毛细管绝热节流过程焓变化特性的理论分析与实验验证

　　毛细管是制冷系统常用的节流元件, 毛细管的设计直接影响到系统的运行效果。毛细管尺寸设计一般是先用图解或公式法进行初步取值, 然后通过不断的实验调试获取最优值。因此, 设计取值的准确性对调试工作量起到决定性的作用[1]。

　　一般以等焓节流特性来约束毛细管的计算, 因此,绝热节流过程在p-h图上表示为等焓直线。由于与外界的换热和流动摩擦, 实际节流过程被认为是焓增过程。研究中发现以等焓或焓增原则约束毛细管的计算都有较大误差, 因此编制了基于NIST REFPROP(美国国家标准和技术研究所开发的制冷剂及混合物物性软件)的毛细管计算程序, 对毛细管内R22制冷剂的绝热节流特性参数(比焓、流速等)进行模拟计算和分析, 在特定工况下计算毛细管长度并通过实验进行验证, 以期找到真正的毛细管绝热节流过程的焓特性以及毛细管长度计算的准确方法。

　　1 毛细管内制冷剂绝热流动数学模型

　　制冷剂在毛细管中流动分为三个阶段[2]: 入口段,属过冷液态区, 在此阶段制冷剂压力线性下降, 温度保持不变; 第二阶段, 当压力降到饱和压力时, 制冷剂并未马上气化, 它需要一个过热段, 即压力继续降低到饱和压力以下才会出现气泡, 这个过热段是不稳定的, 所以称为“亚稳态区”; 第三阶段出现气泡, 制冷剂进入到气液两相区。由于亚稳态区的不确定性,很难为该区建立数学模型, 本文忽略亚稳态区的计算。对毛细管内制冷剂流动做如下假设:

　　(1) 毛细管内径很小, 其间为一维绝热流动;

　　(2) 制冷剂液相和气相混杂均速流动, 无速度滑移, 制冷剂作均相流处理;

　　(3) 制冷剂热力平衡, 不考虑重力影响;

　　(4) 忽略生产误差, 认为毛细管截面积处处相等。

　　基于以上假设, 可以写出毛细管内制冷剂绝热流动相关方程[3]:

　　(1) 质量守恒方程。

　　(2) 动量守恒方程。

　　(3) 能量守恒方程。

　　因过程绝热且不考虑重力、流动摩擦, 则上式可以变为

　　实质为滞止焓相等。

　　而通常遵循的能量方程式是:

　　实质为焓相等。

　　以上几式中:

　　G-毛细管中质量流量, kg/s; F-毛细管流道截面积, m²; p-压力, Pa; D-毛细管内径, m; v-比容,m³/kg; h-比焓, kJ/kg; V-平均速度, m/s。

　　(4) 沿程摩阻系数f 计算。

　　采用Churchill 关联式[4]:

　　其中

　　式中ε—粗糙度; μ为动力粘度; 在ε/D无法确定时,可考虑取3.27×10^-4。对气液两相区, 动力粘度采用Cicdhitti 经验公式: