毛細管設(shè)計計算與分析

1、v1.0可編輯可修改毛細管的設(shè)計計算與分析毛細管一般指內(nèi)徑為的細長銅管。作為制冷系統(tǒng)的節(jié)流機構(gòu)，毛細管是最 簡單的一種，因其價廉、選用靈活，故廣泛用于小型制冷裝置中，最近在較大制 冷量的機組中也有采用，如我公司 10匹柜機采用了，甚至在更大的單冷系統(tǒng)也 有用到，某公司40KW勺水冷柜機機組中也有采用。目前公司使用的毛細管的規(guī) 格有：、。定制的毛細管規(guī)格有：、，還有6mm 8mm勺銅管也可做較大系統(tǒng)節(jié)流 用等。1、毛細管的節(jié)流特性毛細管節(jié)流是利用制冷劑在細長管內(nèi)流動的阻力而實現(xiàn)的。按使用情況，毛細管可以是有熱交換和無熱交換的，故制冷劑流經(jīng)毛細管的過程可以典型化為絕 熱膨脹過程和有熱交換的膨脹過程

2、。目前公司基本上采用絕熱膨脹的方式。制冷劑在毛細管中的流動狀態(tài)，沿管長方向的壓力和溫度變化，如圖1所示。1）過冷區(qū)從冷凝器流出的液體制冷劑以過冷狀態(tài) 1點進入毛細管內(nèi)流動，并隨著壓力 的降低液體過冷度不斷減小，直至變?yōu)轱柡鸵后w，即理論閃點2點，此段制冷劑 狀態(tài)為單相液體。在這一段中制冷劑在管內(nèi)為絕熱流動， 同時因流速不變，其管 內(nèi)液體部分的壓力降是一條直線。2） 亞穩(wěn)區(qū)即從毛細管內(nèi)流動的制冷劑的理論閃點 2點到達到飽和濕蒸汽點3點。通過 對毛細管的機理研究，由于毛細管直徑很小，制冷劑的流速較大，通常情況下， 會出現(xiàn)亞穩(wěn)定狀態(tài)的液體一一過熱液體的存在，使得閃點的溫度和壓力并不對 應，一般閃點延遲

3、3c左右。3）兩相區(qū)從3點開始制冷劑為汽液兩相流動，隨著壓力的降低，溫度也降低，壓力和 溫度曲線重合。毛細管內(nèi)汽液兩相混合物也是一種可壓縮流體，當毛細管的進口壓力保持不變，制冷劑的質(zhì)量流量將不會隨出口壓力減小而無限增大， 而是達到 某一值后，就不受出口壓力的影響而保持不變，也會出現(xiàn)臨界流現(xiàn)象，也就是說, 通過毛細管的流量，是隨毛細管進口壓力的增加而增加， 而毛細管出口壓力降低 時流量也會增加，但出口壓力降低到臨界壓力以下， 流量就不再增加，即出現(xiàn)臨 界流現(xiàn)象，這也是用毛細管來控制流量的重要待征。圖1制冷劑沿毛細管流動的狀態(tài)變化過程2、毛細管長度對系統(tǒng)的影響1）吸、排氣壓力灌注量一定時，隨毛細管

4、長度的增加，吸氣壓力降低，排氣壓力升高。增加 毛細管的長度，則通過毛細管的質(zhì)量流量下降，向蒸發(fā)器供液減少，開始時壓縮 機質(zhì)量流量不變，導致蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)減少，蒸發(fā)壓力下降，冷凝器內(nèi)工質(zhì)增多， 冷凝壓力上升。隨著吸氣比容開始上升，壓縮機質(zhì)量流量下降，高低壓壓差增大， 使壓縮機的輸氣系數(shù)下降，加大壓縮機質(zhì)量流量的下降趨勢，同時隨壓差增大， 毛細管節(jié)流量又有所回升，最后當毛細管和壓縮機兩者的質(zhì)量流量相等使， 整個 系統(tǒng)穩(wěn)定運行。這時，蒸發(fā)壓力和吸氣壓力下降，冷凝壓力和排氣壓力上升，系 統(tǒng)質(zhì)量流量減少。2）功率和電流空調(diào)器的功率主要由壓縮機和風機電機兩部分組成，其中風機電機的功率很小且基本不變，主要是壓

5、縮機隨運行情況變化。壓縮機的指示功率為：(k 1)/kPi m* k/k 1*Ps*Vs* (Pd/Ps) 1 / i可以看出，指示功率與質(zhì)量流量、高低壓比成正比。壓縮機功率主要受質(zhì)量 流量的影響，隨灌注量的增加，壓縮機質(zhì)量流量增大功率上升。灌注量一定，隨 毛細管減短，質(zhì)量流量增加，冷凝壓力下降，蒸發(fā)壓力上升，壓比減小。根據(jù)上 式，隨質(zhì)量流量的增加，功率有增大趨勢，而隨壓比減少，功率又有減少的趨勢， 這兩者相互制約。通過實驗可以得到，實驗范圍內(nèi)流量的影響起決定作用， 即毛 細管的減短，流量增大，功率上升。電流的變化規(guī)律與功率一致。3)制冷量與能效比當毛細管長度一定時，隨灌注量的增大，制冷量會出

6、現(xiàn)一最大值。因為隨灌 注量的增大，系統(tǒng)工質(zhì)的流量增加，蒸發(fā)壓力上升，單位質(zhì)量制冷量增加，從而 制冷量增大，但隨灌注量的進一步增加，蒸發(fā)壓力、溫度的提高使傳熱溫差減小， 抑制制冷量的進一步上升，當傳熱溫差占主導地位時，制冷量反而會下降，出現(xiàn) 一個最大值。如圖2:的灌注量3v1.0可編輯可修改圖2制冷量隨毛細管和灌注量變化曲線從圖中可看出，隨毛細管的增長，制冷量的最大值向右偏移，造成這種現(xiàn)象 的原因是隨毛細管的增長，阻力增加，冷凝器內(nèi)集液增多，壓力提高，蒸發(fā)器內(nèi) 供液減少，壓力下降，單位質(zhì)量流量下降，蒸汽器換熱面積利用不充分，灌注量 增加，可使蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)增加，改善其換熱條件，使制冷量增大，所以，

7、毛細管 加長后，冷媒灌注量也要相應增加，這樣才會使制冷量達到最大。同樣，對應一定長度的毛細管，存在一最佳灌注量使EERfi最大，對于不同 長度的毛細管，其最佳灌注量對應的 EER&存在一個最大值。制冷量、EER*現(xiàn) 最大值時的毛細管長度與灌注量不一定相同， 因此必須確定優(yōu)化目標，達到系統(tǒng) 最優(yōu)。3、影響毛細管設(shè)計的幾個參數(shù)制冷系統(tǒng)是一個動態(tài)系統(tǒng)，毛細管的供液量受整個系統(tǒng)的影響。歸結(jié)起來, 主要因素有:1）毛細管前制冷劑狀態(tài)毛細管前制冷劑狀態(tài)主要是壓力R和溫度tk,如圖3,毛細管入口處制冷劑 狀態(tài)是不定的，受tk的影響，1是氣液兩相不飽和點，2是飽和點，3是過冷點。隨著Pk的變化，毛細管

8、入口處狀態(tài)要發(fā)生變化。lgP322）毛細管幾何尺寸毛細管幾何尺寸包括內(nèi)徑 D長度L和管內(nèi)壁粗糙度e。毛細管內(nèi)徑D越大, 長度L越短，粗糙度越小，制冷劑在管內(nèi)的流動阻力力就小，供液量就大。反之, 供液量就小。3）熱交換的影響為了使毛細管中的制冷劑過冷，提高制冷系統(tǒng)的熱效率，毛細管一般焊入回 氣管內(nèi)或附著于回氣管表面。通常，毛細管內(nèi)制冷劑與回氣管表面存在著溫度差 to At使制冷劑溫度降低，過冷度增加，管中制冷劑流速受影響，從而影響 供液量。在相同流量下， t與毛細管長度的關(guān)系如圖4,與絕熱情況相比，出 口溫度和干度都降低，如圖5。圖4毛細管長度與 t的關(guān)系 圖5熱交換對毛細管流動的影響4）毛細管

9、出口壓力Peo制冷劑在毛細管出口處形成噴射。氣體動力學指出，出口處截面的壓力P將隨著蒸發(fā)器內(nèi)壓力Pe的降低而降低，隨著P的降低，噴射速度將增加，當增 加到當?shù)氐囊羲贂r，P不再降低，始終等于臨界壓力 P臨。因此，隨著毛細管增 長，壓力和流量都要減小，當增長到一定的長度時，壓力和流量不再隨毛細管增 長而變化。這就是所謂的扼流現(xiàn)象。5）制冷劑含油量制冷劑含油影響毛細管流量的原因有兩個方面： （1）油的粘度遠遠高于制冷 劑的粘度，制冷劑中含少量油會增加混臺物的粘度及相應的流動阻力， 使得流量 減?。唬?）油的表面張力高于制冷劑的表面張力，制冷劑中含油會使混合物的表面張力增大，從而使氣化欠壓增大，氣化延

10、遲，毛細管中的液體段增長，使得兩 相段的加速壓降減小，從而增加毛細管的流量。這兩個方面中第一個方面占優(yōu)， 則流量減小，第二個方面占優(yōu)，則流量增大。至于哪個方面占優(yōu)，則取決于入口 的過冷度，如果過冷度小，則液體段短，兩相段長，加速壓降成為總壓降的主要 部分，則制冷劑中含少量潤滑油增大制冷劑的流量。相反，如果過冷度大，則液 體段長，兩相段短，摩阻壓降成為總壓降的主要部分， 則制冷劑中含少量潤滑油 會減少制冷劑的流量。有實驗分析的曲線，隨著油的質(zhì)量分數(shù)的增加，制冷劑流量減小，氣化欠壓 降低，氣化點位置后移，當含油量從 0增加到5%時，制冷劑流量降低了 4%, 結(jié)果說明混合物粘度變化的影響超過了表面張

11、力變化的影響。圖6是三種含油濃度下沿毛細管的壓力分布。在液體段，含油量為9. 3%時壓力降低比含油量為4. 5%的壓力降低快，二者又都比含油量為 0. 54%時快，到兩相段，則正好相 反。這證實了前面的分析。毛細管長度（51）.014圖6沿毛細管長度的壓力分布6）冷劑種類的影響使用不同的制冷劑，在不改變系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上， 毛細管需做一些改動。改動的長度與制冷劑的物性有密切的聯(lián)系。 總的說來，單位質(zhì)量制冷量大的 工質(zhì)，所需的制冷劑流量就要小，而減小制冷劑的循環(huán)流量一般都是通過減少制冷劑的充注量和增長毛細管長度來實現(xiàn)的。如使用R134a的容量流量僅為 R12的容積流量的80%,因此使用R13

12、4a的毛細管阻力比R12時要大，對相同管徑 的毛細管要加長10%20%。4、毛細管制冷系統(tǒng)的設(shè)計要點在制冷系統(tǒng)的高壓側(cè)，不要設(shè)置儲液器，在保證冷凝器能夠容納全部制 冷劑的前提下，盡量減少其有效容積。因為在采用毛細管作為節(jié)流元件的制冷系統(tǒng)中，若設(shè)置儲液器或冷凝器容積 過大，則當壓縮機停機后，制冷劑液體會繼續(xù)流向蒸發(fā)器，嚴重時蒸發(fā)器內(nèi)液體 被壓縮機再次啟動時吸入，易產(chǎn)生液擊，損傷壓縮機：制冷系統(tǒng)中罐注的制冷劑應適量且準確，與蒸發(fā)器容量相匹配。因為制冷劑的罐注量過多或過少，都會影響其制冷系統(tǒng)的制冷量。一般制冷 系統(tǒng)的制冷劑的罐注量通過設(shè)計計算后由試驗來確定。 選用毛細管時，其內(nèi)徑與長度應有一定的比例

13、。若毛細管過短，則其流動阻力小，流量大，毛細管內(nèi)易混入熱蒸汽，從而降 低制冷效率，也易造成液體倒回到壓縮機而產(chǎn)生液擊現(xiàn)象； 若毛細管過長，則其 流動阻力大，造成排氣壓力過高，而進入蒸發(fā)器內(nèi)的液體量不足， 造成吸氣壓力 過低。有資料介紹，在同樣工況同樣流量的條件下，毛細管的長度近似與其內(nèi)徑 的次方成正比，即 L1/L2= (D1/D2)。適當?shù)卦黾诱舭l(fā)器的有效容積。在使用毛細管作為節(jié)流元件的制冷系統(tǒng)中，適當?shù)卦黾诱舭l(fā)器的有效容積，不僅可以防止液體因回到壓縮機而產(chǎn)生液擊現(xiàn)象， 而且還可以降低壓縮機停機時 的平衡壓力，減少其啟動負荷。制冷系統(tǒng)應保持清潔和干燥，避免水份或雜質(zhì)的進入。因為毛細管的內(nèi)徑很

14、小，其水份或雜質(zhì)的進入很容易造成冰堵或臟堵。 一股 對其制冷系統(tǒng)中的部件都有其水份含量和雜質(zhì)含量的要求，同時在毛細管進口處 裝有干燥過濾器。在實際產(chǎn)品中，往往因為考慮成本，在小系統(tǒng)中很少用干燥劑， 只用了價格非常便宜的過濾器。盡量采用回熱循環(huán)在采用毛細管作為節(jié)流元件的小型制冷裝置中， 一般把靠近蒸發(fā)器部分的吸 氣管和靠近冷凝器部分的毛細管進行并列輔助換熱，從而使高壓側(cè)液體過冷，壓縮機吸入蒸氣過熱，以減少節(jié)流損失，防止壓縮機液擊，提高制冷效率。為避免毛細管出口端噴流所引起的噪音對環(huán)境的干撓，可在毛細管外包扎 阻尼塊等材料，用以隔聲防震。所以毛細管如果用在室內(nèi)側(cè)而室內(nèi)風量又不大的 話，一定要實驗驗

15、證是否有液流聲產(chǎn)生。 當幾根毛細管并聯(lián)使用時，為使流量均勻，其后采用分液器，合適的分 液器設(shè)計和選用也很重要。5、毛細管的計算方法1）經(jīng)驗公式毛細管的計算公式到目前為止都不是很精確?，F(xiàn)介紹一種從管道阻力計算中推導出來的經(jīng)驗公式。公式中的所取的摩阻系數(shù)采用勃蘭休斯公式，即f 0.3164Re 0.25根據(jù)有關(guān)報導，此公式作為摩阻系數(shù)計算毛細管長度，更能接近實際。毛細管計算的經(jīng)驗公式如下：PRe0.25dL1 2-0.1582w式中 P 壓力差（Pk-Pe）,單位為PaRe-雷諾數(shù),L毛細管長度，單位mw制冷劑流量，單位m/s-制冷劑密度，單位kg/m3d毛細管內(nèi)徑，單位 m2）類比法由于毛細管的

16、理論計算比較復雜，因此選配毛細管的方法，一般是用計算法 （或圖解法）初步計算毛細管的直徑和長度，然后再用實驗的方法以驗證精確的直徑與長度。而實用上還可以采用一種所謂類比法。 這是一種經(jīng)驗方法，即參考 比較成熟的同類產(chǎn)品進行類比而選擇所需要的毛細管。可先從已經(jīng)生產(chǎn)的老產(chǎn)品 中挑選一種與所設(shè)計的新產(chǎn)品具有相同或相近的工況，然后按比例推算新產(chǎn)品所 需毛細管的尺寸，然后加以實驗驗證。我公司小系統(tǒng)，尤其是家用空調(diào)應該經(jīng)常 用該方法。3）計算機輔助設(shè)計通過相關(guān)文獻的查閱，可以看出，現(xiàn)國內(nèi)外毛細管的計算機方法的數(shù)學模型 都很類似，主要區(qū)別在于一些公式的選取，現(xiàn)擇選其中一篇含金量較高文章如下， 希望能參考其中

17、的公式，編寫出毛細管計算的實用程序。最后在實驗的基礎(chǔ)上對 其進行修正。（節(jié)選冰箱系統(tǒng)毛細管計算模型,作者：趙曉宇、韓禮鐘、朱明善。工 程熱物理學報，該課題為國家計委“八五”重點攻關(guān)項目，曾于 1994年10 月在浙江寧波召開的中國工程熱物理學會工程熱力學與能源利用學術(shù)會議上宣 讀）11圖2毛氏雷的柒元拄翔作式中G為鹿n流率，M為質(zhì)量流時,管為流速，y為比容*3數(shù)學模型選取毛嫻管內(nèi)的傲元控制體如圖2網(wǎng)所示：在研究中采用簡化的一元流動模型，即 只考慮各參敷沿流向的變化，這樣處理既便 于分析，又可抓住問題的主要特點.3.1單相流動連續(xù)性方程：四叫A =與& 因為管路窿面積不變，化為M ，6=

18、瓦=q=/動世方程：g+ S% +/8曰h 0,即6p + A+ jtwtfv = 0d 2能量方程:+ v4v += 002dS2南招流動為了應用按單相痂推導的公式，采用均相掘動模型，即把氣、液兩相混合物看作一 料均勻介質(zhì).其流動物理參數(shù)采用兩相介質(zhì)的相應參數(shù)的平均值,這里有兩個假設(shè)：液 相和氣相的潦速相等（無相對滑動）兩相介質(zhì)達到蟄力學平衡，卜=xhf + (1 帆33阻力系數(shù)工的選取用直管:單相17.24而語Gd17.24(R,咿Gd兩相盤管：單相n DJ12 tx i+ r甌%)產(chǎn)式中。為冊管曲率直徑.兩相 當匕HO）低端產(chǎn)（丁嚴嗎a_ GdHjtp =arr假搦以上模型和公式，用差分格式編制了一套計算軟件.4計算結(jié)果4.1 設(shè)計計即根據(jù)系統(tǒng)帝邦計算中求得的流用和限定的工況來求毛細管的長度。程序相圖咯.本