7.1节流口流量特性
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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:A0 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 MeiHC FC227~1222.2e 744~1517*Krakow 和LinCFC122~713.9e 1099~1498158~220Aaron 和DomanskiHC FC225~2013.9e /10%1448~2006343~827Kuehl 和GoldschmidtHC FC228~1211.1e 1379~2060467~693Ki m 和O .NealHC FC225~2013.9e /10%1448~2006483~827Ki m 和O .NealCFC127~2013.9e /10%856~1326323~862Ki m 和O .NealHFC134a 7~2013.9e /10%896~1448323~862Payne 和O .NealR407C 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 的质量流第2期范晓伟等:短管节流件的流量特性#35#量随上游过冷度及干度变化关系的实验研究中发现,它们有类似的变化曲线[1,2,9,10].入口处制冷剂过冷度增加,质量流量将增加.过冷度趋于0时,不同的上游压力下质量流量均趋于同一数值.当入口为两相状态时,入口处干度增加,质量流量降低.2.4几何尺寸的影响质量流量受短管直径的影响十分显著,相同长度的管子,随着管内径的增加,质量流量近似以直径的2次方~2.5次方增加.相同直径的管子,其长度对质量流量的影响是:长度增加,质量流量减少,而质量流量的变化幅度降低,则与沿程阻力系数的增加有关.3制冷剂流经短管时的两相流动模型制冷剂两相流动模型主要分为2类:一种是由实验结果直接关联的半经验模型,另一种是基于一些假设而建立的理论分析模型.3.1半经验模型大多数研究者所构造的模型是从单相流体流量公式出发,通过引入修正系数而得到的[2~4,9,10],一般需要大量实验数据进行拟合,而且每个公式只适用于特定的制冷剂和参数变化范围.虽然半经验模型法普适性差、形式复杂,但精度高且覆盖了单相和两相流动两种情况,是一种较为实用的方法,其具体表达式为: m=C t p#A S#2g ca Q(P up-P f)式中,C t p为两相干度修正系数,反映入口处干度及过冷度的影响;A S为短管截面积;g ca为单位换算常数;P f 为调整的下游压力,它并不是真实的下游压力,而是一个与上游过冷度相应的饱和压力、上游压力以及短管几何尺寸等参数有关的假拟压力;Q为短管入口的流体密度,当入口为两相状态时取饱和液体密度的值.3.2理论分析模型从理论上,由热力学第一、第二定律出发Obermeier推导出计算制冷剂两相临界流率公式[8],发现在给定的热力学状态,临界流率不是一个值而是一个范围,并给出了制冷剂R12,R134a和R152a流经短管节流件时的两相临界流率的最大值和最小值.但是,用其较准确地预测临界流率尚有一定困难.基于空调制冷和热泵的运行工况条件大多处于临界流动这一事实,Kim和O.Neal[4]针对HFC134a和HCFC22的实验结果同7种两相临界流动模型进行了比较.其中包括等焓、等熵、Sajben3种均相平衡模型(HEM),Wallis和Smith2种均相冻结流模型(HFM),Fauske和Moody非均相平衡模型(NE M)等.在出口干度为0.06~0.2范围内,2种均相冻结流模型计算结果相差甚小并与实验值吻合较好,其原因在于模型假设条件与此类流动现象较一致.均相冻结流模型所作的假设如下:流动是均相的即两相速度相同,且因时间不充分相间无质量传递.形式较简单的Wallis公式为G cr=-x5v g5P+(1-x)5v f5P-11/2式中,G cr为临界质量流率;x为出口干度;v g为汽相比容;v f为液相比容.该模型对其他工质是否有效尚需进一步验证.4结论随着我国国民经济的迅速发展,空调制冷及热泵的普及率不断提高,对短管节流件的研究十分必要.当前空调制冷及热泵系统所采用的工质种类较多,而目前文献中的质量流量计算公式均是针对某种工质而言的,因此,建立普适性好、在热力学参数变化较宽的范围内仍然有较高精度的质量流量模型是亟待解决的问题.参考文献:[1]Aaron D A,Domanski P A.E xperimentation analysis and correla tion of refrigerant-22flo w through short tube re-strictors[J].ASHRAE Trans,1990,96(1):729)742.[2]Kim Y,O.Neal D L.Two-phase flow of R-22through shor-t tube orifices[J].ASHRAE Trans,1994,100(1):323)334.#36#郑州轻工业学院学报(自然科学版)2002年[3]Kim Y,O.Neal D L,Yuan X.Two phase flo w of HFC-134a and CFC-12through shor-t tube orifices[J].ASHRAE Trans,1994,100(2):582)591.[4]Kim Y,O.Neal D L1A comparison of critical flow models for estimating two-phase flow HCFC22and HFC134athrough shor-t tube orifices[J].Int J Refrig,1995,18(7):447)455.[5]Krakow K I,Lin S.Refrigerant flow through orifices[J].ASHRAE Trans,1988,94(1):484)506.[6]Kuehl S J,Goldschmidt V W.Flow of R-22through shor-t tube restrictors[J].ASHRAE Trans,1992,98(2):59)64.[7]Mei V C.Short tube refrigerant restrictors[J].ASHRAE Trans,1982,88(2):157)169.[8]Ober meier E.Two phase critical flow-rates of refrigerants:Thermodynamic limits of flow rates in tube and orifices[J].Int J Refrig,1990,13(9):301)308.[9]Payne W V,O.Neal D L.Mass flo w characteristics of R407C through shor-t tube orifices[J].ASHRAE Trans,1998,104(1):197)209.[10]Payne W V,O.Neal D L.Multiphase flo w of refrigerant R410A through shor-t tube orifices[J].ASHRAE Trans,1999,105(2):66)74.Flow characteristics of short tubesFAN Xiao-wei1,GONG Yi2(1.De pt.o f T e xtile En g.,Zhongyuan Inst.of Tech.,Zhengzhou450007,China;2.Zhen gzhou Inst.o f Light Ind.,Zhengzhou450002,China)Abstract:The heterogeneity,the non-equilibrium and the blockage state which formed the features of two-phase critical flow are analyzed when refrigerants flow through short tubes and upstream pressure,do wnstream pressure,supercooled tem-perature or quality c oefficient and geometrical dimensions of shor-t tube orifices as the main parameters effects on mass flow rate are indicated.The refrigerant two-phase flo w models through short tubes in recent years mainly included the semiempirical models which are correlated directly with the experimental results and the analysis models which are built based on some assumptions.However,all of the m are individually applicable to certain refrigerant and not suitable for the situation of using too many kinds of refrigerants in air-conditioning,refrigerating and heat pump systems scope.Therefore it would be made further research to establish the mass flow rate models which possess good and general adaptability and higher precision within a wide range of the thermodyna mic parameter variation.Key words:short tube;two-phase flow;mass flow rate。
节流机构流量特性的试验研究
节流机构流量特性的试验研究是为了更好地了解和控制节流机构的性能而进行的一类
技术实验。
它主要通过检测、分析和记录节流机构内部的流量特性来确认机构的性能、安全、节能等。
针对每一种节流机构,此类实验都有不同的流量特性,这些特性主要包括流量压力特性、流量容积特性、流量温度特性、流量压差特性、流速特性等,其中流量压力特性又包
括瞬时压力特性、气流动力特性、过压特性等,流量容积特性一般指阀内容积特性,流量
温度特性指蒸发器及气流中温度特性,而流量压差特性一般指阀门的控制特性。
实验前要综合考虑环境条件、操作条件和节流机构的结构特性,制定良好的测试方案,并确定测试的具体流量要求,设定实验控制参数,妥善安排实验仪器及实验物料,确保实
验准确可靠。
实验时,要依据测量任务,合理选取流量参数,改变行程已达到试验要求,并要注意
节流机构的性能和安全性以及工作时的噪声、振动、温度升高等参数的变化,即检测和测
量瞬时压力,压力变化、温度变化、流量变化以及气流动力变化等参数,收集有关信息以
供分析。
最后,要进行综合的分析,以更好地了解研究对象的性能特性,以及在不同工况下的
特性,为未来正确使用节流机构及其关联系统提供必要的参考,从而提高机构的使用性能
和可靠性。
节流孔板流量计原理、性能和特点小结本文由提供一、孔板流量计概述标准节流孔板是测量流量的差压发生装置,配合各种差压计或差压变送器可测量管道中各种流体的流量。
节流孔板流量计节流装置包括环室节流孔板,喷嘴等。
节流孔板流量计节流装置与差压变送器配套使用,可测量液体、蒸汽、气体的流量,节流孔板流量计广泛应用于石油、化工、冶金、电力、轻工等部门。
二、孔板流量计性能充满管道的流体,当它们流经管道内的节流装置时,流束将在节流装置的节流件处形成局部收缩,从而使流速增加,静压力低,于是在节流件前后便产生了压力降,即压差,介质流动的流量越大,在节流件前后产生的压差就越大,所以节流孔板流量计可以通过测量压差来衡量流体流量的大小。
这种测量方法是以能量守衡定律和流动连续性定律为基准的。
智能节流装置(节流孔板流量计)是集流量、温度、压力检测功能于一体,并能进行温度、压力自动补偿的新一代流量计,该节流孔板流量计采用先进的微机技术与微功耗新技术,功能强,结构紧凑,操作简单,使用方便。
三、孔板流量计特点节流孔板流量计节流装置结构易于复制,简单、牢固,性能稳定可靠,使用期限长,价格低廉。
节流孔板计算采用国际标准与加工节流孔板流量计应用范围广,全部单相流皆可测量,部分混相流亦可应用。
标准型节流装置无须实流校准,即可投用。
一体型节流孔板流量计安装更简单,无须引压管,可直接接差压变送器和压力变送器。
智能型节流孔板流量计特点:1、采用进口单晶硅智能差压传感器2、高精度,完善的自诊断功能3、智能节流孔板流量计智能节流孔板流量计其量程可自编程调整。
4、智能节流孔板流量计可同时显示累计流量、瞬时流量、压力、温度。
5、具有在线、动态全补偿功能外,智能节流孔板流量计还具有自诊断、自行设定量程。
6、配有多种通讯接口7、稳定性高8、量程范围宽、大于10:19、智能型节流孔板流量计技术指标10、高精度:±0.075%11、高稳定性:优于0.1%FS/年12、高静压:40MPa13、连续工作5年不需调校14、可忽略温度、静压影响15、抗高过压。
节流口的基本形式
节流口是一种常见的流量控制装置,它可以通过改变管道截面积的大小来控制流体的流量。
节流口的基本形式有以下几种:
1. 突然收缩节流口
突然收缩节流口是指管道中突然收缩的一段,其截面积突然变小,从而使流体流速增加,压力降低。
这种节流口的特点是简单易制造,但是会产生较大的能量损失。
2. 渐缩节流口
渐缩节流口是指管道中逐渐收缩的一段,其截面积逐渐变小,从而使流体流速逐渐增加,压力逐渐降低。
这种节流口的特点是能量损失较小,但是制造较为复杂。
3. 突然扩张节流口
突然扩张节流口是指管道中突然扩张的一段,其截面积突然变大,从而使流体流速减小,压力增加。
这种节流口的特点是能量损失较小,但是制造较为复杂。
4. 渐扩节流口
渐扩节流口是指管道中逐渐扩张的一段,其截面积逐渐变大,从而
使流体流速逐渐减小,压力逐渐增加。
这种节流口的特点是能量损失较小,但是制造较为复杂。
以上是节流口的基本形式,不同的节流口适用于不同的场合,需要根据具体情况选择合适的节流口。
同时,在使用节流口时,还需要注意其安装位置、流量计算等问题,以确保其正常运行。