毛細(xì)管設(shè)計(jì)計(jì)算與分析

-.z.毛細(xì)管的設(shè)計(jì)計(jì)算與分析毛細(xì)管一般指內(nèi)徑為0.4~2.0mm的細(xì)長(zhǎng)銅管。作為制冷系統(tǒng)的節(jié)流機(jī)構(gòu)，毛細(xì)管是最簡(jiǎn)單的一種，因其價(jià)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(jī)組中也有采用，如我公司10匹柜機(jī)采用了，甚至在更大的單冷系統(tǒng)也有用到，*公司40KW的水冷柜機(jī)機(jī)組中也有采用。目前公司使用的毛細(xì)管的規(guī)格有：1.24mm、1.37mm、1.63mm。定制的毛細(xì)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(xì)管的節(jié)流特性毛細(xì)管節(jié)流是利用制冷劑在細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)流動(dòng)的阻力而實(shí)現(xiàn)的。按使用情況，毛細(xì)管可以是有熱交換和無熱交換的，故制冷劑流經(jīng)毛細(xì)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。目前公司基本上采用絕熱膨脹的方式。制冷劑在毛細(xì)管中的流動(dòng)狀態(tài)，沿管長(zhǎng)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(diǎn)進(jìn)入毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)，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(diǎn)2點(diǎn)，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(dòng)，同時(shí)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(xì)管內(nèi)流動(dòng)的制冷劑的理論閃點(diǎn)2點(diǎn)到達(dá)到飽和濕蒸汽點(diǎn)3點(diǎn)。通過對(duì)毛細(xì)管的機(jī)理研究，由于毛細(xì)管直徑很小，制冷劑的流速較大，通常情況下，會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)定狀態(tài)的液體——過熱液體的存在，使得閃點(diǎn)的溫度和壓力并不對(duì)應(yīng)，一般閃點(diǎn)延遲3C左右。3）兩相區(qū)從3點(diǎn)開始制冷劑為汽液兩相流動(dòng)，隨著壓力的降低，溫度也降低，壓力和溫度曲線重合。毛細(xì)管內(nèi)汽液兩相混合物也是一種可壓縮流體，當(dāng)毛細(xì)管的進(jìn)口壓力保持不變，制冷劑的質(zhì)量流量將不會(huì)隨出口壓力減小而無限增大，而是達(dá)到*一值后，就不受出口壓力的影響而保持不變，也會(huì)出現(xiàn)臨界流現(xiàn)象，也就是說，通過毛細(xì)管的流量，是隨毛細(xì)管進(jìn)口壓力的增加而增加，而毛細(xì)管出口壓力降低時(shí)流量也會(huì)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(xì)管來控制流量的重要待征。圖1制冷劑沿毛細(xì)管流動(dòng)的狀態(tài)變化過程2、毛細(xì)管長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)的影響吸、排氣壓力灌注量一定時(shí)，隨毛細(xì)管長(zhǎng)度的增加，吸氣壓力降低，排氣壓力升高。增加毛細(xì)管的長(zhǎng)度，則通過毛細(xì)管的質(zhì)量流量下降，向蒸發(fā)器供液減少，開始時(shí)壓縮機(jī)質(zhì)量流量不變，導(dǎo)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(jī)質(zhì)量流量下降，高低壓壓差增大，使壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)下降，加大壓縮機(jī)質(zhì)量流量的下降趨勢(shì)，同時(shí)隨壓差增大，毛細(xì)管節(jié)流量又有所回升，最后當(dāng)毛細(xì)管和壓縮機(jī)兩者的質(zhì)量流量相等使，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。這時(shí)，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。功率和電流空調(diào)器的功率主要由壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)電機(jī)兩部分組成，其中風(fēng)機(jī)電機(jī)的功率很小且基本不變，主要是壓縮機(jī)隨運(yùn)行情況變化。壓縮機(jī)的指示功率為：可以看出，指示功率與質(zhì)量流量、高低壓比成正比。壓縮機(jī)功率主要受質(zhì)量流量的影響，隨灌注量的增加，壓縮機(jī)質(zhì)量流量增大功率上升。灌注量一定，隨毛細(xì)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(shì)，而隨壓比減少，功率又有減少的趨勢(shì)，這兩者相互制約。通過實(shí)驗(yàn)可以得到，實(shí)驗(yàn)*圍內(nèi)流量的影響起決定作用，即毛細(xì)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。制冷量與能效比當(dāng)毛細(xì)管長(zhǎng)度一定時(shí)，隨灌注量的增大，制冷量會(huì)出現(xiàn)一最大值。因?yàn)殡S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(jìn)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(jìn)一步上升，當(dāng)傳熱溫差占主導(dǎo)地位時(shí)，制冷量反而會(huì)下降，出現(xiàn)一個(gè)最大值。如圖2：圖2制冷量隨毛細(xì)管和灌注量變化曲線從圖中可看出，隨毛細(xì)管的增長(zhǎng)，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(xì)管的增長(zhǎng)，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，毛細(xì)管加長(zhǎng)后，冷媒灌注量也要相應(yīng)增加，這樣才會(huì)使制冷量達(dá)到最大。同樣，對(duì)應(yīng)一定長(zhǎng)度的毛細(xì)管，存在一最佳灌注量使EER值最大，對(duì)于不同長(zhǎng)度的毛細(xì)管，其最佳灌注量對(duì)應(yīng)的EER也存在一個(gè)最大值。制冷量、EER出現(xiàn)最大值時(shí)的毛細(xì)管長(zhǎng)度與灌注量不一定相同，因此必須確定優(yōu)化目標(biāo)，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)。3、影響毛細(xì)管設(shè)計(jì)的幾個(gè)參數(shù)制冷系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，毛細(xì)管的供液量受整個(gè)系統(tǒng)的影響。歸結(jié)起來，主要因素有：毛細(xì)管前制冷劑狀態(tài)毛細(xì)管前制冷劑狀態(tài)主要是壓力Pk和溫度tk，如圖3，毛細(xì)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(diǎn)，2是飽和點(diǎn)，3是過冷點(diǎn)。隨著Pk的變化，毛細(xì)管入口處狀態(tài)要發(fā)生變化。圖3毛細(xì)管幾何尺寸毛細(xì)管幾何尺寸包括內(nèi)徑D、長(zhǎng)度L和管內(nèi)壁粗糙度e。毛細(xì)管內(nèi)徑D越大，長(zhǎng)度L越短，粗糙度越小，制冷劑在管內(nèi)的流動(dòng)阻力力就小，供液量就大。反之，供液量就小。熱交換的影響為了使毛細(xì)管中的制冷劑過冷，提高制冷系統(tǒng)的熱效率，毛細(xì)管一般焊入回氣管內(nèi)或附著于回氣管表面。通常，毛細(xì)管內(nèi)制冷劑與回氣管表面存在著溫度差△t。△t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(xì)管長(zhǎng)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(xì)管長(zhǎng)度與△t的關(guān)系圖5熱交換對(duì)毛細(xì)管流動(dòng)的影響毛細(xì)管出口壓力Pe。制冷劑在毛細(xì)管出口處形成噴射。氣體動(dòng)力學(xué)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(dāng)增加到當(dāng)?shù)氐囊羲贂r(shí)，P不再降低，始終等于臨界壓力P臨。因此，隨著毛細(xì)管增長(zhǎng)，壓力和流量都要減小，當(dāng)增長(zhǎng)到一定的長(zhǎng)度時(shí)，壓力和流量不再隨毛細(xì)管增長(zhǎng)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(xì)管流量的原因有兩個(gè)方面：(1)油的粘度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于制冷劑的粘度，制冷劑中含少量油會(huì)增加混臺(tái)物的粘度及相應(yīng)的流動(dòng)阻力，使得流量減?。?2)油的表面*力高于制冷劑的表面*力，制冷劑中含油會(huì)使混合物的表面*力增大，從而使氣化欠壓增大，氣化延遲，毛細(xì)管中的液體段增長(zhǎng)，使得兩相段的加速壓降減小，從而增加毛細(xì)管的流量。這兩個(gè)方面中第一個(gè)方面占優(yōu)，則流量減小，第二個(gè)方面占優(yōu)，則流量增大。至于哪個(gè)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(zhǎng)，加速壓降成為總壓降的主要部分，則制冷劑中含少量潤(rùn)滑油增大制冷劑的流量。相反，如果過冷度大，則液體段長(zhǎng)，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(rùn)滑油會(huì)減少制冷劑的流量。有實(shí)驗(yàn)分析的曲線，隨著油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，制冷劑流量減小，氣化欠壓降低，氣化點(diǎn)位置后移，當(dāng)含油量從0增加到5％時(shí)，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*力變化的影響。圖6是三種含油濃度下沿毛細(xì)管的壓力分布。在液體段，含油量為9．3％時(shí)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(shí)快，到兩相段，則正好相反。這證實(shí)了前面的分析。圖6沿毛細(xì)管長(zhǎng)度的壓力分布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(xì)管需做一些改動(dòng)。改動(dòng)的長(zhǎng)度與制冷劑的物性有密切的聯(lián)系?？偟恼f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(zhǎng)毛細(xì)管長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)的。如使用R134a的容量流量?jī)H為R12的容積流量的80％，因此使用R134a的毛細(xì)管阻力比R12時(shí)要大，對(duì)相同管徑的毛細(xì)管要加長(zhǎng)10％～20％。4、毛細(xì)管制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)①在制冷系統(tǒng)的高壓側(cè)，不要設(shè)置儲(chǔ)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?yàn)樵诓捎妹?xì)管作為節(jié)流元件的制冷系統(tǒng)中，若設(shè)置儲(chǔ)液器或冷凝器容積過大，則當(dāng)壓縮機(jī)停機(jī)后，制冷劑液體會(huì)繼續(xù)流向蒸發(fā)器，嚴(yán)重時(shí)蒸發(fā)器內(nèi)液體被壓縮機(jī)再次啟動(dòng)時(shí)吸入，易產(chǎn)生液擊，損傷壓縮機(jī)：②制冷系統(tǒng)中罐注的制冷劑應(yīng)適量且準(zhǔn)確，與蒸發(fā)器容量相匹配。因?yàn)橹评鋭┑墓拮⒘窟^多或過少，都會(huì)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(jì)計(jì)算后由試驗(yàn)來確定。③選用毛細(xì)管時(shí)，其內(nèi)徑與長(zhǎng)度應(yīng)有一定的比例。若毛細(xì)管過短，則其流動(dòng)阻力小，流量大，毛細(xì)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(jī)而產(chǎn)生液擊現(xiàn)象；若毛細(xì)管過長(zhǎng)，則其流動(dòng)阻力大，造成排氣壓力過高，而進(jìn)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(xì)管的長(zhǎng)度近似與其內(nèi)徑的4.6次方成正比，即L1/L2=（D1/D2）4.6。④適當(dāng)?shù)卦黾诱舭l(fā)器的有效容積。在使用毛細(xì)管作為節(jié)流元件的制冷系統(tǒng)中，適當(dāng)?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(jī)而產(chǎn)生液擊現(xiàn)象，而且還可以降低壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)的平衡壓力，減少其啟動(dòng)負(fù)荷。⑤制冷系統(tǒng)應(yīng)保持清潔和干燥，避免水份或雜質(zhì)的進(jìn)入。因?yàn)槊?xì)管的內(nèi)徑很小，其水份或雜質(zhì)的進(jìn)入很容易造成冰堵或臟堵。一股對(duì)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(shí)在毛細(xì)管進(jìn)口處裝有干燥過濾器。在實(shí)際產(chǎn)品中，往往因?yàn)榭紤]成本，在小系統(tǒng)中很少用干燥劑，只用了價(jià)格非常便宜的過濾器。⑥盡量采用回?zé)嵫h(huán)在采用毛細(xì)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(xì)管進(jìn)行并列輔助換熱，從而使高壓側(cè)液體過冷，壓縮機(jī)吸入蒸氣過熱，以減少節(jié)流損失，防止壓縮機(jī)液擊，提高制冷效率。⑦為避免毛細(xì)管出口端噴流所引起的噪音對(duì)環(huán)境的干撓，可在毛細(xì)管外包扎阻尼塊等材料，用以隔聲防震。所以毛細(xì)管如果用在室內(nèi)側(cè)而室內(nèi)風(fēng)量又不大的話，一定要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是否有液流聲產(chǎn)生。⑧當(dāng)幾根毛細(xì)管并聯(lián)使用時(shí)，為使流量均勻，其后采用分液器，合適的分液器設(shè)計(jì)和選用也很重要。5、毛細(xì)管的計(jì)算方法1)經(jīng)驗(yàn)公式毛細(xì)管的計(jì)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(jì)算中推導(dǎo)出來的經(jīng)驗(yàn)公式。公式中的所取的摩阻系數(shù)采用勃蘭休斯公式，即根據(jù)有關(guān)報(bào)導(dǎo)，此公式作為摩阻系數(shù)計(jì)算毛細(xì)管長(zhǎng)度，更能接近實(shí)際。毛細(xì)管計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式如下：式中－壓力差（Pk-Pe），單位為PaRe——雷諾數(shù)，L——毛細(xì)管長(zhǎng)度，單位mw——制冷劑流量，單位m/sρ——制冷劑密度，單位kg/m3d——毛細(xì)管內(nèi)徑，單位m2)類比法由于毛細(xì)管的理論計(jì)算比較復(fù)雜，因此選配毛細(xì)管的方法，一般是用計(jì)算法（或圖解法）初步計(jì)算毛細(xì)管的直徑和長(zhǎng)度，然后再用實(shí)驗(yàn)的方法以驗(yàn)證精確的直徑與長(zhǎng)度。而實(shí)用上還可以采用一種所謂類比法。這是一種經(jīng)驗(yàn)方法，即參考比較成熟的同類產(chǎn)品進(jìn)行類比而選擇所需要的毛細(xì)管?？上葟囊呀?jīng)生產(chǎn)的老產(chǎn)品中挑選一種與所設(shè)計(jì)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(xì)管的尺寸，然后加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。我公司小系統(tǒng)，尤其是家用空