非绝热毛细管模型计算及参数分析
东南大学
硕士学位论文
非绝热毛细管模型计算及参数分析
姓名：邱陈栋
申请学位级别：硕士
专业：制冷及低温工程
指导教师：虞维平
20030401
摘要
作为一种简单有效的节流元件，毛细管广泛应用于小型制冷系统中，起着流量控制和降温降压的作用，它与压缩机之间的流量平衡直接影响到系统蒸发温度，从而使制冷系统的制冷量、输入功率和性能系数产生变化。在制冷系统实际运行过程中，毛细管的工作特性对整个系统性能的影响十分重要．因此，对其流动过程进行深入的理论分析，将有利于整个制冷系统的匹配设计和高效运行。
另外，传统上毛细管设计的工质为Ｒ１２、Ｒ２２等ＣＦＣ和ＨＣＦＣ类制冷剂。随着人们对臭氧层空洞现象以及大气温室效应的日益关注，由ＣＦＣｓ问题所带来的制冷剂替代的迫切性，使得在目前过渡时期，对新出现的诸多替代工质工作特性的毛细管研究成为制冷系统优化的关键，因此，对其机理作全面的分析计算显得尤为必要。
基于以上原因，需要建立起反映毛细管热力学及流动特性的各种数学模型。尽管毛细管结构简单，但制冷工质在其中的流动过程及传热现象却相当复杂。根据在实际装置中安装和换热情况的不同，毛细管可分为绝热和非绝热两类，对于裸露在空气中的毛细管，可以视之为绝热，而非绝热毛细管则是将毛细管和压缩机吸气管组成一个换热器，从而提高了制冷系统的制冷效率，同时也降低了压缩机遭液击的风险。
本文首先基于均相流和分相流假设分别建立起较为完善的数学模型，以此为基础编制了毛细管仿真程序．通过程序模拟结果分析部分换热状态下毛细管的工作特性。以及影响其性能的结构参数和热力参数。重点分析以下两种情况：
Ｉ．热交换段开始于过冷液体单相区
ＩＩ．热交换段开始于气液两相区。
模拟结果显示在这两种情况下，非绝热毛细管工作特性有着很大的差异，通过研究各分析参数沿毛细管长度方向的分布，发现制冷剂在流动的过程中。热交换量与压力降的影响之间存在一个平衡，文章着重探讨了热交换段中部分制冷剂蒸气的重冷凝现象，在与绝热毛细管对比的基础上，本文最后总结了结构和热力参数对毛细管总长度的影响规律并绘制出相关变化曲线。
关键词：非绝热毛细管：制冷剂；两相流动：数学模型
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｔｈｅｃａｐｉｌｌａｒｙｔｕｂｅｉｓａｌｏｎｇｈｏｌｌｏｗｔｕｂｅｏｆｄｒａｗｎｃｏｐｐｅｒｗｉｔｈａｎｉｎｔｅｒｎａｌｄｉａｍｅｔｅｒｒａｎｇｉｎｇｆｒｏｍ０．５ｔｏ１．５ｒａｍａｎｄｌｅｎｇｔｈｆｒｏｍ２ｔｏ５ｍ．ｗｈｉｃｈｉｓｕｓｅｄａｓａｎｅｘｐａｎｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｏｆｔｈｅｓｍａｌｌｖａｐｏｒ－ｃｏｍｐｒｅｓｓｊｏｎｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇａｎｄａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ．Ｉｔｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔｆｒｏｍｔｈｅｈｉｇｈ－?ｐｒｅｓｓｕｒｅｓｉｄｅｔｏｔｈｅｌｏｗ－?ｐｒｅｓｓｕｒｅｓｉｄｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｔｈｅｆｌｏｗｏｆｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔｔｏｔｈｅｅｖａｐｏｒａｔｏｒ．
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（ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅｆｌｏｗｏｒｔｗｏ—ｐｈａｓｅｆｌｏｗ）ｆｌｏｗｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｎｏｎ?ａｄｉａｂａｔｉｃｃａｐｉｌｌａｒｙｔｕｂｅｓ，ｉｔｓｈｅａｔ
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东南大学学位论文
独创性申明及使用授权的说明
一、学位论文独创性声名
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果ａ尽我所知，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，也不包含为获得东南大学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了谢意。
签名：重必生鱼二日期：趁竖：堡垒
二、关于学位论文使用授权的说明
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主要符号
０一毛细管与水平面的夹角ｘ一制冷剂干度
Ｚ一沿毛细管长度方向坐标（ｍ），一摩擦阻力系数
ｇ一重力加速度（ｍ／ｓ２）亭一入ＩＢ局部阻力系数
三。一毛细管入口长度（所）皖一两相段摩阻修正系数
工。一毛细管～吸气管热交换长度（ｍ）Ｒｅ～雷诺数
三。。一毛细管出口长度（ｍ）Ａ一导热系数∥／（肌?Ｋ）
工一毛细管总长度（ｍ）Ｋ一总传热系数叫（ｍ２?Ｋ）
．Ｄ一毛细管直径（ｍｍ）ｈ，一吸气管中制冷剂的对流放热系数叫（棚２－匿）一一毛细管波道截面积（肌２）玩一毛细管中制冷剂的对流放热系数酬（牌２．世）－，一毛细管与吸气管焊接部
艿一毛细管与吸气管焊接部厚度（历）下标：
∞一毛细管与吸气管焊接部宽度（埘）ｃ一毛细管
Ｇ—制冷剂质量通量幻／（ｓ?ｍ２）Ｓ—吸气管
Ｍ～制冷剂质量流率姆加０一管外径
Ｖ—制冷剂流速度ｍ／ｓＷ一壁面
Ｐ一制冷剂压力（Ｐａ），—液体
ｐ一制冷剂密度培／川３ｇ一气体
Ｄ一比容Ⅲ３／ｂ印一单相状态
１１一动力粘度—咯／０?ｍ）妒一两相状态
ｒ一制冷剂温度（Ｋ）ｓａｔ～饱和状态
ｃ一比热窖圳（幻－Ｋ）＾卜一过热液体
Ｑ一热流通量（Ｊｉｍ２）ｆｏ—液相折算
∥一比功∥姆ｓｕｂ—过冷度
ｈ一比始Ｊｊｋｇｃｒ一临界
ｓ一比熵∥（堙?Ｋ）ｃａｌ～计算值
东南大学硕士学位论文非绝热毛细管模型计算及参数分析
纵观所述，虽然到目前为止，几十年来众多学者对非绝热毛细管进行了不断的实验和理论研究，但由于非绝热毛细管内两相流动及其传热现象的复杂性，较绝热毛细管研究而言，对毛细管内部流动规律，尤其是两相流的了解仍然不足，对其传热规律仍然需要进一步认识。‘
在实验研究方面，由于受到实验条件的限制。对于毛细管中影响制冷系统性能的关键参数比如制冷剂质量流量、制冷剂干度等的机理仍缺乏比较系统的认识，毛细管内蒸发过程的传质传热、毛细管内亚稳态流动的研究还需继续得到完善。
在理论研究方面，如何建立既能反映毛细管两相流的流动规律，又便于数值求解，并具有很高计算精度的数学模型仍然需要作出不断的努力。
１．３本文的主要任务
Ｉ．本文从传热的基本方程以及流体流动的基本方程。如连续性方程、动量方程、能量方程出发，基于均相流和分相流假设，分别建立起非绝热毛细管的数学模型。
ＩＩ．在给定毛细管一吸气管热交换器其他结构参数的条件下，针对不同的毛细管入口长度，重点分析压力、温度、动力粘度、摩擦阻力系数、微元体换热量等参数沿非绝热毛细管长度方向上的分布，从而获得热交换段开始于过冷液体单相区和气液两相区两个不同情况的变化规律，特别是制冷剂干度在重冷凝状态时的变化规律。
ｍ．在与绝热毛细管对比的基础上，分析毛细管结构参数和入口状态参数对非绝热毛细管总长度的影响关系并绘制出相应的关系曲线。
东南大学硕士学位论丈非绝热毛细管模型计算及参数分析
这部分Ｋ度较ｋ．在此区域发生的热交换主要是与外界环境的自然对流传热，由丁传热量对整个流动过程影响很小，可以忽略，即近似取为绝热；
ＩＩ．毛细管和吸气管或焊接在一起（见图３－４）或毛细管插入吸气管内部（见图３．５）．组成一个复杂的毛细管一吸气管换热器＋毛细管内的制冷剂处于过冷或气液两相状态，吸气管中则是过热制冷剂蒸气，在此区域必须要考虑换热器内的热交换：
ＩＩＩ．毛细管出毛细管一吸气管换热器，进入绝热发泡层．同ｌ区域取为绝热。
蹦３一ｄ毛细管一暾‘ｔ管换热器求蠹陶∽蹦３＿５毛纲管一暇气管撅热器哥谨｝幽（３）
３．３毛细管的物理模型
尽管毛细管本身结构相当简单，但其内部的流动却是相当复杂的，总的来说，从冷凝器出口到蒸发器入口之间的毛细管的节流过程按流动特性可划分为过冷段、亚稳态段和热力平衡段。在非绝熟毛细管中，由于毛细管和压缩机的吸气管构成毛细管一吸气管换燕器，毛细管中的制冷剂在节流的同时还向吸气管传递热量，相比绝热节流而言。这种非绝热的节流过程使得制冷剂干度更小，这一流动特点决定了它与绝热毛细管工作特性的差异。根据文献［１３１当毛细管中制冷剂质量通量Ｇ。与吸气管中制冷剂质量通量Ｇｓ比值ＧｇＧｓ＞７７．８时，将出现亚稳态现象，绝热与非绝热毛细管内部工质压力与饱和压力沿管长的分布如图３－６、图３．７所示。其中：
Ｉ．从毛细管入口到ａ点之间为过冷液体单相流．压力降呈线性变化，到达ａ点后，实际压力已降到对应的饱和压力，此时制冷剂处于饱和状态．若制冷剂达到热力学平衡，则该点应为汽化起始点，但实际上在该点上并未发生汽化，因此将该点称为理论汽化点：
ＩＩ．在口点与ｂ点之间．实际压力已降到对应的饱和压力以下，由于汽化滞后现象的存在，使制冷剂在该段仍然未发生汽化，制冷剂继续保持液态，因为这是不稳定的过热液体，因此，该段称为液相距稳态段，在该段中。压力降接近线性；
ＩＩＩ．从ｂ点开始，管中开始出现第一个气泡，随后温度和压力降急剧下降，压力降变为非线性，因为制冷剂在该点开始汽化，所以将该点称为实际汽化起始点，该点的饱和压力与实际压力之差Ｐ蟑ｔ一＾称为汽化欠压，在ｂ点与ｃ点之间，由于过热液体、饱和液体、饱和气体同时存在，处于不稳定状态．我们称该段为气液两相亚稳态段；
一４一