技术探讨：制冷系统中毛细管管径和长度的设计

         毛细管是应用广泛的节流装置,在家用冰箱、冷柜、空调器等小型制冷设备中被普遍采用。与热力膨胀阀等其他节流装置相比,毛细管结构简单、成本低、无活动部件、使用维护方便,但对设计和配管要求较高[1]。毛细管的管径和长度是决定其节流性能的关键几何参数,直接影响着制冷系统的节流过程、蒸发温度、制冷量等性能指标。设计合理的毛细管参数可提高系统效率,优化能耗,对节能降耗具有重要意义。

 

一、 细管作用原理      

         

毛细管在制冷系统中并联于蒸发器,其作用是将冷凝器出口的高压高温液态(或亚临界态)制冷剂节流为蒸发器所需的低压低温制冷剂,同时与蒸发器形成并联回路,使系统压力自平衡。具体来说,高压液态制冷剂在通过细长毛细管的过程中,因流动阻力而产生压降,制冷剂压力和温度迅速下降并发生相变,最终在蒸发器入口处形成低压低温的气液两相制冷剂[2]。毛细管出口处的低压饱和制冷剂进入蒸发器吸热蒸发,在蒸发器出口处的过热蒸气再经过压缩机压缩,完成一个制冷循环。

 

二、毛细管参数关系      

         

(一)毛细管通径、长度与节流压降的关系    
制冷剂在通过毛细管时,因受摩擦阻力和局部阻力作用,其压力沿程逐渐下降,流速不断加快。毛细管沿程压降与通径、长度的关系可用Darcy-Weisbach方程表示[3]:

ΔP = f x (L / D) x (ρ x V^2) / 2

式中,ΔP为压降, f为摩擦阻力系数; L为毛细管长度, D为毛细管内径, ρ为制冷剂密度, V为制冷剂流速,。    
由式(1)可知,在其他参数一定时,毛细管压降与长度成正比,与内径的五次方成反比,即延长毛细管或减小内径均可增大压降。在实际设计中,通常固定毛细管内径,通过调整管长来控制节流压降。

(二)毛细管流量、节流压力与制冷量的关系    
毛细管的质量流量可用Poiseuille定律估算[4]:

m = π x ΔP x r^4 / (8 x η x L)

式中, m是毛细管的质量流量，ΔP是管道两端的压差，r是毛细管的半径，L是毛细管的长度，η是流体的粘度    
可见,毛细管流量与管径的四次方成正比,与长度成反比。增大毛细管流量意味着单位时间内流经蒸发器的制冷剂量增加,可提高制冷量,但同时也会引起蒸发压力升高。
蒸发器的制冷量可表示为[5]:

Q = m x h_fg

式中, Q是制冷量，m是蒸发器中蒸发的质量流量，h_fg是液体在蒸发过程中的汽化潜热。    
蒸发器焓变取决于蒸发温度(即蒸发压力),蒸发温度越低,焓变越大。为在满足蒸发温度的同时获得较大的制冷量,就需要合理匹配毛细管通径、长度参数,在流阻和流量之间寻求平衡,并考虑出口压力对蒸发温度的影响。

(三)毛细管参数与制冷剂热力性质的关系    
不同种类、不同状态下的制冷剂,其热力性质参数如密度、黏度、比热容等差异显著,导致其在毛细管内的流动特性和传热特性不尽相同。例如在相同压力下,R290的饱和液体密度低于R22,黏度也更小,因而R290在毛细管内的压降更小,流量更大[6]。但R290的气化潜热更高,有利于获得大的单位焓变。此外,临界参数的差异也会影响毛细管内的相变过程。因此,设计毛细管时须充分考虑所选制冷剂的热力性质特点。

 

三、 影响毛细管设计的因素      

         

 

(一)毛细管前制冷剂的状态    
进入毛细管前制冷剂的状态(饱和液体、亚临界液体或两相)直接影响毛细管内的节流减压过程。当进口为饱和液体时,制冷剂在管内会迅速汽化,压力急剧下降;当进口为亚临界液体时,节流前一段管内为单相液体,之后才开始汽化;当进口为气液两相态时,气相比例越大,可发生的相变就越少。进口状态可通过冷凝压力、冷凝温度和毛细管入口处的过冷度来调节,其中过冷度的控制尤为关键[7]。一般认为应保证毛细管入口处有3~5℃的过冷度,以避免提前汽化导致的"气堵"现象,确保毛细管内充满液体,实现稳定可控的节流。

(二)毛细管几何尺寸的影响    
毛细管的内径和长度是影响其节流特性的两个最关键几何参数。内径越小、长度越长,节流压降越大,出口压力越低。为了获得所需的蒸发温度,通常先选定内径,再通过计算确定管长。但内径也不能过小,否则可能引起毛细管堵塞;管长也不宜过长,否则会使压降过大,蒸发温度过低,且增大了管路布置难度[8]。同时,管长还应考虑压缩机和毛细管之间的相互匹配关系。在实际设计中,可通过查阅产品手册或设计软件优选管径,并采用简化公式或p-h图估算管长,再经试验修正。

(三)热交换的影响    
毛细管出口处与蒸发器吸气管之间常采用逆流换热的布置方式,利用蒸发器出口过热蒸气的热量使毛细管出口处的低温液体蒸发,既防止了液击,又能提高制冷剂进入蒸发器的干度,称为"内热交换"[9]。研究表明,内热交换长度的增加会使过热度上升,蒸发温度降低,膨胀效果更佳,制冷量提高,但换热长度存在最佳值。另外,采用"外热交换"将毛细管盘绕在冷凝器出口管外,可使毛细管入口处获得适度过冷,减少"气堵"风险[10]。在设计中应重视热交换因素,兼顾系统性能和布置工艺。

(四)毛细管出口压力的影响    
毛细管出口压力即蒸发压力,是影响蒸发温度和制冷量的关键参数。出口压力过高会使蒸发温度升高,压缩比下降;出口压力过低又会使压缩机吸气过热,排气温度过高,耗功增大。因此,针对不同工况,应合理控制出口压力,使之与蒸发器匹配。具体而言,制冷量需求越大,出口压力应越高,但受蒸发温度限制;制冷量需求越小,出口压力可适当降低,以减小压缩功[11]。在多工况条件下,可通过变径毛细管或并联毛细管方式实现自适应调节。

(五)制冷剂含油量的影响    
为改善压缩机润滑和密封性能,实际系统中的制冷剂往往含有一定油量,其黏度和流动特性与纯制冷剂不同。研究发现,含油量越高,毛细管内的传热恶化越明显,出口干度越小,节流效果变差[12]。但含油量过低又会加剧压缩机磨损。因此,宜在满足压缩机润滑的基础上,尽量降低含油量,一般控制在1%~3%为宜。同时,在毛细管设计时,还应考虑含油制冷剂的热物性参数变化,必要时进行修正。

 

三、 毛细管制冷系统的设计要点      

         

(一)系统设计    
1.根据设计工况确定系统所需制冷量,选定合适的制冷剂。
2.基于安全性、环保性、经济性等因素,优选压缩机型号和排气量。
3.按照冷凝温度和过冷度要求,确定冷凝器的换热面积和管径规格。
4.结合蒸发温度和蒸发压力需求,选择蒸发器的换热面积和管型。
5.综合考虑各部件参数匹配性,合理布置系统管路,使管路阻力和压损最小化。

(二)毛细管设计    
1.根据流量需求初选毛细管内径,宜选用标准化、易采购的铜管产品。
2.利用理论计算和查图方法估算毛细管长度。分别考虑饱和液体和亚临界液体工况。
3.校核进出口状态参数,评估节流效果,必要时调整管径或管长。
4.合理设计内热交换段和外热交换段长度,兼顾过冷度和出口干度。
5.试验测试各工况下的系统性能,优化毛细管参数,使之在不同负荷下实现自适应调节。

 

参考文献:
[1]郝亮,李先庭.新型毛细管节流装置的试验研究[J].制冷学报,2005,26(4):42-45.
[2]陈群志,陈光明,王如竹.制冷空调学[M].北京:高等教育出版社,2007:93-96.
[3]周远,陈群志,张华.毛细管长度对R600a家用冰箱性能影响的分析[J].制冷与空调,2014,28(4):370-374.
[4]宋京津,樊芳,张太平,等.制冷剂R1234yf毛细管内流动和传热特性研究[J].制冷学报,2015,36(4):8-14.
[5]卢新刚,王如竹,陈群志.内热交换毛细管管径对冰箱性能的影响[J].制冷学报,2011,32(5):20-25.
[6]张太平,李岩,王璐,等.R22替代工质R290在毛细管内流动特性的模拟[J].制冷学报,2016,37(3):60-66.
[7]靳松岩,程文革,张小松.过冷度对毛细管节流特性影响的数值模拟[J].制冷学报,2013,34(2):43-48.
[8]杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社,2006:223-226.
[9]黄永洪,吕家尧,吴志强.内热交换对毛细管制冷循环性能的影响[J].制冷学报,2009,30(3):43-47.
[10]王磊,郑伟才,谢晶晶.外热交换对变频冰箱性能的影响[J].制冷学报,2012,33(2):23-27.
[11]徐进良,赵红亮,卢华兴.毛细管出口压力对制冷系统性能的影响[J].制冷学报,2010,31(1):27-31.
[12]赵立杰,姚兵,冯英杰,等.含油制冷剂在毛细管内流动特性的实验研究[J].工程热物理学报,2014,35(12):2453-2458.     

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