二氧化碳制冷系统毛细管的设计及实验研究

　　引 言

　　毛细管是制冷空调装置中常见的节流元件之一[1],具有简单、可靠、廉价的特点。其作用是对从冷凝器中出来的高压液体进行节流降压为蒸发压力,还能在停机周期内平衡系统高低压力,降低压缩机对电动机启动扭矩的要求。它的广泛应用使得各国研究人员对其特性展开了研究。对于常用制冷剂(如R134a、R410A等)的毛细管的设计,可以采用设计手册中的毛细管选型曲线,也可以通过各种经验和半经验关系式、理论方程和数学模型[2]对管内流动状态加以预测,以得到参考尺寸。

　　作为CFCs和HCFCs制冷剂的替代,自然工质二氧化碳越来越受到国内外制冷界的重视[3-5]。本文设计的毛细管是应用在二氧化碳跨临界循环制冷系统上,由于二氧化碳一些特殊的热物性,使得其节流特性有别于其他传统制冷剂, Neeraj等[6]对二氧化碳热泵系统毛细管进行模拟计算,特别对两相区黏度公式进行了比较,但缺乏实验验证。本文利用较为均相绝热的毛细管计算模型,结合二氧化碳的热物理性质,计算了二氧化碳在管内的流动特性,并且在实际系统上对选定的毛细管的特性进行研究,对二氧化碳制冷系统的设计有一定的参考价值。

　　1 毛细管的数学模型

　　毛细管数学模型是基于质量守恒、能量守恒以及动量守恒方程,且假设制冷剂在毛细管内部流动为汽液相平衡下的一维绝热均相流动。其基本方程为

　　连续性方程

　　能量方程

　　动量方程

　　摩擦阻力系数选用Filonenko[7]公式计算(实验验证范围为:Ref=2300~106)

　　二氧化碳在跨临界循环系统中节流过程是从超临界区(1)2)到过冷区(2)3),再到两相区(3)4),如图1所示。环境温度设定为32e,虽然气冷器出口温度设计40e左右,而在二氧化碳制冷系统中使用了回热器在设计中回热器热侧出口状态可以在临界点附近,因此在设计毛细管时,将流动过程分为两个区域分别进行计算,而忽略超临界区。为简化计算,也不考虑亚稳态[8]区。

　　1.1 过冷区

　　在过冷区,过冷液体比容变化不大,看作不可压缩流体,由能量守恒方程,该过程中焓值也看作不变,只是压力受到阻力作用而下降,由动量方程式(3)可以推出过冷区毛细管长度计算公式

　　1.2 两相区

　　因为两相区的物性变化较大,不能按线性变化计算,所以需要将两相区分成若干微元。已知该二氧化碳制冷系统用于冷柜,其环境温度、蒸发温度及负荷已确定,即毛细管出口压力已定。将过冷区出口压力(即饱和点压力)与所要求的毛细管出口压力分为n等份,每一小微元的压差为$p=p2-p3n,这样任一个节点i的压力可以计算出来,即pi=p2+i$p。只要计算出每一个压降所需要的毛细管长度($Li),最后求和即可。