制冷系统中绝热毛细管的热力仿真

毛细管是直径为0.7～2.5mm，长度为0.6～6mm的紫铜管，因其结构简单，价格低廉，本身没有运动部件，不易产生故障和泄漏，且在停机后，系统高低压能迅速平衡，使驱动压缩机的电机启动力矩较小，因此，在小型制冷装置中广泛采用毛细管作为节流元件，毛细管性能的优劣对整个机组有较大的影响。因制冷剂在毛细管中的流动情况颇为复杂，因此，对毛细管的特性研究一直受到重视。

目前，研究毛细管性能最有效的方法是数值仿真。常见的绝热毛细管模型主要有两类：一类是经验性的关联模型，另一类是机理性的分布参数模型。前者是对毛细管特性在一定范围内(包括工质类型、结构和工况参数)的经验近似，尽管使用方便，但通用性不高。后者的通用性和精度都较好，但计算复杂性较高，不便于工程应用。而且对于系统仿真而言，主要关心的是不同结构参数和工况参数下的毛细管的流量特性，对于各参数的沿程分布一般不太关心。为了尽快满足快速计算的实用化要求，本文在理论精度损失不大的前提下，建立了绝热毛细管分相集中参数模型，开发了相应的热力仿真程序，为制冷系统的仿真和控制奠定了基础。

一、制冷剂在毛细管中的流动机理

在装置运行于正常的稳定工况时，毛细管进口状态是过冷液体。毛细管进、出口的压差是制冷剂在毛细管内流动的驱动势，在压差驱动下，过冷的制冷剂液体进入毛细管。制冷剂在毛细管内的流动可以分为四个流动区域：过冷液体区I、亚稳态液体区Ⅱ、亚稳态气液两相区Ⅲ和热平衡态气液两相区Ⅳ，如图l所示。制冷剂进入毛细管后，因流动摩擦产生压降，制冷剂压力pv下降。对于液体制冷剂，可以认为是不可压缩的，即与压力无关，对于绝热流动，液体温度是不变的。因此，如果是在热力学平衡的假设下，则当制冷剂压力下降到液体温度对应的饱和压力ps时，制冷剂便无法保持液体状态，要发生由液相到气相的相变，即产生闪发现象，开始闪发的位置称为闪发点。但事实上，实验的结果表明，当制冷剂压力下降至液体温度对应的饱和压力点，即热力学平衡下的闪发点时，制冷剂液体并不立即发生闪发。原因是气泡的产生和生长在满足热力学平衡的基础上，还要满足力学平衡(即要克服相间的压力差)。所以，制冷剂液体便在毛细管内形成一个“过热”液体区Ⅱ，这一状态很不稳定的，一旦受到小扰动的影响，平衡就会遭到破环，故称之为亚稳态液区。当气液相间的压力差满足气泡产生和生成所需的力学条件时，液体真正开始闪发。在闪发的初期，气泡生成较少，从总体上看仍处于亚稳态区，即Ⅲ区。但这一过程相当短暂，因为随着气相份额的增加，制冷剂平均比容上升，流动速度迅速加快，流动的摩擦阻力增加，制冷剂压力下降，气泡的生成趋于剧烈而无序，力学平衡要求削弱，热力学平衡势占据主导地位，从而很快过渡到热力学平衡下的气液两相流动，即Ⅳ区。

但这一过程相当短暂，因为随着气相份额的增加，制冷剂平均比容上升，流动速度迅速加快，流动的摩擦阻力增加，制冷剂压力下降，气泡的生成趋于剧烈而无序，力学平衡要求削弱，热力学平衡势占据主导地位，从而很快过渡到热力学平衡下的气液两相流动，即Ⅳ区。从图1可以看到，Ⅳ区制冷剂压力下降速度很快，则意味着制冷剂流速迅速上升，甚至可以达到当地音速，即临界(壅塞)流动状态。根据热力学第二定律，如果毛细管出现壅塞现象，则制冷剂在毛细管出口达到音速，毛细管出口处的制冷剂压力将大于或等于毛细管的背压，制冷剂的流量将不再受到毛细管背压的影响。

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