考虑亚稳态的绝热毛细管模型与计算

    符号表

    ρ:密度kg/m³                       V:流速m/s

    p:压力    f:摩阻压降系数

    D:管径    mK:波尔兹曼常数

    v:比热容J/(kg•K)     Re:雷诺数

    ΔTsc过冷度    KT:温度K

    P:毛细管周长m    A:截面积m2

    h:比焓J/kg    g:重力加速度m/s2

    x:干度    L:管长m

    m:质量流量kg/s    ε:粗糙度

    ps:理论汽化压力Pa    pv:实际汽化压力Pa

    z:沿毛细管长度方向的坐标    σ:两相流表面张力N/m

    G:质量流速kg/(s•m²)    cp:比定压热容J/(kg•K)

    α:空隙率    C:常数,本文取1.48

    下标

    :l液相    c:毛细管内制冷剂参数

    g:气相    :t两相

    m:混合物    in:毛细管进口

    sa:t饱和参数    ou:t毛细管出口

    1 引 言

    毛细管是普遍使用于小型制冷设备中的节流部件,制冷系统中毛细管的匹配对系统性能有着举足轻重的作用。目前对毛细管内部两相流动特性的研究主要是基于均相 流模型,特别是大多忽略实际存在的亚稳态现象。研究证明[1],在一定的质量流量下,不考虑亚稳态的修正,流动模型预测的毛细管长度比实际管长大约短 25%左右,这将造成较大的误差。本课题对制冷剂在绝热毛细管内流动特性进行了分析,考虑亚稳态的影响,基于两相流的漂移流模型建立了相应数学模型,开发 了长度匹配数值模拟程序,并对计算结果进行了分析。

    2 理论模型

    2. 1 绝热毛细管中制冷剂流动特性分析

    制冷剂在绝热毛细管内流动时压力与饱和压力沿管长的分布[2]如图1所示。

    制冷剂进入毛细管后,因流动摩擦产生压降,制冷剂压力下降,这时制冷剂温度分布应保持进口温度。在热力学平衡的假设下,当制冷剂压力下降到液体温度对应的 饱和压力时,制冷剂便无法保持液体状态,要发生由液相到气相的相变。但事实上,当制冷剂压力下降至液体温度对应的饱和压力点时,由于气泡的产生和生长在满 足热力学平衡的基础上,还要满足力学平衡,制冷剂液体并不立即发生闪发。在毛细管内形成一个/过热0液体区Ⅱ,这一状态是很不稳定的,一旦受到小扰动的影 响,平衡就会遭到破坏,故称之为亚稳态液体区。到达图中的b点时,气液相间的压力差已满足气泡产生和生成所需的力学条件,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Ⅲ区。但这一过程相当短暂,因为随着气相份额的增加,制冷剂平均比热容上升,流动速度迅速加快,流动的摩 擦阻力增加,制冷剂压力加速下降,气泡的生成趋于剧烈而无序,力学平衡要求削弱,热力学平衡势占据主导地位,从而很快过渡到热力学平衡下的气液两相流动, 即Ⅳ区。在热平衡态气液两相区压力降为非线性变化,而温度始终是对应于各点压力的饱和温度。