跨临界制冷循环中二氧化碳在毛细管内的流动仿真

　　由于对环境造成破坏，制冷行业中使用的传统制冷剂CFCs物质已经被淘汰，HCFCs物质也逐渐退出市场[1]。CO₂作为一种天然工质，由于其具有较好的环境友好性和良好的热力学性能，得到了前所未有的重视[1−2]。毛细管具有简单、价格低、可靠等优点，已广泛应用于制冷系统，在CO₂跨临界制冷循环中也有广泛的应用前景[3]。跨临界制冷系统中，CO₂在毛细管内的流动不同于普通蒸气压缩式制冷循环中毛细管内的制冷剂流动。CO₂以超临界气状态进入毛细管，随着在毛细管内的流动，压力逐渐降低，其状态也经历着从气体变成液体再到蒸汽的变化过程。国内外许多学者[4−7]对氟利昂在绝热和非绝热毛细管中的流动进行了全面和深入的实验和仿真研究。然而，尽管毛细管在CO₂制冷系统中应用前景广阔，但相关研究较少。王涌涛[8]对液体CO₂在毛细管内流动时的压降、干度和亚稳态特性等进行了分析，但没有进行模拟计算。Cao等[9]为了评价各种影响因素对毛细管长度的影响，建立了绝热毛细管的均相数学模型，计算了入口压力、入口温度、质量流量和内径对毛细管长度的影响。Chen等[10]建立了非绝热毛细管中CO₂的流动仿真数学模型，计算了非绝热毛细管中换热量对毛细管中质量流量的影响，但没有与实验结果进行比较。Kenneth 等[3]从实验和理论2方面研究了用毛细管控制CO₂制冷系统的高压侧压力，理论结果和实验结果较吻合，但几何参数和运行工况很窄，使其应用受到局限。Agrawal 等[11−12]提出了一个用于高温二氧化碳热泵的毛细管数学模型。综上所述，关于CO₂在毛细管中流动的研究还处于初步探索阶段，一方面，由于压力达10MPa以上，使得实验研究极为困难，实验数据极为匮乏;另一方面，理论上对CO₂在毛细管中流动的研究还不全面，也不够深入。

　　1 二氧化碳跨临界制冷循环

　　二氧化碳跨临界制冷循环如图1所示，其中：1—2—3—6为制冷循环过程;3—4—5—6表示 CO₂在绝热毛细管中等焓膨胀。根据流动状态，绝热毛细管可被分为3部分：超临界气体区、液相区和两相区。3—4为超临界气体流动段，对应毛细管长度Lsp;4—5为液体流动段，毛细管长度为 Lliq;5—6为跨临界两相流段，毛细管长度为Ltp。CO₂在毛细管中的流动经历了二次相变过程，第一次相变是当超临界气体等焓节流至临界温度时，超临界气体转变成液体，在转变过程中出现临界乳光现象[13]，时间非常短。第二次相变是液体降压经过饱和点后，会部分气化，在气化过程中出现所谓的亚稳态现象，则毛细管总长可表示为：