绝热毛细管两相流特性与实验研究

   

    1 引言

    毛细管是广泛应用于小型制冷设备中的节流元件,它的良好匹配对整个制冷系统的性能有着重要影响。针对目前毛细管内制冷剂两相流特性的研究大多基于两相流的均相流模型,并且大多忽略了实际存在的亚稳态现象,以绝热毛细管为研究对象,建立了两相流漂移数学模型,同时考虑制冷剂流动过程中的亚稳态现象,通过对制冷剂热力性质、热力状态参数和热力过程的计算,实现了绝热毛细管的数值计算;搭建了绝热毛细管两相流特性研究实验装置,其实验数据与数值计算结果具有较好的吻合。

    2 数学模型与程序开发

    2.1 绝热毛细管的物理模型

    过冷制冷剂进入毛细管,由于是绝热过程,忽略摩擦产生的热耗散,制冷剂的温度维持着进口温度,一直维持到压力降至该温度所对应的饱和压力时,液体才开始闪发蒸汽,该点即为/闪点0。但实验研究结果表明,由于毛细管直径很小,制冷剂的流速较大,通常情况下会出现亚稳态状态的液体)过热液体的存在。

    在研究过程中充分考虑亚稳态现象,将绝热毛细管划分成图1所示的物理模型,并在此基础上,分别对各区段建立数学模型进行数值计算和特性分析。

    图中A-A截面压力为液体饱和压力Psat;B-B截面压力为实际气化压力Pv;C-C截面为热平衡状态。

    2.2 绝热毛细管的数学模型

    假设如下:一维流动;忽略制冷剂与环境的换热量;毛细管内粗糙度均匀;管径不变。

    1)过冷液体区

    质量守恒方程:

    式中:ρl-密度(kgPm³),V-流速(mPs)。

    动量守恒方程:

    式中:P-压力(kPa),fl-液体摩阻压降系数,G-质量流速(kgP(m²•s)),D-管径(m)。

    2)亚稳态液体区

    这一段是从理论气化点开始到实际气化点,数学模型跟过冷液体区是一样的,摩阻系数也同过冷液体区,关键在于实际气化点的确定。

    根据Dekang Chen[1] 对R134a在毛细管中流动时实际气化压力的研究,其值可由下式确定:

    式中D¹为参考长度,其定义为:

    式中:Ps,Pv-理论和实际气化压力,K-波尔兹曼常数,R-表面张力,vg,vl-气体和液体比容,ΔTsc-过冷度,Tc,Ts-临界和饱和温度。

    3)亚稳态两相区

    Feburie[2]建议流动分成三个状态:过热液体(下标m),饱和流体(下标l)和饱和蒸汽(下标g)。为了估算这个段的长度,定义y为饱和相对所有相的质量比率:

    式中:P-毛细管周长,A-截面积,Pc-临界压力,p-压力,z-沿毛细管长度方向的坐标。

    由于亚稳态两相区内流体性质的复杂性,难以确定其压力p,所以用求解热平衡两相区的方法求出压力作为这里的压力,从y=0开始迭代,直到y=1,也就是说把两相都成为饱和相的点作为热平衡两相区的开始,求出亚稳态两相区的长度。