Численное исследование прямой, винтовой и спиральной капиллярной трубок для хладагента CO₂ (на англ. яз.)

Выполнено численное исследование прямых, спиральных и винтовых капиллярных трубок с хладагентом CO₂ и проведено сравнение их характеристик. Численные модели разработаны на основе фундаментальных принципов сохранения массы, импульса и энергии. Решены обыкновенные дифференциальные уравнения во внешнем контуре от входа до выхода капиллярной трубки. Проведены расчеты массового расхода капиллярной трубки и хладагента методом деления отрезка пополам, где масса итеративно рассчитана при заданной длине капилляра или наоборот. Использовано собственное программирование численным методом конечных разностей. Определение характеристик капиллярной трубки выполнено путем расчета ее длины для заданной массы или расчета массы для заданной длины. Выполнено сравнение прямой капиллярной трубки с винтовой (внутренний диаметр 50 мм) и спиральной (шаг 50 мм). Для изменения диаметра трубки, шероховатости поверхности и длины рассчитан процент снижения массового расхода в прямых, винтовых и спиральных капиллярных трубках. В результате сравнения с прямой капиллярной трубкой получено процентное уменьшение массы трубок: для винтовой трубки — 7–9 %, для спиральной — 23–26 %. Для спиральной трубки также получено процентное уменьшение показателей: массы по сравнению с винтовой трубкой — 17–19 %; длины по сравнению с прямой трубкой — 37–43 % и винтовой — 25–32 %.

1. Kim M., Pettersen J., Bullard C.W. Fundamental process and system design issues in CO2 vapor compression systems // Progress in Energy and Combustion Science. 2004. V. 30. N 2. P. 119–174. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2003.09.002

2. Jadhav P., Agrawal N. A review on flow characteristics of the straight and coiled capillary tubes // International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration. 2021. V. 29. N 3. P. 2130004. https://doi.org/10.1142/S2010132521300044

3. Stoecker W., Jones J. Refrigeration and Air Conditioning / 2nd ed. McGraw-Hill, 1982. P. 260–272.

4. Jabaraj D., Vettri Kathirvel A., Mohan Lal D. Flow characteristics of HFC407C/HC600a/HC290 refrigerant mixture in adiabatic capillary tubes // Applied Thermal Engineering. 2006. V. 26. N 14-15. P. 1621–1628. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2005.11.017

5. Rasti M., Jeong J. A generalized continuous empirical correlation for the refrigerant mass flow rate through adiabatic straight and helically coiled capillary tubes // Applied Thermal Engineering. 2018. V. 143. P. 450–460. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.07.124

6. Choi J., Kim Y., Kim H. A generalized correlation for refrigerant mass flow rate through adiabatic capillary tubes // International Journal of Refrigeration. 2003. V. 26. N 8. P. 881–888. https://doi.org/10.1016/S0140-7007(03)00079-3

7. Chingulpitak S., Wongwises S. Two-phase flow model of refrigerants flowing through helically coiled capillary tubes // Applied Thermal Engineering. 2010. V. 30. N 14-15. P. 1927–1936. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2010.04.026

8. Jadhav P., Agrawal N. Comparative study on a straight and helical capillary tube for CO2 and R22 refrigerant // Journal of Thermal Science and Engineering Applications. 2021. V. 13. N 2. P. 024502. https://doi.org/10.1115/1.4047822

9. Jadhav P., Agrawal N. A comparative study of flow characteristics of adiabatic spiral and helical capillary tube in a CO2 transcritical system // International Journal of Ambient Energy. 2021. in press. https://doi.org/10.1080/01430750.2021.1913645

10. Jadhav P., Agrawal N. Flow behavior of spiral capillary tube for CO2 transcritical cycle // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2020. V. 141. N 6. P. 2177–2188. https://doi.org/10.1007/s10973-020-09536-8

11. Mittal M., Kumar R., Gupta A. Numerical analysis of adiabatic flow of refrigerant through a spiral capillary tube // International Journal of Thermal Sciences. 2009. V. 48. N 7. P. 1348–1354. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2009.01.003

12. Khan M., Kumar R., Sahoo P. An experimental study of the flow of R-134a inside an adiabatic spirally coiled capillary tube // International Journal of Refrigeration. 2008. V. 31. N 6. P. 970–978. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2008.01.008

13. Churchill S.W. Friction-factor equation spans all fluid-flow regimes // Chemical Engineering. 1977. V. 84. N 24. P. 91–92.

14. Mori Y., Nakayama W. Study on forced convective heat transfer in curve pipes II // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1967. V. 10. N 1. P. 37–59. https://doi.org/10.1016/0017-9310(67)90182-2

15. Ju H., Huang Z., Xu Y., Duan B., Yu Y. Hydraulic performance of small bending radius helical coil-pipe // Journal of Nuclear Science and Technology. 2001. V. 38. N 10. P. 826–831. https://doi.org/10.1080/18811248.2001.9715102