跨临界CO₂制冷(热泵)系统中毛细管研究进展

　　1 引 言

　　由于CFCS和HCFCS破坏地球臭氧层和产生温室效应，因此在制冷行业采用高效、绿色环保的制冷工质成为当前社会共同关注的问题。天然工质CO₂因其优良的热力学特性和物理性质而倍受关注。CO₂具有价格低廉、易于获取、无毒、不可燃、低压缩比、高单位容积制冷量等特性，已成为非常具有潜力的替代制冷工质［1］。

　　节流机构位于冷凝器和蒸发器之间，对制冷剂的流动起扼制作用。节流机构对系统的运行特性起重要的作用。根据横截面积的不同特点，节流元件可以分为两类: 恒定截面积和可变截面积。可变截面积节流元件主要是热力膨胀阀和电子膨胀阀，可以根据不同的运行工况而改变其节流面积，从而起到调节制冷剂流量的作用，膨 胀阀主要应用在有变化热负荷的较大的系统中。在恒定截面积节流元件中，根据不同的长径比 L/D，又可分为 3 类: 小孔( L/D ＜ 3) ，节流短管( L/D =3—35) 和毛细管( L/D20) 。固定截面积的节流元件由于低成本、无运动部件和降低压缩机的启动力矩等优点而被广泛应用在小型制冷空调系统中。

　　本文主要对国内外 CO₂跨临界制冷( 热泵) 系统中的毛细管的研究进展进行介绍。

　　2 毛细管

　　毛细管是小型制冷系统中结构最简单的一种节流装置。在 3 种固定截面积节流元件中，毛细管得到最广泛的应用，家用设备包括冰箱、空调和减湿器都采用它作为节流元件。依据不同的运行条件，毛细管又可分为绝热和非绝 热两类。卤烃和烃类制冷剂在毛细管内的整个流动过程可以分为 4 个区域: 单相过冷液体区，亚稳态过热液体区，亚稳态两相区和气液两相区。

　　然而用于 CO₂跨临界制冷( 热泵) 系统的毛细管明显不同于普通亚临界循环，因为在跨临界循环中T、p 为 2 个独立变量。且由于 CO₂在 临界点及其附近的独特性质，对应最大 COP 存在一个最优压力。一般气冷器出口温度由环境温度决定，则出口压力这个独立变量可被控制。控制高压侧压力不仅可以控制系统制冷量还可以使系统获得最大 COP。由于毛细管能非常方便和有效的控制气冷器出口温度，毛细管在跨临界 CO₂制冷循环中起着很重要的作用。

　　国内外不少学者迄今对一般制冷剂在毛细管内的流动已有较多研究，但对纯天然制冷剂液体 CO₂在毛细管内的流动的研究却较少。

　　2． 1 绝热毛细管

　　许多学者对卤烃和烃类制冷剂在绝热毛细管中的流动做了研究。Cooper［2］等人通过玻璃毛细管可视化实验研究时发现了蒸发过程的亚稳态现象。Chen 等［3］( 2000) 将毛细管内的整个流动过程分为 4个部分，分别是过冷液体区，亚稳态过热液体区，亚稳态两相区和热力平衡两相区，然后分别对 4 个区域进行分析而得到关联式。Z Yu feng 等［4］( 2005) 提出了包括亚稳态液体区和亚稳态两相区的均相流模型，用来推测不同摩擦因素、不同两项区粘性关联式对毛细管模拟的影响。