毛細管設計計算與分析報告

1、毛細管的設計計算與分析毛細管一般指內徑為0.42.0mm的細長銅管。作為制冷系統(tǒng)的節(jié)流機構，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的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：1.24mm、1.37mm、1.63mm。定制的毛細管規(guī)格有：1.8mm、2.1mm、2.4,還有6mm、8mm的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流動的阻力而實現的。按使用情況，毛細管可以是有熱交換和無熱交換的，故制冷劑流經毛細管的

2、過程可以典型化為絕熱膨脹過程和有熱交換的膨脹過程。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為絕熱流動，同時因流速不變，其管內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，會出現亞穩(wěn)定狀態(tài)的液體一一過熱液體的存在，使得閃點的

3、溫度和壓力并不對應，一般閃點延遲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，也會出現臨界流現象，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，即出現臨界流現象，這也是用毛細管來控制流量的重要待征。壓力盅拿圖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

4、壓力灌注量一定時，隨毛細管長度的增加，吸氣壓力降低，排氣壓力升高。增加毛細管的長度，則通過毛細管的質量流量下降，向蒸發(fā)器供液減少，開始時壓縮機質量流量不變，導致蒸發(fā)器內工質減少，蒸發(fā)壓力下降，冷凝器內工質增多，冷凝壓力上升。隨著吸氣比容開始上升，壓縮機質量流量下降，高低壓壓差增大，使壓縮機的輸氣系數下降，加大壓縮機質量流量的下降趨勢，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)質量流量減少。2) 功率和電流空調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

5、變，主要是壓縮機隨運行情況變化。壓縮機的指示功率為：(k1)/kPim*k/k1*Ps*Vs*(Pd/Ps)1/i可以看出，指示功率與質量流量、高低壓比成正比。壓縮機功率主要受質量流量的影響，隨灌注量的增加，壓縮機質量流量增大功率上升。灌注量一定，隨毛細管減短，質量流量增加，冷凝壓力下降，蒸發(fā)壓力上升，壓比減小。根據上式，隨質量流量的增加，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，制冷量會出現一最大值。因

6、為隨灌注量的增大，系統(tǒng)工質的流量增加，蒸發(fā)壓力上升，單位質量制冷量增加，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，出現一個最大值。如圖2: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，造成這種現象的原因是隨毛細管的增長，阻力增加，冷凝器內集液增多，壓力提高，蒸發(fā)器內供液減少，壓力下降，單位質量流量下降，蒸汽器換熱面積利用不充分，灌注量增加，可使蒸發(fā)器內工質增加，改善其換熱條件，使制冷量增大，所以，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

7、大。同樣，對應一定長度的毛細管，存在一最佳灌注量使EER值最大，對于不同長度的毛細管，其最佳灌注量對應的EER也存在一個最大值。制冷量、EER出現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、影響毛細管設計的幾個參數制冷系統(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Pk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，毛細管入口處狀態(tài)要發(fā)生變化。igPh圖32）毛細管幾何尺寸毛細管幾何尺寸包括內徑D、長度L

8、和管內壁粗糙度e。毛細管內徑D越大，長度L越短，粗糙度越小，制冷劑在管內的流動阻力力就小，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或附著于回氣管表面。通常，毛細管內制冷劑與回氣管表面存在著溫度差toAt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的關系圖5熱交換對毛細管流動的影響w二以上，制盤同4）毛細管出口壓力Pe。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

9、發(fā)器內壓力Pe的降低而降低，隨著P的降低，噴射速度將增加，當增加到當地的音速時，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??；（2）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)，

10、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，隨著油的質量分數的增加，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%,結果說明混合物粘度變化的影響超過了表面張力變化的影響。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

11、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(cm)14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)的整體結構的基礎上，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系?？偟恼f來，單位質量制冷量大的工質，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的。如使用R134a的容量流量僅為R12的容積流量的80%,因此使用R134a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)的設計要點在制冷系統(tǒng)的高壓側，不要設置儲液器，在保證冷凝器

12、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)器內液體被壓縮機再次啟動時吸入，易產生液擊，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計計算后由試驗來確定。選用毛細管時，其內徑與長度應有一定的比例。若毛細管過短，則其流動阻力小，流量大，毛細管內易混入熱蒸汽，從而降低制冷效率，也易造成液體倒回到壓縮機而產生液擊現象；若毛細管過長，則其流動阻力大，造成排氣

13、壓力過高，而進入蒸發(fā)器內的液體量不足，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徑的4.6次方成正比，即L1/L2=(D1/D2)4.6。適當地增加蒸發(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，適當地增加蒸發(fā)器的有效容積，不僅可以防止液體因回到壓縮機而產生液擊現象，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，避免水份或雜質的進入。因為毛細管的內徑很小，其水份或雜質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。在實際產品中，往往因為考慮成本，

14、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側而室內風量又不大的話，一定要實驗驗證是否有液流聲產生。當幾根毛細管并聯使用時，為使流量均勻，其后采用分液器，合適的分液器設計和選用也很重要。5、毛細管的計算方法1）經驗公式毛細管的計算公式到目前為止都不是很精確?，F介

15、紹一種從管道阻力計算中推導出來的經驗公式。公式中的所取的摩阻系數采用勃蘭休斯公式，即0cc/c/c025f0.3164Re根據有關報導，此公式作為摩阻系數計算毛細管長度，更能接近實際。毛細管計算的經驗公式如下：PRe0.25d20.1582w式中P壓力差（Pk-Pe）,單位為PaRe雷諾數，L毛細管長度，單位mw制冷劑流量，單位m/sP制冷劑密度，單位kg/m3d毛細管內徑，單位m2）類比法由于毛細管的理論計算比較復雜，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。這是一種經驗方法，即參考

16、比較成熟的同類產品進行類比而選擇所需要的毛細管。可先從已經生產的老產品中挑選一種與所設計的新產品具有相同或相近的工況，然后按比例推算新產品所需毛細管的尺寸，然后加以實驗驗證。我公司小系統(tǒng)，尤其是家用空調應該經常用該方法。3）計算機輔助設計通過相關文獻的查閱，可以看出，現國內外毛細管的計算機方法的數學模型都很類似，主要區(qū)別在于一些公式的選取，現擇選其中一篇含金量較高文章如下，希望能參考其中的公式，編寫出毛細管計算的實用程序。最后在實驗的基礎上對其進行修正。（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，1995.5,該課題為國家計委“八五”重點攻關項目，曾于1994年

17、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會議上宣讀）3數學模型選取毛細管內的潮元控制體如圖2同所示：在研究中采用簡化的一元流動模型，即只考慮各參數沿流向的變化，這樣處理既便于分析尺可抓住問題的主要特點.3.1單相流動連續(xù)性方程：出叫同1=的片力?圖2毛三管的惕元拄副體A/vtuag=N=而=可式中G為限時流率,M為質量流址,為流速，y為比容.因為管路嵌面積不變，化為動量方程：功+跖/十/8"=5即如+pvv=0能林方程:3.2兩相流動為了應用按單相漉推導的公式，聚用均相膈動模型，即把氣，液兩相混合物看作一種均勻介質,其流動物理舂數采用兩相介質的相應參數的平均值

18、*這里有兩個假設：液相和氣相的流速相等（無相對滑動）1兩相介質達到熱力學平衡，S3阻力系敷工的選取國直管:單相17.24、_1工利%=(Ref)DW夠啜盤管:兩相單相o.3on()0B式中。為盤管曲率直徑.兩相上尸=號(W)低哈產(奈。S"1DGdRerp=PTP根據以上模型和公式，用差分格式編制了一套計算軟件4計算結果4.1 設計計，即根據系統(tǒng)循環(huán)計算中求得的流收和限定的工況來求毛細管的長度。程序相圖略,本程序可計算三種形式的毛細管：品在管、b,盤管,c.混合式.喻人參數：毛細管入口壓力“，出口壓力以，入口過冷度DSUB,質髭薄做M和內徑d;若為b、c形式的毛細管還需輸入Z=O轆出結果為管長E。下面以工質CFC-12為例，計算工況：pi=L18MPa,M=27.9kg/h,仁L7657mm,D5(7B=0,c形式Z=2O不同內值對管長的影響列于下表.衰16(MPa)試會值L(m)計算值L(m)相差(cm)«*(%)1.180.00.01.130.60.6151.52的1.0B1.21.118-g-6.H30.991.81.«303Q1.670%2.42.4626.22.580.71303.13523.64.500.433.63.630XO0.