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1、毛细管内制冷剂气液两相流动研究现状与发展张华俊 蒲 亮(西安交通大学能动学院)摘 要 本文就目前制冷剂在毛细管中流动的研究现状及发展进行了分析,对制冷剂在毛细管中的流动过程进行了论述,阐述了目前的研究状况。对管内流动的特性、 管内摩擦系数的确定方法进行了叙述。关键词 毛细管 制冷剂 两相流THE CURRENT RESEARCH PROGRESS AND THE DEVELOPMENTOF TWO - PHASE FLOW OF REFRIGERANT IN THE CAPILARYZHANG HuajunPU LiangABSTRACTThis paper introduces the cu
2、rrent research progress and the development of two- phase flow of refrigerant in the capillary and describes the flow course of refrigerant in thecapillary. The characteristic of flow in the tube、the decision methods of the friction coefficientare also presented.KEY WORDSCapillaryRefrigerantTwo - ph
3、ase flow1 引言小型制冷设备常用毛细管做为节流膨胀元件,这是因为其结构简单,无运动部件,价格低廉,在一定程度上减少了系统的充灌量,而且在压缩机停止运转后,冷凝器与蒸发器的压力可以较快地自动平衡,从而减轻电动机的起动负载。在家用冰箱、 空调和热泵系统等中小型制冷及空调装置中得到广泛应用,甚至在较大的制冷与空调机组中也有采用1。2 制冷剂在毛细管内气液流动过程毛细管是根据液体比气体容易通过这个原理工作的。当有一定的过冷液体进入毛细管后,沿管长的方向压力及温度变化如图1所示。进口12段为液相段,此段压降不大,并且呈线性变化,同时该段制冷剂的温度几乎不变。当制冷剂流至点2处,即压力降到相当于制
4、冷剂入口温度的饱和压力下时,管中开始出现第一个气泡,从此点后到毛细管末端,制冷剂将由液态单相流动变为气 液两相流动,此段为气液共存的湿蒸气,其温度相当于对应压力下的饱和温度,压力线与温度线重合。由于该段内,饱和汽的百分比沿流动方向逐步增加,因此压力降为非线性,且越接近毛细管末端,单位长度的压降越大,图1中34段是毛细管末端制冷剂喷入蒸发器的自由膨胀段。图1 距毛细管入口的距离 制冷剂在管内流动时,压力逐渐下降,液体膨胀汽化,形成汽液两相混和物。当汽液两相混和物的流速达到音速时,质量将不再随压力的降低而继第3卷 第5期 2 0 0 3年10月 制 冷 与 空 调REFRIGERATION AND
5、 AIR - CONDITIONING Vol. 3 ,No. 5October 2003 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.续减小,而且维持一固定值,这称为临界状态。虽然毛细管的几何结构简单,但其中的流动情况相当复杂,简而言之,它具有以下特性:(1)毛细管内的流动可分为两个区域,液体单相区中的流动情况相当复杂,而且汽液两相流区域与常见的较大管径的两相流动相比也具有独特的特点。(2)根据不少学者的观察和实验,流体中存在着气化滞区(即当毛细管内压力下降到对应的饱和压力时并不产生气化现象)。
6、即存在着 “过热” 液体亚稳态,该现象对毛细管的流动特性有着不可忽略的影响。(3)毛细管的管径较小,管壁粗糙度的影响较大以及管径均匀性的好坏对毛细管的流动产生较大的影响。即使同一批产品的毛细管用于同一台空调器,制冷量也会变化较大。目前两相流动的研究甚少涉及类似于毛细管这样小的管径,现有的两相经验公式不一定适合于毛细管,因此,对于毛细管内制冷剂的流动还有待进一步深入研究。3 毛细管内制冷剂流动研究的发展水平毛细管节流机构是在本世纪三十年代开始应用的,在1942年取得专利。自四十年代起,各国学者对用R22、R12等制冷剂为工质的毛细管进行了较多的实验研究和理论分析。早期的研究重点放在其流量特性、
7、摩阻压降及整个制冷系统的匹配上。Stader2首先介绍了毛细管作为节流膨胀元件的优缺点,提出了毛细管运行参数必须与压缩机、 冷凝器和蒸发器等系统元件匹配的基本原理。Bolstap和Jordan34为早期探讨毛细管流动特性之著名学者,他们在毛细管上安装许多压力表和热电偶,由实验测得了沿毛细管管长压力和温度的分布曲线。Bolstap和Jordan理论分析和数学模型建立在处于热力学平衡状态下的均相流体基础上,并用两相区的Fanno流动来表示,在他们的模型中采用的摩擦系数是常数。在他们的模型中,他们还详细研究了毛细管的进口压力、 进口过冷度、背压及工质含油量对制冷剂流量的影响,给出实验曲线,并得出了如
8、下结论:在一定的入口压力和温度下,蒸发器压力对毛细管流量影响很小;在一定的入口压力下,流量随入口过冷度而近似线性增加;制冷剂中掺入润滑油会降低其蒸发压力,使管内液态部分所占比例增加,从而增加了管内质量流量。Marcy5认为拉拔铜管可以作为水力光滑管来对待,液体的粘度在两相流的Re数计算中占据统治地位。Marcy的模型和R12、SO2实验数据吻合的很好,然而进口压力和流速很低,但这一情况一般来说是不太符合实验情况的,因此其结果并未有很大的吸引力,但其研究结果促进学者们对于毛细管粗糙度的重视。Prosek6提供了质量流量和毛细管长度之间的对应关系,以此作为毛细管的选型曲线,但其管内径的修正是由空气
9、实验获得的,因而也没有探讨制冷工质在管内是如何闪发的。Hopkin7做 了 大 量 的 工 作,后 来 成 为 了ASHARE毛细管设计曲线的基础。Hopkin假设管内流动是等熵的、 均相的。Whitesel8也对进口状态为气液混合物的绝热毛细管进行了详细的数学研究。他假设管内流动为团状流动,通常这样假设是不具有充分理由的。同时,他还假设沿整个管子为等焓流动,Whitesel的分析和Hopkin的图解法相结合产生了ASHARE毛细管选择曲线。Cooperet. al9详细描述了玻璃毛细管内两相流的流动型式,他们只发现管内雾流的产生,同时发现毛细管内有 “亚稳态现象” 即毛细管内的制冷剂的蒸发气
10、体并不是发生在热力饱和状态点上,而是发生在该点下游的某一位置,亦即当温度压力达到饱和点并不会闪发,而会延迟到压力更低点时才开始蒸发。由于亚稳态明显的影响,若将实测列为流动条件代入孤立数学模型中,估算到的毛细管长度短;若采用较高的摩阻系数,只会增加误差。Cooperet. al研究结果显示了气化滞后长度增加的因素包括: (1)管内径减小; (2)管长度增加; (3)入口压力增加; (4)入口过渡段增加;但他认为没有什么办法可以拟合气化滞后与管长、 管径、 流量等参数之间的关系。Mikol10发表了绝热毛细管内单相和两相流动详细的实验结果,包含玻璃毛细管内可视化的流动动态观测,Mikol通过大量实
11、验得出了以下四点结论:(1)连续方程适用于毛细管; (2)单相流体的摩阻系数可采用Moody曲线估算; (3)在毛细管的设计中必须考虑亚稳态流动; (4)毛细管内流31 第5期 张华俊等:毛细管内制冷剂气液两相流动研究现状与发展 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.动稳态可分为:稳态过冷液体流动、 亚稳态液体流动、 管壁蒸气泡开始出现、 气液相共存区。最后在管出口发展成气液相均匀混和流体。Mikol的理论工作主要限于计算局部单相和两相摩擦系数,得出两相段的平均摩擦系数t与全液相情况的摩擦系
12、数10之比为0. 95。Koizumi和Yokoyama11从实验结果得出流量、 管径对亚稳态长度影响的定性规律: (1)亚稳态长度随流速增加而减小; (2)当流速一定时,亚稳态长度随管径增加而增加。Melo13通过测取压力、 温度沿管长的分布曲线确定液相过热区。鉴于实验条件的限制以及计算机的发展,数值计算近年来得到了迅速发展,国内外许多学者都在从事毛细管内两相流动的数值求解,并发表了一系列文章,如Goldstein12 提出了一个计算机模拟程序,其数学模型建立在均相流动和等焓流动基础上,并未考虑到亚稳态流动,计算结果也未与实验结果相比较。R. Y. Li13对R12、R134a毛细管内气液两
13、相流进行数值模拟,提出了许多有意义的结果。该模型的两相流以基本控制方程为基础,并且根据 “成核” 理论,得出了 “闪气延迟” 的定时结论。葛云亭14等通过选择合适的摩阻系数,并根据两相流的动量方程和能量方程建立流动模型,并采用有限差分法求解。模拟计算值与实验值吻合的较好。其模型为:动量方程:-dpdt=?f?m22D+?m2ddz 能量方程:dhdt=?mG2d(2)dz 虽然关于毛细管流动的数值计算之类的文章发表的很多,但是由于对毛细管内气液两相流动的机理和规律还没有完全掌握,数学模型也基本是建立在一些假设之上,模型的通用性方面还不是十分令人满意。通过对上述多位学者的关于毛细管内流动和摩阻特
14、性的研究的回顾,可以看出这些研究为深刻理解毛细管流动机理提供了坚实的基础,并为毛细管的使用提供了许多有价值的依据。同时这些研究本身也存在着许多不足之处。目前这一领域尚有许多问题急待于解决。(1)毛细管内流动流型的判断对于毛细管内流动流型的确定研究得很少,有些研究也是针对一定的场合而言,很难做到进一步推广。很多学者仅是猜想毛细管流动为均相流,但是用于制冷设备的毛细管工作环境有很大不同,例如对电冰箱来说,毛细管有一部分和压缩机的回气管缠绕并焊在一起,毛细管与回气管之间存在着热交换,使毛细管内工质气化点延迟,又使蒸发器出口有一定过热度,这样既使毛细管的流量增大,又使制冷循环的性能系数得到了提高。对非
15、绝热的毛细管而言,由于流动气化过程中伴随向壁面放热,使这一现象更具特点,也增加了研究的难度。从目前发表的文章来看,毛细管内流动流型的研究很少,Cooperet. al详细描述了玻璃毛细管内两相流的流动型式,他们只发现了雾状流动流的产生。Mikol发表了绝热毛细管内单相和两相流动详细的实验结果,包含玻璃毛细管内可视化的流动形态。以上学者观测的毛细管流型是根据绝热毛细管(直管)而得出的,而实际上常用的毛细管是非绝热的并且常常缠绕成螺旋状。(2)研究毛细管亚稳态单相液体、 亚稳态气液两相流自从Cooperet. al等在研究毛细管内流型实验时,发现了 “亚稳态现象” 后,很多学者都对此进行了实验观测
16、,并形成了共识。毛细管内流动存在亚稳态,并且亚稳态的存在对通过毛细管的流量有较大的影响,在毛细管的设计与研究中,必须要考虑亚稳态的存在。总结前人的观测结果,得出以下定性结论:气化滞后长度增加的因素包括 管内径减小 管长度增加 入口压力增加 入口过冷度增加。以上结论都是定性的,R. Y. Li利用 “成核” 理论,推导出气化滞后长度的表达式,并用R12与R134a进行实验研究,计算值与模拟值吻合良好。根据 “成核” 理论,闪点位置为:Zv=2DLG2 ( Pi-Ps) + ( Ps-P) ( Ps-Pv)可代表 “闪点延迟” 的定量结果,可用下式计算:( Ps-P)R T=0.679VdVg-V
17、lRe0.94TsTc-0.208DD-3.1841 制 冷 与 空 调 第3卷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.D 为参考长度,定义如下:D=R Ts104对于其他工质,还没有进行比较。(3)气液两相流动摩阻系数的确定毛细管径很小(约为1 mm左右) ,管壁粗糙度的影响很大,而且管内气液两相流的流动也比较复杂,给摩阻系数的确定带来很大的困难。早期的学者将毛细管内摩阻系数看作是一个常数,以进口干度、 出口干度或两者的平均值来计算。事实上,沿程摩阻系数是在不断变化的,仅用出口干度、 入口
18、干度或两者的平均值来计算,均会带来不容忽视的误差。Mikol根据两相流的工作,提出了一个计算两相摩阻的公式,他采用的方法是用气液相情况下的摩阻系数来计算,并得出了两相段的平均摩阻系数t为液相情况下摩阻系数10的0. 95倍。他的工作还是比较粗略的,根据气水混合物的研究结果,两相流动的摩阻系数m随管径增加而增大,这和单相流动系数随管径的增大而减小的情况恰恰相反,且压力愈低,管径对入口的影响也相对增大,这说明管壁相对粗糙度对气液两相摩擦阻力压力降的影响是不同于单相流体的。S.J. Kuehl与V.W. G对R22管内两相流的流动进行了研究13。实验对不同的Re数、 不同的管径粗糙度的毛细管进行了实
19、验研究,并提出了摩擦系数的计算式。(表1)表1d10000Re4000040000Re8000080000Re2000000. 42f= 0. 724Re- 37f= 0. 836Re- 34f= 0. 14Re- 180. 49f= 0. 354Re- 26f= 0. 893Re- 54f= 0. 136Re- 170. 54f= 0. 4Re- 27f= 0. 238Re- 48f= 0. 266Re- 220. 59f= 0. 283Re- 24f= 0. 281Re- 64f= 0. 261Re- 220. 64f= 0. 313Re- 25f= 0. 62Re- 51f= 0. 38
20、2Re- 26 上述公式通用性较差,而且仅是针对R22的,学者们根据大量实验结果提出了不同的反映管径粗糙度的计算式,其中比较常用的是以下两种:Healand公式f =-1.8log6.9Re+3.7d1.11-2Re =?m dLin公式f=loloVlVtlo=L n7Relo0.9+0.27QDL n7Ret0.9+0.27QD21+ XVgVl(4)替代工质在毛细管中流动与传热特性的研究由于CFC以及HCFC制冷剂对大气层有破坏作用并且会导致温室效应,根据蒙特利尔协议,用于制冷设备中的CFC以及HCFC将在不同时期内被禁止使用。研究替代工质在毛细管内气液两相流动具有重要的意义,特别对使用
21、工质后制冷系统的匹配有重大的指导意义,尤其有些替代工质是多组分的混和物,流动和传热特性更加复杂。目前,用于CFC以及HCFC替代工质主要是R134a ,R407c , R600a , R404a等等。它们主要是R32 ,R125 ,R134等几种工质的不同比例混和而成。对这几种工质在毛细管内流动与传热的实验研究是目前制冷行业研究的一大热点,发表的文章也较多。其中最具代表性的是S. D. Chang及S.T. Ro等进行一系列研究12。其研究的对象是R12 ,R22 ,R32 ,R125 ,R134a ,R32/ R134a(30/ 70) ,R32/ R125 (60/ 40) , R125/
22、 R134a (30/ 70) , R32/R125/ R134a(23/ 25/ 52)。他们通过在毛细管上按装若干压力传感器和热电偶,测量工质沿毛细管流动方向上压力和温度的变化,得出了许多有意义的结果。(表2) 通过实验与对比分析,他们认为采用Healand公式用于计算摩阻压降较为正确。通过阅读文献可以看到,大部分研究文章是针对不同的工质来选择较为准确的计算公式,而对流动机理及内部流动过程的研究甚少。这可能是由于实验条件及实验手段的限制。看来,如果要深入研究毛细管内气液流动的特性必须要采用现代化的先进手段来进行。51 第5期 张华俊等:毛细管内制冷剂气液两相流动研究现状与发展 1995-2
23、004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.表2 条件 参数实验条件毛细管内径(mm)1. 21. 6长度(m)1. 51. 5粗糙度(m)0. 19630. 6894入口压力(kPa)10252800出口压力(kPa)直到达到临界流动状况流量密度(kg/ m2s)39809370过冷度()1. 812. 2制冷剂# 1 R32# 2 R125# 3 R134a# 4 R32/ R134a(30/ 70)# 5 R32/ R125(60/ 40)# 6 R125/ R134a(30/ 70)# 7 R32/
24、R125/ R134a(23/ 25/ 52)4 毛细管内气液两相流的研究方法毛细管虽然管径较细,但其内部两相流的流动特性是非常复杂的。目前,研究的方法主要有两种:一种是实验研究,另一种是数值结合实验研究。就目前的发展水平而言,两种研究手段都是不可替代的。实验研究占主导地位。(1)实验研究目前实验研究的手段还是比较落后,大部分研究方法还是采取在毛细管上布置若干对压力传感器及大量的热电偶来测量压力和温度沿管长方向的变化。就如此细小的毛细管而言,此方法不可避免地要带来较大的实验误差,如要深入地研究管内气液两相流动的特征至少应在下列几个方面加强研究。流动的可视化研究可视化研究是一种重要的现代化实验手
25、段,通过可视化研究可以掌握管内气液两相流流型的转变,从而为绘制流型图或选择更为准确的计算公式奠定基础。由于管径比较细,可视化研究可能还要采取特殊手段。目前通过可视化研究仅观察到了毛细管内气液两相流为雾状流的情况,对其它工作条件下的流型还没有见一种可视化研究的报导。实验手段的改进常用的在毛细管上安装压力传感器及测温热点偶的实验方法,比较落后,误差比较大。安装压力传感器需在毛细管上打孔,势必要影响管内流动特征。目前发表的实验结果差别很大,这对总结经验公式带来了较大的困难。如有可能应采取光学干涉或全息等现代化的手段。研究对象范围的扩大目前对毛细管的研究,大部分是针对绝热毛细管进行的,而实践上常用的毛
26、细管是非绝热的,并且不是直管,而是缠绕成螺旋状。有关实验表明,缠绕成螺旋状的毛细管在相同条件下要比直管的流量小。(2)数值模拟研究由于实验条件的限制,许多现象无法测量,这给数值模拟带来用武之地。毛细管内气液两相流的数值模拟主要是根据质量守恒,动量及能量方程来建立控制方程,用实验来确定有关的系数。常用的数学模型有R. Y.Li模型及经验公式模型。R. Y.Li数学模型对一水平绝热毛细管,毛细管内气液两相流控制方程为:d(V )dz=0d g( V + Vgm) dz=?mdV2+ g(1-)lV2gmdz+dPdz= -t2 | V | VdV h + gVgm( hg-hl) dz=V +1-
27、glVgmdPdz经验公式模型经验公式模型主要是用两相区经验公式来确定两相流的压降,毛细管两相流的压降可表示为:-dPdz= ft?mVt2d+?m2dVtdz 其它型式经验公式与此类似,主要区别是摩阻系数的计算有所不同。5 结论尽管毛细管结构十分简单,但其中的两相流动与传热却是十分复杂的,这一领域尚有许多问题急待解决。(1)进一步研究毛细管内流动形式,尤其是流61 制 冷 与 空 调 第3卷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.型的确定。(2)改进毛细管内两相流摩阻系数的计算方法。(3)
28、研究毛细管内亚稳态单相液体、 亚稳态气液共存两相流对流动的影响,确定 “闪点延迟” 位置的方法。(4)作为进一步发展,应研究毛细管内两相流动和传热的动态特性。(5)开展替代工质在毛细管中两相流动和传热特性的研究。参 考 文 献1ASHRAE ,1998 ,Equipmas Handbook ,Capillary Tubes ,Chapter 19 Part.2L. A. Stader ,Theory and Use A Capillary Tube for liquid Refrigerant Control ,ASHRAE Journd ,Jan ,1981.3Milom.Bolstad &
29、 Richard. C.Jordan , Theory and Use of The Capillary Tube Expansion Device ,Refrigerating Engineering ,Dec. 1948.4Milom.Bolstad & Richard. C.Jordan , Theory and Use of The Capillary Tube Expansion Device ,Refrigerating Engineering ,June ,1949.5Gerald. P. Marcy ,Pressure Drop with change of phase in
30、a Capillary , Refrigerating Engineering ,Jan ,1949.6J. R. Prosek ,A Practiced Method of selecting Capillary Tubes ,Refrigerating Engineering ,June ,1953.7Hopkin ,N. E. Ratiy The Restrictor Tube , Refrigerating Engineering. Nov. 1950.8H. A. Whitesel. Capillary Two - phase Flow ,Refrigerating Engineer
31、ing. Apr. 1957.9L.cooperet. al ,Simple selecting Method for Capillaries derived from physical Flow conditions ,Refrigerating Engineering.July.1957.10Edward P. Mikol. Adiabatic Single and Two - phase Flow in small Bore Tubes ,ASHRAE Journal ,Nov. 1963.11Hisao Koizumi & Kunio Yo Ko Yama ,Characteristi
32、cs of Refrigerating Flow in a Capillary Tube ,ASHRAE ,Trans. Vol186 ,1980.12S. D. Goldstein ,P. E. A Computer Simulation For Describing Two Phase Flow in Small Diameter Tubes ,ASHRAE , TransVol187 ,Part2 ,1987.13C. Melo ,R. T. S. Terreira ,C.Boabaidneto ,J. M. Goldes ,Measuring Pressure and Temperat
33、ure Profiles Along Capillary Tubes ,19thInternational Congress of Refrigeration 1995.14 葛云亭.博士论文.清华大学,1997年.(上接第20页)机盘管的结构形式。对于大容量的机组,因为风道管路一般比较长,因此噪声较大,适合于装在辅助房屋内以利于降低噪声,如此等等。(7)安装维修的专业性。前面已经说过,户式中央空调是一个小小的系统工程,不是一件简单的家用电器,因此专业的安装设计非常重要,安装质量的好坏,直接影响机组能否正常使用。建立一支专业的户式中央空调安装队伍,对每一个客户进行现场考察,确定最合理的安装方案
34、,包括机组安装位置,冷量的合理分配,风管或水管布置、 走向,水流速或风速的合理设计,水阻力或风道阻力的计算,消声处理等,专业的工程设计人员还应该敢于拒绝用户的不合理要求,做出合理的解释并提出合理的方案设计,对于不合理并且有可能带来安全或质量隐患的客户,宁可不做也不能勉强,以免带来后患,损害公司形象。应该说,我国户式中央空调的潜力是非常巨大的,现在的关键是要做好市场的培养。只有做到真正的物有所值或物超所值,才会被老百姓所接受和认可,老百姓才会愿意掏腰包,这样,市场才会培养起来。71 第5期 张华俊等:毛细管内制冷剂气液两相流动研究现状与发展 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.