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小型制冷装置毛细管特性研究
小型制冷装置毛细管特性研究
、洳泸≯-曾。
硕士.学位论文⑧
摘要
毛细管是最简单的节流机构,通常一根直径为0.5—2.5mm,长度为1--3m的紫铜管就能使制冷剂节流j降温。
目前,毛细管在家用电冰箱、窗式空调、小型立柜式空调器和去湿机中已被广泛使用。
毛细管的结构十分简单,但制冷剂在管内的节流过程却极其复杂,这给制冷系统毛细管长度匹配带来了很大的难度。
因此,合理匹配毛细管长度在系统设计过程中显得尤为重要。
关于毛细管内制冷剂的流动特性研究,虽然已经有很多学者进行了各方面的探索,但在毛细管长度设计上,仍没有一个非常健全的理论设计方法,更多的是靠实验来进行匹配。
基于目前毛细管长度设计的现状,本文以小型制冷装置中常见的绝热毛细管和制冷剂R22为研究对象,做了以下工作:
1、研究制冷剂在绝热毛细管内的理论与实际流动过程,其中不仅考虑亚稳态现象的存在,还重点分析了制冷剂在实际流动过程中经常出现的l临界流现象;关于临界流现象,本文详细介绍了不同学者的研究成果,为深入理解临界流现象提供了多角度视角。
2、运用两相漂移流数学模型,考虑亚稳态现象,同时重点考虑j临界流现象,开发一个数值模拟程序,用于制冷系统设计过程中绝热毛细管长度的匹配。
在绝热毛细管长度模拟程序开发过程中,重点确定制冷剂在流动过程中的实际气化压力、临界流量和绝热毛细管实际出口压力。
3、利用绝热毛细管长度模拟程序,对影响毛细管长度设计的各参数(如冷凝压力、毛细管入1:
1过冷度、蒸发压力、质量流量和毛细管内径)进行分析,得出各参数对绝热毛细管长度的影响趋势;分析影响绝热毛细管实际出口压力的各参数,并得出影响趋势曲线。
ABSTRACT
n”capillaryisthesimplestthrottle
cancomponentappliedinthe¥nlaU—scalerefrigerationequipmentanditdroppressureofrefrigerant.Thediameterof
capillaryisusuallyfrom0.5to2.5mmandlengthofitisusuallyfromlto3m.Thoughthestructureofeapillaryisverysimple,theflowofrefrigerantinitisverycomplex.IthastakendifficuIt,/indesignofrefrigerationsystem.Somatchingcapillarysuitablyinrefrigerationsystemisthemostimportant.
Atpresent,thereistOOmuchresem-ela
researchOil011theflowcharacteristics;wellthethedesignoflengthofthecapillaryistoolittle.Thepracticallengthof
beobtainedusuallycapillarycanthroughexperiment.Inviewofthis,thisthesis
regardsadiabati,,capillaryandrefrigerantR22∞targetsanddoenthefollowingthings:
1.Studytheacademicandpracticalcollrseoftheflowofrefrigerantintheadiabaticcapillary.DuringtheCOUld,metastablephenomertOllhasbeenconsidered;wellcriticalfluxphenomenonisthemostimportant.Atthesmetime.thisthesisalso
phenomenonforintroducesanotherresultofresearchOnthecriticalflux
understandingitdeeply.
2.Usingthemathematicalmodeloftwo-phasedrittflowandconsideringthemetaslablephenomenonandcriticalfluxphenomenon,anumericalsimulationprogramisdevelopedandappliedinthedesignoflengthofcapillary.
3.ThroughⅡⅡsnumericalsimulationprogram,wecananalyzetlacintlueneeofallkindsoffactors
Alterthat,wecan0nthedesignoflengthandonthepressureofoutletofcapillary.get801110usefultrendlinesamongthosefavorsforanatrz.ing.
4,Establishingallexperimentaltable.Throughit,SOmeparaanetersofflowcharacteristicofrefrigerantcanbeobtainedforapplyingtotheresearch.Foroxample,、vec龃analyzethevarietyofthecharacteristicparameters013.thedifferentlength.At
alsocanthe¥8a11etime,weprovethecorrectoftheprogramthroughtheexpelimental
data.
KEYWORIO¥:
Adiabaticcapillary,Criticalflux,DesignoflengthⅡ
学号立J04-1D8卫—4_
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得逝’江盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名:
徐≯沫签字日期:
2舯占年扩月g日
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本学位论文作者完全了解迸'江盘堂有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阿和借阅。
本人授权凿婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后适用本授权书)
学位论文作者签名:
彩度≯沫导师签名劾携
签字日期:
2加f年占月乎日签字日期:
2。
00年召月g日学位论文作者毕业后去向
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浙江大学硕士学位论文第一章绪论
第一章绪论
1.1研究背景和意义
1.1.1研究背景
近年来,制冷空调业随着国民经济的发展和人民生活水平的提高得到了空前的发展.由于人们对生活质量要求的不断提高,在新的世纪里制冷空调行业将具有更广阔的发展前景。
然而,伴随空调业蓬勃发展的同时,空调对世界能源的消耗也引起了世界各方的重视,各国均开始启动新型空调的研制。
伴随着相关技术与制冷空调技术的结合与渗透,新型空调的研发呈现出节能化、环保化、智能化的特点。
.
我国制冷空调产量已经达到世界第一.但其在节约能源、材料以及开发费用等方面与发达国家相比仍有很大的差距。
传统的制冷空调产品设计主要依赖样机的反复制作与调试,即增加了开发费用,又谈不上产品的性能优化,不利于节能、节材。
因此,探索一条新型制冷系统设计方法,用以提高制冷系统性能、降低能量消耗,已经成为制冷和空调技术领域的重要课题,同时亦符合“可持续发展”国策的迫切要求。
利用制冷空调装置的计算机仿真与优化技术,首先在计算机上实现产品的优化设计,是制冷空调产品设计方法现代化的一个重要发展方向。
在制冷空调产品设计中,最主要的环节是四大部件的性能匹配设计。
节流机构是制冷装置的四大部件之一,是实现制冷循环必不可少的环节。
节流机构在制冷系统中通常是较小的部分,但由于它直接控制系统中的制冷剂循环置,因此节流机构的容量、质量以及正确调整对保证制冷装置正常和省能运行关系重大,绝不容忽视。
基于节流机构在制冷系统中节能控制的重要地位,对节流机构的研究、改进和更新一直为人们所关注.
1.1.2研究意义
毛细管是制冷系统中最简单的节流机构,在小型制冷装置中己被广泛使用。
采用毛细管作为节流机构的制冷装置有以下一些优点;结构简单、工作可靠、制造容易、价格低廉和故障较少;并且大大降低了压缩机的启动力矩,使压缩机停运后冷凝器与蒸发器之间的压力很快实现平衡。
浙江大学硕士学位论文第一章绪论
毛细管具有很多优点,这是它被广泛应用在制冷系统中的主要原因,但它的局限性同样也给制冷系统的性能匹配带来了挑战。
例如,由于毛细管的内径和管长是根据特定工况确定的,即当毛细管两端压力差保持不变时,制冷剂的流量保持定值不变。
因此,当蒸发器的负荷变化时,毛细管就不能很好的适应新工况要求.所以只有在设计工况下运行时,蒸发器的传热效果才能得到最佳发挥。
如果蒸发器压力下降,容易发生制冷剂液体进入压缩机的现象;如果蒸发压力上升.则又会使蒸发器供液不足,影响系统制冷能力的发挥。
由于毛细管中的流量与进出口压力关系很大,因而在无贮液器时,要求充注制冷荆的量很准确。
如所充注的制冷剂量过多或过少,都不能使制冷装置正常工作。
总之,在毛细管内径一定的情况下,合理设计毛细管长度成为制冷系统性能匹配过程中至关重要的环节。
毛细管长度的正确选择是建立在对其内部制冷剂流动特性充分认识的基础上。
各国学者对毛细管内制冷剂流动特性的定量描述及室验研究已经取得了相当大的进展,但由于毛细管内制冷剂经历了绝热、非绝热流动,单相、两相流动等复杂过程,甚至还存在亚稳态及临界流等复杂现象,使得发展一个准确而实用的毛细管长度理论定量计算方法存在~定困难。
为了合理匹配系统中毛细管的长度,使系统性能最优化,本文采用计算机数值模拟程序模拟毛细管长度.这不仅是制冷系统设计方法的一种新尝试,也是空调制冷行业不断前进的新动力。
1.2毛细管研究的发展历程
毛细管是广泛运用于小型制冷设备中的节流元件,其内部制冷剂的流动过程极其复杂,且不同于膨胀阀。
在膨胀阀中,制冷剂通过阀孔的瞬问即完成节流过程,而在毛细管中.节流过程是在沿毛细管总长的流动过程中完成的。
为了合理设计毛细管管长,提高系统性能,自上世纪40年代,国内外许多学者就针对毛细管内制冷剂的流动特性进行了大量深入研究。
本文从实验研究和理论研究两方面进行了如下阐述。
1.2.1实验研究历程
实验研究在所有学科的研究中均占有非常重要的地位。
在制冷空调领域中,它更显得尤为重要.最初,人们对制冷剂的流动特性、制冷系统的性能匹配一无所知,在这种情形下,唯有通过实验获得对它们的第一感性认识。
这种在实验上2
浙江大学硕士学位论文第一章绪论不断探索得到的经验积累为今天空前发展的制冷空调领域奠定了坚实的基础。
以下将简单介绍众多学者对制冷系统各方面进行的实验研究成果。
1、压力、温度分布
1984年,M.B.Pate和D.R.Tree“1对非绝热毛细管沿管长方向的温度、压力分布进行了测量,其实验工况与采用制冷剂912的制冷系统运作时工况相同,结果表明:
绝热毛细管与非绝热毛细管的压力、温度分布是非常不同的。
同时也得到下面的结论:
热量的传递加长了两相区的长度,同时减少了流动阻力;接近换热器出口时,换热量沿换热器增加,故绝大部分传热发生在两相区。
1991年,李瑞阳。
1提出了由实验数据求取毛细管内制冷剂自蒸发流动过程中局部摩阻压降、加速压降和总压降的方法;给出了干度、摩阻压降、加速压降及总压降沿毛细管管长的分布;指出于度和各压降沿毛细管的分布均呈非线性。
在流动特性的描述中应考虑千度和各压降的局部变化规律。
2、摩阻压降系数
1981年,MaczekK.和Kroliekiz.”提出了变摩阻系数的绝热毛细管模型,并着重研究了两相流模型中制冷剂的亚稳态现象,这对简化的均相流模型有了一定的改进。
1990年,S.Lin和c.c.K.Kvok等人“对制冷剂R12进行了毛细管内的摩阻压降实验,提出了R12在毛细管内两相流动过程中的摩阻压降预测模型,此模型与实验结果吻合误差控制在15%以内。
1991年,z.tt.Chert等人“认为,由于毛细管内径很小,其内壁粗糙度造成的影响较大,必须加以考虑,因此在计算单相液体摩阻系数时,采用Churehil公式“1较为合适,该公式是ChureMLSw.根据Moody摩阻系数图”回归而得到的适用于所有雷诺数的摩阻系数计算公式。
同年,S.Lin和C.C.K.Kvok”等人提出了单相和两相摩阻系数的关联式。
在利用关联式计算绝热毛细管长度时,他们充分考虑了局部摩阻压降系数、沿毛细管长度方向制冷剂干度的变化及毛细管的粗糙度。
通过研究R12在毛细管内蒸发过程的局部摩阻压降,分析并建立了数学模型,数值计算结果与实验结果进行了比较,误差范围在15%之内。
3、流型
1980年,H.Koizumi和K.Yokoyamat91利用玻璃透明毛细管对制冷剂的流动特性进行实验研究,实验中测量沿毛细管长度方向的压力、温度分布,他们观察到
浙扛大学硕士学位论文第一章绪论其压力分布与理论计算出的压力分布是一致的,但他们也同时观察到了制冷剂气化的延迟。
1996年,李会雄和周芳德等人…1在水一空气两相流实验台上对水平管内由切向喷射方法产生的气一液两相切向旋流的流型进行了细致的观察和分析,发现并定义了水平管内两相旋流的5种流动状态,分析了其流动特点;研究了入口气/水流量、旋流强度及溢流出口溢流现象等因素对流型变化规律的影响,并与无旋两相流的有关研究结果进行了比较。
1997年,Chi-ChuanWang和Ching—ShahChiang等人…利用制冷剂R一22、R-134a和R407C在内径6.5mm的光滑管内进行实验,提出了两相流型及摩擦系数特性:
实验数据表明两相流摩擦系数的变化与流型有着密切的联系;同时表示,混合工质的流型转换要比纯工质的流型转换有明显的延迟。
2000年,Chien-YuhYang和Cheng-ChouShieh“4对水平管内径为1.0-3.Om,工质为空气一水、R134a的两相流流型进行了实验研究。
空气一水的实验结果与前人的研究结果比较,得到了很好的吻合。
R134a以较低的气相速度就可以实现弹状流到环状流的转换,而泡状流到塞状流和弹状流的转变很明显的受到了工作流体特性的影响.得到的结论是:
除了浮动力和紊流波动外,表面张力也是小管径内流型确定的重要参数。
2001年,0.Zurcher、D.Favrat和J.R.Thome“”提出了水平管内两相流的新流型图,它预测了制冷剂在水平管内蒸发过程中管顶端的干度是热流量和流动参数的函数,同时它亦是Kattan等人绘制的流型图的一种延伸。
4、参数之间的影响
1997年,C.Melo和R.T.S.Ferretra“”等人针对不同制冷剂在毛细管中的流动特性进行了大量的实验,研究了毛细管长度、内径、制冷剂过冷度、冷凝压力和制冷剂种类对质量流率的影响。
2002年,邵双全和石文星等人“”采用理论与数值计算的方法,对制冷剂充注量和毛细管长度对空调系统性能的影响进行了分析。
为空调器的优化设计匹配、提高空调器的性能奠定了基础。
5、亚稳态现象.
1957年,CooperL.和ChuC.K.等人“”在实验中观察到的液相长度要比理论计算的液相长度大,即使假设毛细管入口处局部损失为零也没有改善,因此得出结论:
制冷剂的实际流动过程存在气化滞后。
这是首次证实制冷剂流经毛细管时亚稳态流的存在。
由于亚稳态现象的影响,若将实测到的流动条件代入数学模拟4
浙江大学硕士学位论文第一章绪论公式,估算的毛细管长度将比真实长度短,若采用较高的摩擦阻力系数。
只会增加其误差。
Cooper等人研究了在出现气化滞后情况下影响长度的因素,包括毛细管内径、入口压力和入口过冷度,可以总结为气化滞后长度随着过冷区内单位长度压降的增加而增加。
1963年,MikolE.P.o”发表了详细的实验结果,首次得到了包含有亚稳态段的压力和温度沿毛细管长度的典型分布曲线,从中可以看出理论气化点和实际气化点并不符合,它使得亚稳态流的研究从定性研究过渡到定量研究。
在实验中,液体亚稳态段最长可达0.7m。
此后Mikol等又对亚稳态流做了进一步的研究,认为气化是由于液相的压力波动而引起的,他引入了气化滞后系数,并作出了气化滞后系数随雷诺数、流速和韦伯数等参数变化的关系图,但数据点都很分散,他们认为其原因除实验装置本身引起的分散外,主要是由于气化起始点不是宏观参数的连续函数。
1990年,Z-H.Chen和R-Y.Li等人“”利用两根毛细管观察了制冷剂R12在实验中的亚稳态现象;并利用著名的核理论方法发展了制冷剂在毛细管中流动的均核理论:
同时建立了制冷剂理论气化点与实际气化点之间的相互关系.1994年,张大勇和李瑞阳等人…对非共沸混合制冷剂R22/R142b在毛细管内流动过程中的亚稳态流特性进行了实验研究。
结果表明:
采用非共沸混合工质时,毛细管内仍然存在亚稳态现象。
2000年,DekangChen和SuiLin…针对制冷剂R134a进行了特性实验研究,实验结果表明,制冷剂在通过非绝热毛细管时有亚稳态现象的出现,同时表明,这种亚稳态流存在的条件是当毛细管与回热管之间的传热很微弱时;利用均一核理论,在非绝热毛细管中将出现一段过热段。
6、临界流现象
1957年,WhiteselH.A.41运用均相模型对两相临界流量进行了计算,但存在一些问题,如:
误差仍在10%以上,特别是双相临界流动的一些机理问题与实验仍有不符之处。
其原因在于他们忽略了相间滑移,而是假定气液相流速相等。
许多学者为了解决均相模型中存在的问题,作了进一步的实验研究和理论探讨,并建立了另一种计算精度较高的、更实用的计算模型一分相模型.1989年,周兴禧和晋欣桥”在关于制冷系统毛细管的特性研究中,针对阻塞流进行了详细的研究,他们认为,制冷剂出现阻塞流时,制冷剂的速度达到了当地音速;制冷剂的音速主要取决于制冷剂的干度,而压力却不是主要因素。
1990年和1991年,
浙江大学硕士学位论文第一章绪论张慈亨等人o“”详细研究了制冷剂R12通过毛细管时的两相临界流动,并根据计算临界流量的最小均方根的原则确定了滑移比最佳指数.近些年。
两种新的毛细管I临界流动的判别和计算方法被相继提出t一是直接按当地声速的定义对毛细管出口进行判别和计算。
这类方法由于判别和计算同时完成,只能通过迭代。
二是根据绝热节流为熵增过程这一特征进行局部判别和计算。
1998年。
ChungM.A””对分布长度模型的计算方法进行了详细研究,指出在分布长度模型中按局部嫡增原则判别和计算临界流动容易引起数值稳定性问题,并通过等价转换,提出按局部计算长度非负来判别和计算临界流动。
2002年,范晓伟和龚毅…1以短管节流件作为研究对象,针对两相临界流动中存在的非均匀性和非平衡性,详细研究了阻塞情况下的流量特性,并对影响质量流量的主要因素如上游压力、下游压力、过冷度或干度以及短管几何长度等作了分析。
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的特点,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。
2002年,张春路和丁国良”运用近年来提出的一类新模型一积分近似模型一对阻塞流动(两相临界流动)下的绝热毛细管长度进行了分析求解,为绝热毛细管在阻塞流动情况下的特性分析提供了一种简便途径。
1.2.2理论研究历程
人们在对毛细管内制冷剂流动特性进行实验研究的同时,还积极开展了理论研究。
在理论研究过程中,人们试图根据测得的边界参数(毛细管进、出口参数及流量等)以及沿管长的压力、温度分布来分析研究制冷剂在毛细管内部的整个流动过程;通过建立各种经验和半经验关系式j理论方程,乃至数学模型。
对管内流动过程的状态变化加以预测。
下面为部分学者的研究结果介绍。
1、经验关联式
1948年,StaeblerL.A.…针对毛细管内制冷剂流动特性进行了实验,并依据实验数据绘制出了R12的毛细管长度选择曲线图,同时给出了实验关联式:
‘2厶@,以广。
1957年,H.A.Whizesel…首次提出了R22制冷剂两相流公式,其公式和先前在会议上提出的R12制冷剂公式一样;这两个公式适用于入口流体为饱和液相或气液混合状态。
在这两种情况下,新气相的产生归功于流体在流动过程中的压降,其中假定系统在制冷剂流动过程中是绝热的。
1995年,Robert6
浙江大学硕士学位论文第一章绪论R.Bittle和W.RobertStephenson”1等人建立了工质为R152a的家用制冷装置中毛细管一回气管换热器性能特性关联式,用它可以预测质量流率和有效过冷度。
这些预测关联式是基于大量操作边界条件和换热器几何尺寸的实验数据演化而来。
1996年,P.K.8ansal和A.S.1iupasinghe“1提出了可用于绝热毛细管和非绝热毛细管尺寸设计的经验关联式,关联式基于的假设是毛细管的长度依赖于5个变量:
毛细管内径、制冷剂质量流率、毛细管进出口压力差、毛细管入口制冷剂过冷度及毛细管材质的相对粗糙度。
2、数学模型
1948年,BolstadM.M.和JordanR.c.……在对绝热毛细管进行压力和温度测量实验基础上,提出了基于热力学平衡状态下的均相流模型,同时假定摩擦因子为常数,得到了绝热毛细管的解析解,其流动方程包括:
质量守恒、动量守恒、能量守恒方程。
1965年,ZuberN.和FindlayJ.A.…’提出,尽管气液相间局部速度相等,但实际气帽的平均速度和液相的平均速度并不相等,存在一定的漂移流速,于是,从分相流模型中分离出漂移流模型,并且具有很好的发展前景。
1996年,RobertR.Bittle和HichaelB.Pate…针对绝热毛细管的部分制冷剂提出了一种理论模型.同时也将此模型预测的质量流率值与实验测量值进行了比较,为模型的准确与否提供了很好的评估I其中最重要的工作有:
通过实验数据发展了单相流摩擦系数等式,通过比较三个两相流粘度模型找到最佳的一个模型,先前提出的亚稳态流关系式也被很好的验证.同年,TuncayYilIIlaz和SabanUnal…提出了适用于大多数制冷剂的毛细管长度和质量流量设计等式,同时与现存的其他方法和实验数据进行了比较,结果是令人非常满意的。
1997年,王玉贵和夏畹…1采用分布参数模型建立了毛细管的稳态数学模型,在实验验证和系统模拟的基础上,提出了一种毛细管最佳长度的计算方法。
1998年,丁国良和张春路等人…通过积分方法建立了毛细管内流动的近似分析模型,模型覆盖了毛细管内流动可能出现的过冷、两相和过热3种流动区域,给出了不同流动区域的近似积分解。
用此模型预测了制冷剂1{12、R134a和R600a通过毛细管的质量流率,并与分布参数模型的结果进行了比较,平均偏差小于1%,最大偏差2.2%.2001年,LiangS.M.和TongT.N.…在两相区应用了漂移流模型,并给出了漂移流模型的较为完整的方程,同时给出了空隙率、液相及气相的相对漂移速度沿管长的分布7
浙江大学硕士学位论文第一章绪论情况。
但是在模型中他忽略了亚稳态现象。
3、数值计算方法’
1998年,刁淑钧和吴勇华…对制冷系统中毛细管与装置的最佳性能匹配进行了分析,提出了用人工神经网络方法预测毛细管最佳匹配尺寸的计算模
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