液体CO2冷藏车制冷系统的毛细管长度与厢体冷负荷匹配的实验研究

    1 引言

    在冰箱、空调器以及其他一些制冷装置中,在冷凝器和蒸发器之间,要保持一定的压力差,以维持制冷剂的流动,而且由于制冷剂充注量一定,不需特别对制冷剂的 流量进行调节,一般使用一根内径很细的铜管起节流降压的作用,即毛细管。毛细管诞生于上世纪三十年代[1],在1942年取得专利[2],毛细管通常内径 为0.5~3mm,长度依不同的运行系统而所不同,一般在400~6000mm之间。到目前为止,国内外不少学者对毛细管本身内部流动有较多研究,而对毛 细管长度的选择计算却研究较少,而后者更具有实际意义;对使用压缩机制冷的制冷系统中的毛细管研究较多,而对于以液体CO₂(R744)为冷源,不使用压缩机制冷的冷藏车中的制冷系统,采用毛细管作为节流降压的研究尚未看见报道。由于液体CO₂的 特有的性质,即沸腾温度低于其凝固点(-56.6℃),它在蒸发过程中将有一部分会闪发为干冰,特别是在压力突降中这个比例相当大,短时间内将会堵住喷淋 管道。如采用毛细管节流降压,不但可以解决堵塞问题,而且可以很好的控制其质量流量,从而避免了冷量的浪费,可谓是一举两得。

    2 制冷剂在毛细管内的流动特征

    一般情况下,制冷剂在毛细管内的流动是一个由于降压而自蒸发的由单相液体到气液两相的复杂的流动过程[3~6],如图1所示,图中横坐标为管长l,纵坐标为压力p。

    从图中可以看出,制冷剂的整个流动过程可以分为三个区域:单相过冷液体区,亚稳态区(包括亚稳态过热液体区,亚稳态两相区)和气液两相区。在过冷液体 区,制冷剂温度基本不变,而压力线性下降;在亚稳态区域,尽管压力已经下降到温度所对应的饱和压力,但气化并没有立即发生,而是在下游的某一点才开始,这 是因为液体的气化是需要过热度的;在气液平衡两相区,压力和温度都下降得很快,这是由于摩擦产生的压降以及气相的产生而使压降增大而造成的,此时已处于热 力平衡状态,即压力为温度所对应的饱和压力。这是一般制冷剂在毛细管内的流动情况。

    液体CO₂在毛细管内的流动情况与一般制冷剂是有所不同的,首先在贮罐中的液体CO₂在处于饱和状态,故不会出现过冷液体区。实验分析得出,其流动过程应是亚稳态I区(亚稳态过热液体区,亚稳态两相区),气液两相区,亚稳态II区(亚稳态过冷三相区,亚稳态三相区)和固、气两相区,即它的流动特征较一般制冷剂在毛细管中的流动特征更复杂(如图2所示)。

    前已述及,由于液体CO2的特有性质,即标准大气压下蒸发温度(- 78. 5℃)低于其凝固点(-56.6℃),它在蒸发过程中将有一部分会闪发为干冰,故液体CO₂与一般制冷剂在毛细管内的流动情况与一般制冷剂是有所不同的,首先在贮罐中的液体CO₂在 处于饱和状态,故不会出现过冷液体区。反应在压焓图上的过程如图3所示。处于饱和状态的LCD(一般为Ps=1.8MPa, Ts=-22.9℃)进入毛细管后,理论上它是一个绝热膨胀过程,竖直向下走,逐步汽化直到压力降到0.528MPa,对应温度为-56.6℃时,开始出 现凝固;接着仍然竖直向下,体积继续膨胀,直到压力降到0.2 MPa时,会出现一个突变,即压力突变到标准大气压。