，其它作用只施予微元体表面，数学上较易描述。而在多相流中， 相问摩擦、传热、传质、化学反应等都发生在微元体内部，相互作用强，因此描 述这种现象的守恒方程( 质量、动量、能量和组分方程) 、辅助公式和定解条件， 不仅数量多、形式复杂，而且方程组的非线性程度和耦合程度都大为增加，这就 给数值解法提出了新的问题和要求。数值计算方法促进了多相流的研究和发展， 而多相流的复杂性即促进了数学模型的发展，又促进了新计算方法的研究 7 、声速和临界速度不同：在单相流中。只要假设流动是热力学平衡和等熵 的，其声速( 小扰动波传播速度) 和临界速度就是一样的；而且只要流道出口或 喷管喉部流速达到声速流动就处于临界状态。但在多相流动中，由于相间存在 速度差，各相特性不一，临界速度与声速并不是同义词。 通过对多相流动特点的分析，j 品见两相流动研究的复杂性。正因其复杂，两 相流研究正日益受到各国专家、学者的关注，深入正确认识两相流动特性将会给 我们的日常生活、生产及技术的发展带来无限动力 2 2 制冷剂在绝热毛细管内的流动特性 在制冷空调系统中，毛细管内制冷剂的流动为绝热两相流。毛细管的结构虽 然简单，但制冷剂在管内的节流过程却是十分复杂，不仅要考虑两相流动，还要 特别关注亚稳态和临界流现象，因为它们对毛细管节流效果起到了至关重要的作 用。在膨胀阀中，制冷剂节流是在通过阀孔的瞬间进行的；而在毛细管中，节流 过程是沿着整个管长逐步进行的。这要求我们必须对毛细管内制冷剂的流动过程 有较深入的研究，否则制冷系统毛细管长度最佳匹配就无从谈起。下面将从不同 侧面分别介绍绝热毛细管内制冷剂的流动过程。 祈让大学碰士学位论文 第二章绝热毛细管两相流基础 2 2 1 理想平衡状态下的流动过程 理想平衡状态下的流动过程指：制冷剂在绝热毛细管内节流降压，当液相向 气相转化时，制冷剂处于理想平衡状态。结合图2 1 ，详细介绍制冷剂在此流动 过程中的流动特性。 p p 1 p 2 p 3 p 4 l ” 一 l 越 舰 榷。 22 、 - - ，一 溉 甑 l r 1 i3 、 l 4 w l 、缸 图2 1 制冷剂( r 2 2 ) 在绝热毛细管中的节流过程 l 、当压力为p l 的过冷液体进入毛细管节流时，1 2 过程是过冷液体的节流， 在该过程中，过程压力由p 1 降至p 2 ，温度保持不变( 即t l = t 2 ) ； 2 、状态点2 的温度t 2 为压力p 2 下的饱和温度，从状态点2 开始，原来的过 冷液体因压力降低已经达到饱和状态。所以2 - 3 过程是气、液两相的饱和湿蒸气 节流过程，在该过程中，压降率增加，温度明显下降，毛细管出口段出现低温( 结 露或结霜) ： 3 、湿蒸气在毛细管中流动时，若出口压力p 3 达到其临界压力p c ，则出口压 力不再因蒸发压力p o 的降低而降低。图中虚线3 - 4 过程为湿蒸气在蒸发器中的 降压过程。 以上描述了制冷剂在理想平衡状态下流动时特性参数的变化，引起其变化的 原因详细解析如下： 假设毛细管入口处制冷荆液体为过冷态，则管内流态将出现纯液相流动和气 液两相流动两个阶段。过冷液体制冷剂( 压力为p i ，温度为t 1 ) 进入毛细管， 因存在液相流动阻力，制冷剂压力逐渐降低，而温度保持不变；流动中液体过冷 断扛大学硕士学位论文第二章鲍热毛细管两相流基础 度逐渐减少，直至压力降到与t 1 对应的饱和压力值p 2 ( 图中2 点) ，这个阶段为 纯液体流动。此后，制冷剂压力继续下降，液体中出现闪蒸气体，转变成气液两 相流动。由于气液混合物密度增大，流速将增大，致使流动阻力明显提高，故沿 流动方向压力降低的速率越来越快，温度则随压力按饱和对应关系变化，直至毛 细管出口。制冷剂在毛细管出口处的状态与背压( 即蒸发压力) 有关。一定尺寸 的毛细管，在入口制冷剂状态一定的条件下，存在一个对应的临界出口状态( 压 力为p c ，温度为t c ) 。当背压高于临界压力时，制冷剂在毛细管出口处的压力等 于蒸发压力，并且随着蒸发压力的下降而降低，直到背压等于临界压力，毛细管 出口达到临界状态，这时流量达到最大。背压继续下降，低于临界压力时，毛细 管出口处制冷剂将仍然维持i 临界状态，不随蒸发压力的变化而改变，即出口压力 始终等于临界压力p c ，然后在蒸发器中自由膨胀到蒸发压力p 0 以上分析为制冷剂在理想平衡状态下流经毛细管的过程，其中未考虑非平衡 因素( 即亚稳态现象) 的存在。通过上述分析，可以得到如下结论：由于小型制 冷装置在正常工况下运行时，毛细管背压通常均低于i 临界压力，使得毛细管的供 液能力主要取决于它的结构参数( 内径、管长) 和制冷剂进口的状态参数( 压力 和温度) ，而与出口状态基本无关；因此，当毛细管的内径、长度以及制冷剂的 进口压力确定后，若制冷剂的过冷度增大。则其在管内流动时气、液两相状态的 出现就推迟，通过的制冷剂量就增加；换个角度而言，由于蒸发器的蒸发压力通 常均低于毛细营出口处的临界压力，因此，当蒸发器的负荷变化时，经过毛细管 的制冷剂流量基本不变，则蒸发压力也不改变，但流出蒸发器的制冷剂过热度将 有较大的变动。 尽管理想平衡状态下的制冷剂流动过程与实际制冷剂流动过程不完全相同， 但它却为我们理解、研究两相流动提供了正确的导向。 2 2 2 非平衡状态下的流动过程 非平衡状态下的制冷剂流动过程指：制冷剂在绝热毛细管内节流降压，当液 相向气相转化时，制冷荆处于非平衡状态，即处于过热状态。亦有学者将此现象 称之为。亚稳态现象”。亚稳态现象对制冷系统性能参数的影响至关重要，深入 研究亚稳态现象已经成为空调制冷业合理匹配系统的关键因素之一 1 、亚稳态现象 1 3 浙江大学硕士学位论文 第二章绝热毛细管两相流基础 亚稳态现象是指工质在流动过程中，压力低于对应温度下的饱和压力，或者 温度高于对应压力下的饱和温度时，气化滞后的热力学非平衡流动现象。通俗的 讲t 即毛细管内制冷剂的气化起始点并不是发生在热力饱和状态点，而是发生在 该点下游的某一位置，亦即当温度、压力达到饱和状态时错冷剂并不会蒸发，而会 延迟到压力更低点才开始蒸发。 亚稳态流有两个特征参数：气化过热和气化欠压，其定义如下： 气化过热；气化起始点的过热度。 气化欠压：气化起始点温度对应的饱和压力与该点实际压力之差。 亚稳态现象的存在对制冷系统流量及压降的影响不容忽视。有文献”1 指出， 在亚稳态现象中，过热度一般为2 - - 5 1 3 ，因而气化滞后了2 - - 5 c 。由于气化滞后， 毛细管的长度增加，同时出口温度降低，亦推迟了f 临界流的出现。由此可见，实 际计算中切不可忽视亚稳态现象的存在，其气化滞后的大小主要取决于毛细管进 口制冷剂过冷度、毛细管内径及制冷剂质量流量。 2 、制冷剂实际流动过程 结