毛細(xì)管設(shè)計(jì)計(jì)算與分析

1、v1.0可編輯可修改毛細(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，某公司40KW勺水冷柜機(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：、。定制的毛細(xì)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(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(wú)熱交換的，故制冷劑流經(jīng)毛細(xì)管的過(guò)程可以典型化為絕 熱膨脹過(guò)程和有熱交換的膨脹過(guò)程

2、。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(guò)冷區(qū)從冷凝器流出的液體制冷劑以過(guò)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(guò)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(guò) 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)的液體一一過(guò)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

3、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(wú)限增大， 而是達(dá)到 某一值后，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(shuō), 通過(guò)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(lái)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(guò)程2、毛細(xì)管長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)的影響1）吸、排氣壓力灌注量一定時(shí)，隨毛細(xì)管

4、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(guò)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。2）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

5、縮機(jī)隨運(yùn)行情況變化。壓縮機(jī)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(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(guò)實(shí)驗(yàn)可以得到，實(shí)驗(yàn)范圍內(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。3)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

6、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:的灌注量3v1.0可編輯可修改圖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，

7、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EERfi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&存在一個(gè)最大值。制冷量、EER*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(lái), 主要因素有:1）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R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(guò)冷點(diǎn)。隨著Pk的變化，毛細(xì)管

8、入口處狀態(tài)要發(fā)生變化。lgP322）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。3）熱交換的影響為了使毛細(xì)管中的制冷劑過(guò)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 to At使制冷劑溫度降低，過(guò)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4）毛細(xì)管

9、出口壓力Peo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?。唬?）油的表面張力高于制冷劑的表面張力，制冷劑中含油會(huì)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(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(guò)冷度，如果過(guò)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(guò)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(shuō)明混合物粘度變化的影響超過(guò)了表面張

11、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。毛細(xì)管長(zhǎng)度（51）.014圖6沿毛細(xì)管長(zhǎng)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(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。 總的說(shuō)來(lái)，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(guò)減少制冷劑的充注量和增長(zhǎng)毛細(xì)管長(zhǎng)度來(lái)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R13

12、4a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)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(guò)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)：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^(guò)多或過(guò)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(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算后由試驗(yàn)來(lái)確定。 選用毛細(xì)管時(shí)，其內(nèi)徑與長(zhǎng)度應(yīng)有一定的比例

13、。若毛細(xì)管過(guò)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(guò)長(zhǎng)，則其 流動(dòng)阻力大，造成排氣壓力過(guò)高，而進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)的液體量不足， 造成吸氣壓力 過(guò)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 的次方成正比，即 L1/L2= (D1/D2)。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。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

14、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(guò)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(guò)濾器。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(guò)冷，壓縮機(jī)吸入蒸氣過(guò)熱，以減少節(jié)流損失，防止壓縮機(jī)液擊，提高制冷效率。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)

15、證是否有液流聲產(chǎn)生。 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。現(xiàn)介紹一種從管道阻力計(jì)算中推導(dǎo)出來(lái)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f 0.3164Re 0.25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：PRe0.25dL1 2-0.1582w式中 P 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/s-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

16、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。可先從已經(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)，尤其是家用空調(diào)應(yīng)該經(jīng)常 用該方法。3）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的查閱，可以看出，現(xiàn)國(guó)內(nèi)外毛細(xì)管的計(jì)算機(jī)方法的數(shù)學(xué)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(xì)管計(jì)算的實(shí)用程序。最后在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì) 其進(jìn)行修正。（節(jié)選冰箱系統(tǒng)毛細(xì)管計(jì)算模型,作者：趙曉宇、韓禮鐘、朱明善。工 程熱物理學(xué)報(bào)，該課題為國(guó)家計(jì)委“八五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，曾于 1994年10 月在浙江寧波召開的中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)工程熱力學(xué)與能源利用學(xué)術(shù)會(huì)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(shí),管為流速，y為比容*3數(shù)學(xué)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(jiǎn)化的一元流動(dòng)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(wèn)題的主要特點(diǎn).3.1單相流動(dòng)連續(xù)性方程：四叫A =與& 因?yàn)楣苈妨娣e不變，化為M ，6=

18、瓦=q=/動(dòng)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(dòng)為了應(yīng)用按單相痂推導(dǎo)的公式，采用均相掘動(dòng)模型，即把氣、液兩相混合物看作一 料均勻介質(zhì).其流動(dòng)物理參數(shù)采用兩相介質(zhì)的相應(yīng)參數(shù)的平均值,這里有兩個(gè)假設(shè)：液 相和氣相的潦速相等（無(wú)相對(duì)滑動(dòng)）兩相介質(zhì)達(dá)到蟄力學(xué)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(yǔ)Gd17.24(R,咿Gd兩相盤管：?jiǎn)蜗鄋 DJ12 tx i+ r甌%)產(chǎn)式中。為冊(cè)管曲率直徑.兩相 當(dāng)匕HO）低端產(chǎn)（丁嚴(yán)嗎a_ GdHjtp =arr假搦以上模型和公式，用差分格式編制了一套計(jì)算軟件.4計(jì)算結(jié)果4.1 設(shè)計(jì)計(jì)即根據(jù)系統(tǒng)帝邦計(jì)算中求得的流用和限定的工況來(lái)求毛細(xì)管的長(zhǎng)度。程序相圖咯.本