短管节流件的流量特性_范晓伟

第17卷 第2期

郑州轻工业学院学报(自然科学版)Vol.17 No.2 2002年6月JO URNAL OF Z HENGZHOU INSTITUTE O F LIGHT INDUSTR Y (Natural Science)Jun.2002 收稿日期:2002-01-03

基金项目:河南省科技攻关项目(9711212)

作者简介:范晓伟(1966)),男,河南省渑池县人,中原工学院副教授,博士,主要从事制冷空调系统的优化和节能以及新

型制冷循环的分析研究;

龚毅(1954)),男,江苏省南通市人,郑州轻工业学院教授,西安交通大学博士研究生,主要从事制冷空调系统中的工程热物理问题和室内空气品质的研究.

文章编号:1004-1478(2002)02-0033-04

短管节流件的流量特性

范晓伟1, 龚 毅2

(1.中原工学院纺织工程系,河南郑州450007;

2.郑州轻工业学院,河南郑州450002)

摘要:制冷剂流经短管节流件时具有两相临界流动非均匀性、非平衡性的特点并存在阻塞情况,而影响质量流量的主要参数有上游压力、下游压力、过冷度或干度以及短管几何尺寸等.近年来有关制冷剂流经短管节流件的两相流动模型主要有由实验结果直接关联的半经验模型和基于一些假设而建立的分析模型,而它们都是针对某种工质而言的,不适应当前空调制冷及热泵系统所采用的工质种类较多的状况.因此,建立普适性好、在热力学参数变化较宽的范围内仍有较高精度的质量流量模型是有待进一步研究解决的问题.

关键词:短管节流件;两相流动;质量流量

中图分类号:TB61 文献标识码:A

0 引言

节流膨胀装置是制冷系统重要且不可缺少的组成部分,通常按照流通截面是否有变化将其分成定截面节流件和变截面节流件.短管节流件是指长度和内径比在3~20范围内、且内径<2mm 的细管段、同毛细管一样的定截面节流件.它的主要优点是价格低廉、可靠性好、便于安装更换,只要尺寸设计合理,变工况时能较好地进行自动补偿,并取消了热泵系统用于判别制冷剂流向所增设的检查阀等.短管节流件已被越来越多地用作汽车空调、家用空调及热泵中的膨胀节流装置,以控制系统中由高压侧冷凝器出口到低压侧蒸发器入口的制冷剂流量.在所涉及的空调制冷和热泵系统中,短管入口处制冷剂的状态一般为液相,出口则为低干度的汽液两相.为了正确预测给定工况下制冷剂流经短管节流件时的质量流量,就必须搞清质量流量与热力学状态参数和短管几何尺寸间的关系,建立起合适的计算模型.Aaron [1],Kim [2~4],Krakow [5],Kuehl [6],Mei [7],Obermeier [8]和Payne [9,10]等人曾分别针对一些制冷工质在可能的压力、过冷度或干度、过冷温度等热力学参数变化范围内,对不同几何尺寸和形状的短管节流件的流量特性进行了实验和理论研究.本文将主要讨论制冷工质流经短管节流件时的流动特性和影响质量流量的主要因素,并对现有的质量流量计算模型加以分析.1 制冷剂流经短管节流件时的流动特性

制冷剂流经短管节流件时的流动特性,主要受进、出口状态参数和短管的形状与几何尺寸等因素的影响.在进口处为过冷液体时制冷剂流经短管的流动特性如图1所示.AB 区域处在较低的压差范围内,此时,工质为单相液体,流量与压差间呈现m ~($P )1/2关系.从B 点管内流体收缩面处开始,压力达到了上游温

#34#郑州轻工业学院学报(自然科学版)2002年 度所对应的饱和压力,曲线呈现出不连续性.从B 到C 液体蒸发越来越多,不过该区域内管壁能够冷却蒸汽,流量与压差无关,该段称第一级阻塞区或第一级临界流动.达C 点后,管壁长度不再能完全冷却蒸汽,产生一种自由射流型流动,m 与$P 间又建立起1/2次方关系.在CD 区域,流型是蒸汽环绕液体核,尽管该区域液体压力低于饱和压力,但液体核速度较高阻止了沿短管长度方向蒸汽的发生,液体核处于拟稳态或不平衡态,压力近似为下游压力.如果下游压力进一步降低,因液体表面张力阻止了气泡的形成,就会出现二次阻塞或第二级临界流动(参见图1中的DE 段,阻塞的位置在管子末端

).

图1 质量流量与压差间的关系 在空调制冷和热泵系统中,就其工况参数变化范围而言,蒸发

器的蒸发压力较低,制冷剂基本处于第一级两相临界流动区域.按

照单相流体临界流动的定义,即给定上游参数,降低下游压力所能

得到的最大可能流量时的流动,此时将出现流动阻塞现象.然而,

由于两相临界流动过程中的非均匀性和非平衡性造成一些新特

点,出口截面的临界速度并不能像单相流体那样,以等同于两相均

质流体音速的方法处理,它往往比过冷液体的音速低2个数量级.

2 影响质量流量的主要因素

为了使研究结果接近于实际,前人的实验研究主要针对常用的制冷剂CFC12,HCFC22以及它们的替代工质HFC134a,R407C

(HFC32/HFC125/HFC134a 混合物,质量浓度按23%/25%/52%)和R410A(HFC32/HFC125混合物,质量浓度按50%/50%)等,所选择的参数范围基本覆盖了空调器及热泵的运行工况范围,参见表1.

表1 前人的实验研究参数范围

研究者

制冷工质L/D 最大过冷度/干度上游压力/kPa 下游压力/kPa Mei

HC FC227~1222.2e 744~1517*Krakow 和Lin

CFC122~713.9e 1099~1498158~220Aaron 和Domanski

HC FC225~2013.9e /10%1448~2006343~827Kuehl 和Goldschmidt

HC FC228~1211.1e 1379~2060467~693Ki m 和O .Neal

HC FC225~2013.9e /10%1448~2006483~827Ki m 和O .Neal

CFC127~2013.9e /10%856~1326323~862Ki m 和O .Neal

HFC134a 7~2013.9e /10%896~1448323~862Payne 和O .Neal

R407C 6.5~23.211.1e /3.2%1524~2271630~770Payne 和O .Neal R410A 6.5~23.211.1e /3%2136~3176800~1100

注:表中的*指上、下游压力差值;L/D 表示短管节流件的长度与直径比.

影响制冷剂流经短管节流件时的质量流量的因素较多,而上游压力、下游压力、过冷度或干度以及短管几何尺寸等参数是影响质量流量的主要因素.

2.1 上游压力的影响

上游压力对质量流量的影响较大,随着上游压力的增加,质量流量近似线性地增加.不同的上游过冷度或干度条件下,上游压力的影响程度也不相同:过冷度较小时,上游压力的作用变弱,质量流量的变化程度相对降低;当进入短管的流体是汽液两相、干度较大时,质量流量对上游压力的变化较敏感,影响程度增大.

2.2 下游压力的影响

当下游压力大于上游温度所对应的饱和压力时,质量流量主要取决于下游压力;如果下游压力低于上游温度所对应的饱和压力,短管内将出现闪蒸,此时质量流量对下游压力的变化不敏感,流动发生阻塞,达到两相临界流动.这意味着质量流量在下游压力进一步降低时,基本不变.需指出的是在空调和热泵系统中,蒸发压力通常比上游温度所对应的饱和压力低得多.流动发生阻塞时,下游压力进一步降低会导致质量流量略有升高(幅度在1%~8%之间),文献[1~3,6]的实验研究中都发现了两相临界流动这一新特点.这可能与两相流动的复杂性及实验测量等因素有关,有待于从理论上深入探讨.

2.3 上游过冷度及干度的影响上游过冷度及干度对质量流量的影响较为显著.在对HFC134a,HCFC22,CFC12,R410A,R407C 的质量流