制冷系統(tǒng)管路設計

1、制冷系統(tǒng)管路設計一、概述制冷管路的設計需要綜合考慮以下的因素：最大的制冷量、最低的成本、正常的回油、最小的功率消耗、最小的制冷劑充注量、低噪聲、正確的制冷劑流量控制以及系統(tǒng)制冷量能夠從0到100%變化而且不會引起任何潤滑方面的故障。影響管路設計最主要的兩個因素是：管路的壓降和流速。制冷劑管路中的壓降會降低制冷量和增大功率的消耗，降低能效比，因此應避免過大的壓降。液體管路中的壓降一般不會直接影響制冷量，但液體管路中的壓降必須保證液體在進入節(jié)流裝置前是飽和液體，液體管路中過大的壓降會使液體管路中產(chǎn)生閃發(fā)蒸汽，在節(jié)流前產(chǎn)生閃發(fā)蒸汽會直接影響節(jié)流裝置控制和調(diào)節(jié)流量、壓降的能力。為減小壓降而增大液體管路

2、管徑，會引起系統(tǒng)中制冷劑充注量的增加。過量的制冷劑將嚴重影響制冷劑流量的控制，在制冷系統(tǒng)的低壓側，大量的液態(tài)制冷劑的慣性效應將使制冷劑流動控制裝置動作失常。在吸排氣管和蒸發(fā)器管路中更應保持足夠的流速，因為油和汽態(tài)制冷劑并不容易混合，只有制冷劑流速大到足以攜帶冷凍油一起移動，油才能在系統(tǒng)中正常循環(huán)。另外，在管路設計時應盡量保證停機后兩器內(nèi)的制冷劑液體不能沿管路流動造成制冷劑的遷移（因室內(nèi)、外溫差而造成的制冷劑遷移除外），絕對不允許進入壓縮機。對冷凝器位置高于蒸發(fā)器的機組，若停機后冷凝器中的制冷劑液體沿管路流進蒸發(fā)器，再次開機時，蒸發(fā)器出氣管就會大量帶液，系統(tǒng)無汽分或汽分太小的情況下都有可能對壓縮

3、機造成液擊。二、液體管路的設計液體管路中中制冷劑液體和潤滑油在溫度較高時能充分混合，一般不用考慮液體管路的設計對系統(tǒng)回油的影響。液體管路設計主要考慮下面的因素：制冷劑在進入節(jié)流裝置時應是過冷液體、液體管路對系統(tǒng)充注量的影響、節(jié)流方式、分流方式等。1、 制冷劑在進入節(jié)流裝置時應是過冷液體當液態(tài)制冷劑壓力降到其飽和壓力時，有一部分制冷劑液體將閃發(fā)成蒸汽，冷卻余下的制冷劑液體到新的飽和溫度。當因管徑過小產(chǎn)生過大的摩擦阻力或豎直向上流動造成液體管壓降過大時都有可能引起制冷劑的閃發(fā)。閃發(fā)蒸汽在幾個方面都對系統(tǒng)的性能造成不利的影響：由于管路的壓降會使通過節(jié)流裝置兩端的壓降減?。ūＷC蒸發(fā)壓力、冷凝壓力穩(wěn)定）

4、造成通過節(jié)流裝置的制冷劑流量不足；閃發(fā)蒸汽的存在使得進入節(jié)流裝置的流體中只有部分是液體，引起節(jié)流裝置供液量不足；進入膨脹閥前閃發(fā)蒸汽的存在會產(chǎn)生汽蝕，腐蝕膨脹閥的閥座和閥針，引起噪聲。制冷劑在進入節(jié)流裝置前的壓降主要由管路的阻力損失（包括沿程阻力損失和局部阻力損失）和豎直上升管路的液柱壓頭引起。每米液態(tài)制冷劑壓頭等效于11.5kPa。對于15米的豎直上升管路，液柱壓頭172.5 kPa，系統(tǒng)匹配時需要考慮這172.5 kPa的液柱壓降。在正常的冷凝溫度下，過冷度變化1，所對應的飽和壓力的變化如下：制冷劑過冷度飽和壓力R12121.4kPaR22133.9kPaR502135.7kPa因此對于1

5、5米的豎直上升管路，液柱壓頭172.5 kPa，系統(tǒng)匹配時冷凝器(R22)的克服液柱壓頭損失的過冷度應保證為172.5/33.95，才可確保進入膨脹閥前的制冷劑不含閃發(fā)蒸器。管路的阻力損失（沿程阻力損失和局部阻力損失）包括通過銅管的阻力損失，通過電磁閥、過濾器、手動閥等的阻力損失。一般情況下，大多數(shù)系統(tǒng)的液管尺寸可以按照40 kPa的上限壓降進行設計。綜合上述因素，對于室內(nèi)、外機間有較長配管的系統(tǒng)匹配時冷凝器(R22)的過冷度應保證為7-10，才可確保進入膨脹閥前的制冷劑不含閃發(fā)蒸器。蒸發(fā)器、冷凝器距離較近時冷凝器(R22)的過冷度為5左右有較好的技術經(jīng)濟性。下圖為不同的液管管徑下流速與壓降的

6、對應關系，可供液管選型時參照。液管選型時還要綜合考慮液管上制冷配件的接口尺寸，選取管徑。另外，當液體管路使用電磁閥時制冷劑流速應低于1.5m/s，否則當電磁閥突然關閉時可能會因為壓力波動或液體沖擊而破壞管路。 2、 液體管路對系統(tǒng)充注量的影響液體管路選取過大會使系統(tǒng)充注量增大，停機時豎直接管中的大量的制冷劑液體會流入位置較低的換熱器中，尤其是蒸發(fā)器位置較低時，再次開機時，蒸發(fā)器中大量積聚的制冷劑液體會沖擊壓縮機。另外，液管中大量的制冷劑液體在流動時有較大的慣性，會沖擊膨脹閥的流口組件，在工況變化劇烈時，會影響流口組件的正常動作。不能為了降低管路的阻力，而選取過大的液管管徑。3、 節(jié)流方式的選擇

7、 流體流經(jīng)膨脹機構時，由于進間很短，可看作是絕熱節(jié)流。節(jié)流后液體變成濕蒸汽，其中蒸汽的含量約占總制冷劑質量的10%-30%。膨脹機構除了起節(jié)流作用外，還起調(diào)節(jié)進入蒸發(fā)器的制冷劑流量的作用。節(jié)流方式的選擇對機組性能的影響至關重要。3.1兩次節(jié)流、中間氣液分離通過兩個階段的節(jié)流達到制冷劑的減壓：通過第一毛細管，使液體制冷劑膨脹到中間壓力后，由汽液分離器將氣態(tài)制冷劑和液態(tài)制冷劑分離，液態(tài)制冷劑通過第二毛細管進一步膨脹（減壓），而氣態(tài)制冷劑則通過注入通路進入壓縮機。可以提高制冷能力10%-20%。 在使用膨脹閥與板式換熱器的機組中采用下圖所示制冷循環(huán)，可以提高制冷量10%，板換分液器可以起輔助節(jié)流作用

8、。（在取消分液器后，汽液分離器中大量集油。）3.2液體管路帶回熱器的制冷循環(huán)在系統(tǒng)中增加一個回熱器,使節(jié)流前的液體和來自蒸發(fā)器的低溫蒸器進行內(nèi)部熱交換。熱交換的結果是制冷劑液體過冷，低溫蒸氣有效過熱。這樣，不僅可增加單位制冷量，而且可以減少蒸氣與環(huán)境空氣之間的傳熱溫差，減少甚至消除吸氣管中的有害過熱。具有回熱器的系統(tǒng)圖與壓焓圖如圖示。沒有回熱器的制冷循環(huán)1-2-3-4，增加回熱器的制冷循環(huán)1-2-3-4。單位制冷量的增加量為h4-h4。對R12、R502采用回熱循環(huán)后制冷系數(shù)及單位容積制冷量均有所提高，對R717、R22采用回熱循環(huán)后制冷系數(shù)及單位容積制冷量均有所降低。液體管路帶回熱器的制冷循

9、環(huán)對R22制冷系統(tǒng)意義不大。3.3噴液冷卻噴液冷卻就是將冷凝器出口的一部分液體通過噴液電磁閥、噴液膨脹閥引入壓縮機，通過制冷劑的蒸發(fā)潛熱降低壓縮機的排氣溫度和電動機的溫度，保護壓縮機及制冷系統(tǒng)在惡劣工況下工作。噴液冷卻并不能提高制冷循環(huán)的單位制冷量，但能降低壓縮機的功耗，增加能效比；同時保護壓縮機的正常運行，使壓縮機適用于更廣的工況范圍。壓縮功耗的降低見壓焓圖中虛線部分。3.4液體管路帶經(jīng)濟器的制冷循環(huán)經(jīng)濟器實際上是一個液體過冷器，來自冷凝器的高壓液體通過經(jīng)濟器，其中一小部分液體經(jīng)輔助節(jié)流閥在經(jīng)濟器內(nèi)蒸發(fā)而吸收高壓液體熱量以使其過冷。過冷液體經(jīng)主節(jié)流閥進入蒸發(fā)器蒸發(fā)就會提高單位質量制冷劑的制冷

10、量。經(jīng)濟器內(nèi)需要始終維持一個中間壓力，經(jīng)濟器內(nèi)產(chǎn)生的制冷劑蒸器要被連續(xù)抽走。經(jīng)濟器制冷循環(huán)可以大幅提高制冷量及制冷系數(shù)，蒸發(fā)溫度越低，效果越明顯。從壓焓圖上可以看出單位制冷量增加，壓縮功耗減少。4、分流方式的選擇當蒸發(fā)器為多回路蒸發(fā)盤管時，將節(jié)流后的氣液混合物均勻地分配給各路蒸發(fā)器，對制冷機的性能至關重要。分液不均不僅會使機組制冷、制熱效果差，還會對制冷機組的性能危害很大。對熱泵機組制熱時，分液不均會使分液多的回路制冷劑蒸發(fā)不完全，而導致此回路迅速結霜，且結霜非常嚴重，造成化霜不干凈，進而惡性循環(huán)，壓縮機回液，低壓跳停。制冷時，分液多的回路制冷劑蒸發(fā)不完全，盤管溫度偏低，除濕能力強，嚴重時會使

11、室內(nèi)盤管結霜，壓縮機回液。影響分流效果的主要因素是節(jié)流后氣液兩相制冷劑流動時流態(tài)的不均勻與各分流支路的阻力。相對而言，保證各各分流支路的阻力相同比較簡單，一般只要保證選取相同管徑、相同長度的分流管。要使氣液兩相混合物均勻地進入各分流路，就需要選取合理的分流型式。對家用機等小型的制冷機，可采用毛細管分流。對較大型的蒸發(fā)盤管，分流型式較多，現(xiàn)在廣泛使用的有節(jié)流噴咀式和文丘里管型兩種。4.1毛細管分流采用毛細管分流一方面可嚴格保證各分流路具有相近的阻力降；另一方面，分流毛細管可以輔助節(jié)流，使經(jīng)過一次節(jié)流后進入分流管的制冷劑含有盡可能少的閃發(fā)蒸氣或為仍為飽和液體，從兩個方面保證分流的均勻性。下圖為比較

12、典型的毛細管分流，取消主節(jié)流毛細管更能制冷機的性能，匹配上比較困難。圖示翅片盤管作冷凝器使用時，冷凝液體直接通過單向閥，不通過圖中毛細管；作蒸發(fā)器用時，制冷劑經(jīng)過主毛細管一次節(jié)流后，再由分流毛細管分流。4.2分流頭分流4.2.1節(jié)流噴咀式分流頭節(jié)流噴咀式分流頭由分流頭本體,節(jié)流噴咀組成。從熱力膨脹閥出口的制冷劑液體，通過節(jié)流噴咀時，由于截面突然收宿，使制冷劑的動壓升高，流速增加，流體通過噴咀后，在噴咀兩側形成壓差，高速流動的氣液兩相制冷劑進入混合室后產(chǎn)生渦流，使氣液兩相的制冷劑充分混合，并均勻地分配到分液器各輸出口。 對于兩器都采用翅片式換熱器的熱泵機組，室內(nèi)、外機都需要使用分流頭，可以使用帶

13、旁通管的節(jié)流噴咀分流頭。經(jīng)初步試驗效果也比較好。4.2.2文丘里管型分流頭 文丘里管型分流頭結構十分簡單，只有本體，不帶其它零部件，但加工困難。從熱力膨脹閥出口的制冷劑兩相混合物，由分流頭進口A流經(jīng)收縮口B時，雖流速較高，壓力降較大，但流線平順，不與管壁脫離，使氣液兩相流體均勻地進入圓環(huán)形流道C中，由于管內(nèi)收縮與擴張段采用平滑過渡，制冷劑在整個流動過程中不產(chǎn)生紊流，所以文丘里管型分流頭阻力較小，對安裝位置無特殊要求。4.2.3分流頭使用注意事項分流頭一般應直接安裝在膨脹閥的出口處，若必須接一管段，也應盡量短，最長不要超過1.5米。盡量避免分流頭與膨脹閥之間有閥件或狹窄處，否則會產(chǎn)生附加壓降；兩

14、者之間的連接管還應盡量避免彎曲，否則會因離心力破壞兩相流體的流動均勻性，引起分流不均。分流頭的出口向下安裝為宜，盡量避免水平布置，避免氣液兩相的重力差引起氣液分離造成分流不均勻。尤其是低負荷時制冷劑流速減慢，重力對氣液分離的影響加大，更會引起分配不均。分流頭的出口孔數(shù)應與蒸發(fā)器分路數(shù)相等，若分流頭出口孔數(shù)較多，而將其中一部分孔堵塞后勉強配用，則必然會引起制冷劑分配不均勻。4.2.4分流管的選取合理選取分流管與分流頭匹配使用也至關重要。表1為不同管徑的分流管在不同蒸發(fā)溫度下的容量表，分流管的額定容量基于進入熱力膨脹閥的液體溫度為37.8，分液管長度為762mm。如果進入熱力膨脹閥的液體溫度不是3

15、7.8，則利用表2加以修正。如果分流管的長度不是762mm，則利用表3加以修正。表1 分流管的額定容量分液管外徑壁厚約1/mm蒸發(fā)溫度制冷劑R12R22R5024.4-6.7-184.4-6.7-184.4-6.7-1840.670.490.390.910.740.560.630.460.3551.41.050.811.861.541.161.30.980.7762.82.11.583.853.122.352.562.031.5185.64.23.157.75.954.555.253.852.91109.87.355.612.9510.157.78.757.05.25表2 液體溫度修正系數(shù)液體

16、溫度1015.621.126.732.237.843.348.9修正系數(shù)2.11.831.591.371.171.000.850.72表3 分流管長度修正系數(shù)分流管長mm305457610762914106712191371152416761829修正系數(shù)1.361.161.071.000.950.900.860.820.790.760.73三、吸氣管路的設計由于流動產(chǎn)生的阻力損失,導致壓縮機吸氣口處的壓力低于蒸發(fā)器出口處的壓力。當吸氣壓力降低時，回氣比容增大，壓縮機的排氣量減少，機組制冷量將會有損失。同時吸氣管中還要維持足夠高的制冷劑流速以使冷凍油能順利返回壓縮機。吸氣管中溫度低，冷凍油粘度

17、大，冷凍油在吸氣管中沿管壁流動。油在吸氣管中的移動取決于吸氣的比容和速度，即質量流量。當比容增大時，必須維持較高的速度以使油隨制冷劑一起移動。水平管內(nèi)額定最低流速推薦值是3.6米/秒，豎直管內(nèi)額定最低流速推薦值是7.6米/秒。如果系統(tǒng)有能量調(diào)節(jié)，應按最小負載時的制冷量來選擇吸氣管尺寸。低壓降與高流速的要求相矛盾，選型時應首先保證正?；赜汀Ｒ韵聝蓤D分別為在不同制冷量與不同蒸發(fā)溫度下保證回油的推薦最大吸氣管尺寸。 水平管路應在流動方向向下傾斜，以利回油，斜度大約是每10英尺（3米）下降1/2英寸（1.27厘米）。制冷劑管路應盡可能短而直。為了方便吸氣上升管中的回油，每5米左右上升管應設存油彎。為了

18、避免儲存過多的冷凍油，存油彎應盡可能的小。對于有能量調(diào)節(jié)的機組，若機組最大、最小負載相差很大時，按最小負載來匹配吸氣管會造成最大負載時制冷量損失很大，可以在控制邏輯是增加特定的回油循環(huán)運行來彌補，適當?shù)脑龃笪鼩夤軓?。也可以采用雙升管的型式，如下圖。兩根管的截面積之和應等于最大負荷時同時滿足氣體流速和壓降條件下的單根吸氣管的截面積。細管的截面積滿足最小負載時的流速和壓降的要求。在最大負荷條件下，氣體和油同時流過兩根管，在低負荷條件下氣體速度不足以攜帶油在兩根管中流動。油將從制冷劑中析出，沉積在油彎部位，形成液封。在P形彎的右側將會形成一段油柱，當油柱的壓力等于整個細管段的壓降時P1-P2=P，油柱高度將維持不變。此時液封將迫使流體從細管流過，因而提升了速度，保證了正常回油。為了防止停機時蒸發(fā)器內(nèi)的液態(tài)制冷劑沿吸氣管進入壓縮機，蒸發(fā)器的吸氣集管都應設截流彎。當使用多個蒸發(fā)器，連接在公共吸氣管上時，在連接部份應設反向截流彎，以防止一個蒸發(fā)器回流制冷劑影響其他蒸發(fā)器的膨脹閥溫包控制系統(tǒng)。當吸氣上升管和蒸發(fā)器相連時，中間應留有一段水平段和截油彎用于安裝感