考虑亚稳态的绝热毛细管流动性能的理论研究

　　1 前言

　　毛细管是小冰箱、家用空调器上用的最多的节流机构,它主要是靠其管径和长度的大小来控制液体制冷剂的流量,以使蒸发器能在适当的状况下工作。它具有四个显著的特点:简单、可靠、价廉,以及在停机后可以平衡压力(减小了压缩机的启动力矩)。但是其缺点是变工况时调节能力差,容易被杂质阻塞和制冷剂充注量要求严格等。

　　毛细管与压缩机之间的流量平衡直接影响到蒸发温度的变化,从而影响整个系统的性能,因此对其流动特性进行研究,将螺旋形有利于整个制冷系统的匹配设计和高效运行。目前,许多学者对毛细管流动特性进行了大量的研究[1-6]。S.WongW ises[1]研究了制冷剂流经毛细管时的分相模型,将毛细管内的制冷剂分为过冷区和两相区。杨娅君[2]和S. M. Liang[3]建立了制冷剂在毛细管内两相流动的漂移流动模型,但上述模型中均忽略了亚稳态流动和壅塞流现象。张春路等[4-5]建立了毛细管内两相流动的一阶积分模型和平均参数模型,但均未考虑亚稳态流动的影响,而亚稳态流动是大量存在于实际运行工况中的。文献[6]以熵最大原则建立了临界流状态下毛细管出口临界状态的参数关联式,分析计算了进口压力和内径对出口临界参数的影响,但是模型中对毛细管的研究仅限于长直毛细管,没有考虑毛细管呈螺旋形所产生的局部阻力的影响。本文以绝热毛细管为研究对象,建立了毛细管均相流数学模型,同时考虑了“亚稳态流动”、“壅塞流”现象和毛细管呈螺旋形所产生的局部阻力。计算结果与已发表论文的试验数据进行了对比,吻合较好,因此本模型的建立对以后实际的工程应用、实验研究和制冷系统毛细管的匹配研究有一定意义。

　　2 毛细管的数学模型

　　毛细管中亚稳态段流动十分复杂,其物性参数比较难确定,但是如果不考虑亚稳态区将导致较大的误差,Kuehl[7]在自己的研究文献中指出:如果不考虑亚稳态区域的存在,计算结果比试凑法的结果小,长度误差最大可达25%;而考虑该区域,则误差可减少到5%以内,最大也不超过7%。因此本文将整个毛细管内的流动视为单相液体区、亚稳态液体区和气液两相区。图1为毛细管的物理模型,并在此基础上分别对各区段建立数学模型。

　　毛细管内制冷剂的两相流是一种均匀的雾状流,这在标准试验中已经得到证明[6],因此本文研究毛细管不考虑相间滑动而采用均相模型,这样可以大大简化模型。由于动量方程在求解上的困难,本文采用经验压降公式代替动量守恒方程。

　　为了简化计算对毛细管作如下假设:

　　(1)毛细管在管内的流动是一维流动;