跨临界CO2节流短管流量特性实验研究

    20世纪80年代以前,高效、节能一直是制冷界关心的主要问题.然而,1974年,有关氯、溴对大气臭氧保护层破坏的发现促使人们把目光聚集在关注自然工质的替代研究上.针对CO₂的临界点温度(31°C)低的特点,Lorentzen[1]率先提出了CO₂跨临界循环理论,随后国内外各大公司和研究机构相继开展了CO₂系统及零部件的研究[2～4].但关于节流机构方面的研究尚未见报道.

    节流短管有无运动部件、成本低的优势,在传统汽车空调系统中广泛应用.从工程应用的角度看,制冷设备的设计者关心的问题是系统各部件的匹配,其中的核心问题就是节流短管的流量和压降特性的匹配.故对节流短管研究的目的就是找出制冷剂的流量与运行参数及短管几何结构之间的关系.

    文献[6～9]中分别研究了水、R12、R22在节流短管内的流动特性;文献[10,11]中则采用相同的研究方法,综合研究了R22、R134a、R134a/168SUNSI PAG混合物在节流短管内的流量特性,拓宽了经验模型应用范围;文献[12]中得出适用于R12、R22、R502、R134a、R407c、R410a多种制冷剂的经验模型,然而由于制冷剂物性的差别导致其工作条件各不相同,这就使得现有的经验模型无法适用于所有制冷剂,每出现一种新型制冷剂,需要补充新的实验数据重新拟合.

    跨临界CO2制冷系统具有节流前状态处于跨临界区、节流前后高压差(7 MPa左右)的特点以及CO₂显著不同的热物性使得其流动特性及相变机理与传统制冷剂显著不同.因此对CO₂系统节流机构流量特性的研究显得尤为重要.本文以节流短管为研究对象,探索各种运行参数、结构参数和节流短管流量之间的关系.

    1　实验装置

    1.1　实验台设计

    实验台为闭式系统,是在CO2汽车空调系统性能实验台的基础上改造而成.如图1所示,系统由3个回路构成:①包括节流机构测试段的制冷剂回;②蒸发器室温、湿度及风量控制回路;③气冷器侧温度、风量调节回路.测试段的进出口参数可通过3个回路进行调节和控制.

　　压缩机转速通过调节变频器的输出频率进行调节,转速调节范围400～3 600 r/min.测试段入口压力通过调节压缩机的转速实现,设计一旁通管路,其上安装一手动针型阀便于精确地调节实验段上游压力.测试段支路安装一DMF-1-2.5型Coriolis质量流量计,用来测量通过节流机构的流量.

    节流短管入口温度通过调节气冷器迎面风速及温度实现.节流机构测试元件出口压力通过调节旁通支路的手动阀进行粗调,当下游压力接近设计压力时(相差0.1 MPa左右),调节蒸发器的风量和温度,直到下游压力达到设计要求.