跨临界CO₂制冷系统中绝热毛细管性能模拟研究

　　由于CFCS和HCFCS对臭氧层的破坏作用，《蒙特利尔协议》明确禁止了CFC类和HCFC类工质的继续使用，因此一些曾经被氟利昂淘汰的天然工质重新得到人们的关注，如CO₂.由于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].

　　毛细管位于蒸发器与冷凝器之间，对制冷剂的流动起扼制作用，因具有成本低、无运动部件和能降低压缩机的启动力矩等优点而被广泛应用于小型制冷空调系统中.普通制冷系统中毛细管内的流动分为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，跨临界CO₂制冷系统中毛细管流动有别于普通制冷剂，如图1所示，毛细管中流动可分为超临界气体区(1-2)、跨临界液体区(2-3)、过冷液体区(3-4)和亚临界两相区(4-5).

　　跨临界CO₂系统中绝热毛细管的研究发展较晚.Madsen等人[2]首次建立了毛细管一维稳态均相流模型，并假设CO₂单相区比容不变.此外，Agra-wal等人[3]也建立了一维稳态均相流模型，文中提及采用Churchill和Lin摩擦系数关联式对计算结果几乎没有影响，但对采用两种关联式的计算结果，未给出任何数据进行对比.同年，Agrawal等人[4]将其模型与Madsen[2]建立的模型进行了对比，结果表明两模型计算出的质量流量相差很小.Agrawal等人[5]分别用均相流模型和两流体模型模拟了跨临界CO₂热泵绝热毛细管内的流动特性，模拟结果表明，两模型模拟结果最大偏差为8%～11%.Cao等人[6-7]通过模拟研究了不同参数对毛细管长度及各区域长度分布的影响.Yang等人[8]采用无量纲神经网络算法对CO₂毛细管和节流短管进行了数值模拟，90%的结果与实验值的误差在10%以内.关于CO₂制冷系统中毛细管的实验研究较少，Madsen等人[2]通过实验来验证模型的精确性，然而实验的工况范围很小.Luca[9]采用不同尺寸、不同材料的毛细管在不同工况下进行了实验研究.Diogo[10]对CO2毛细管进行了实验研究，测得了CO₂在毛细管中的沿程温度分布，其实验系统可进行跨临界循环，入口压力可达12MPa.

　　本文建立了CO₂毛细管一维稳态分布参数模型，分别采用3种不同摩擦系数关联式(Churchill、Colebrook、Bittle&Pate关联式)进行计算，并将模拟结果与实验值[10]进行了比较.然后，选用精度最高的关联式进行计算，研究了CO2在毛细管内的流动特性，并分析了管径、入口压力、入口温度对质量流量的影响.同时，还分析了壅塞状态下背压对质量流量的影响，以及质量流量的改变所带来的变化.