制冷装置设计第四章

第4章管道设计制冷装置能否达到预期的设计效果，除了合理选择压缩机及各种设备附件外，在很大程度上取决于管道系统的合理设计，制冷装置管道的设计是指把制冷压缩机及各种制冷设备和配件用管道合理连接起来组成制冷系统。制冷系统的管道设计包括对制冷剂管道、载冷剂管道、冷却水管道和润滑油管道进行设计，即对管道进行水力计算、尺寸确定、配件和管材的选择、强度计算、管道与管件的合理布置和管道的保温等。管道设计合理与否，关系到整个制冷装置运行的可靠性、经济性及维修管理的方便性。制冷剂的管道设计是制冷装置设计的重要组成部分，经计算确定，按要求将制冷机器设备及附件连成密闭的制冷循环系统。4．1氨制冷系统的管道设计氨制冷系统的管道设计必须符合制冷原理，并根据制冷工艺要求进行。必须保证制冷机器设备的安全运转、安装操作和检修的方便；使管道连接简短顺畅，经济合理；使管内阻力最小；兼顾管道布置的整齐美观。氨制冷管道的管材为无缝钢管，管道的连接方式为管与管焊接，管与管件法兰连接，密封材料采用普通橡胶。4．1．1管道要求1．管道坡度主要制冷剂管道应保持一定必要的坡度和坡向以满足制冷工艺要求，见表4-1。表4一l系统管道坡度方向管道名称倾斜方向倾斜度(％)制冷压缩机排气至油分离器的水平管段向油分离器l～2与安装在室外冷凝器相连接的排气管向冷凝器l～2制冷压缩机水平吸气管向低压循环桶或氨液分离器2～3冷凝器至储液器的水平供液管向储液器2～3液体调节站至蒸发器的水平供液管向蒸发器排管1～2蒸发排管至气体调节站的水平回气管向排管2-3气体调节站至低压循环桶或氨液分离器的水平回气管向低压循环桶或氨液分离器2-32．管道伸缩弯在管道直管段，当低压管超过lOOm、高压管超过50m时，为防止管道由于热应力被破坏，应设计伸缩弯。伸缩弯半径通过计算管道的膨胀量而确定。即ΔL=KLΔt(4一1)式中，ΔL为管道的膨胀量(mm)；K为钢的膨胀系数(℃-1)，K=6．9×10-6℃-1；L为管道长度(mm)；Δt为管道内外温差(℃)。采用图4-1a所示伸缩弯，以ΔL／4值查表4-2确定其弯曲半径。采用图4一lb所示伸缩弯，以ΔL／5值查该表确定弯曲半径。表4-2每个90。弯头的允许膨胀量弯头半径/mm管径／mm300380510760101512701.5251.780203022802540280(允许膨胀量／mm256919448050361325447198137646922385783114146763916294867921211529061625416079105133100613253850739512l14611313223548648610813312591929415776951171431509162535496479981212001319253848647692250162229385060733001925334l60643．管道加固制冷系统管道，特别是压缩机吸、排气管道，因为气流脉动等因素产生振动，为防止管道开裂泄漏，必须用管架支撑、安装牢固。管架可用Q235钢的角钢制作，用u形双头螺栓管卡同定，用圆钢或扁钢吊装。机房内管道及有冲击和振动的管道吊杆负荷按34．323MPa汁算。库房内无冲击和振动的管道吊杆断面负荷按98．066MPa计算。沿墙敷设的管道可用角钢制作的支架支撑，预埋墙内角钢应将端头掰开，以防脱落。制冷压缩机排气管及排气总管以及有冲击和振动的管道吊杆，应根据具体情况在吊杆问增没斜撑，沿墙敷设排气总管可直接同定在墙上。管架的间隔距离取决于管架承受的垂直方向的载荷。最大允许间距应满足两方面的要求：．足满足管道强度的要求，防止管道受垂直方向力的作用而弯曲破坏；二是对于坡度要求的管道，防止挠度变形而达不到坡度要求，造成积液。管架最大间距因管道种类和管径而不同，氨和盐水管道吊点最大间距见表4-3。表4-3氧和盐水管道吊点最大间距（外径/mm）×不带隔热层带隔热层（管壁厚/mm)气体管氨液管气体管氨液管盐水管10×2.01.050.2714×2.01.350.4518×2.01.550.6022×2．O1.951.850.75O．7560.7632×2.22.602.351.021.021.0238×2.22.85‘2.501.201.161.1645×2.23.252.801.421.401.4057×3.53.803.331.921.921.9076×3.54.603.942.602.422.4289×3.55.154.322.752.602.60108×4．O5.154.753.103.002.95159×4.57.656.104.564.304.25219×6．O9.407.385.905.40273×7.0lO．908.407.356,55325×812.259.408.667.55377×1013.4010.4010.008.70正常间距应为以上最大间距的0．8；若管道拐弯处或管道上有阀门等附件时，应于管道一侧或两侧增设吊点。管道变更方向时，吊点离弯头距离不宜大于600mm，并尽可能将吊点设在较长的管道上。制冷压缩机排气管道支架的间距，当管径大于108mm时，可采用3m；当管径小于108mm时，采用2m，排气管在拐弯处必须设一支架。机房内的管道宜集中布置，集中使用管架，压缩机吸、排气管道布置在机房走道上方，采用吊架；辅助管道可以沿墙、柱、梁等布置，采用支架，注意不可挡门窗，不可影响通风采光。机房外管道采用沿墙布置、支架支撑；架空管道采用落地支架支撑。管道通过人行道时，。管道下缘与道面之间的净距离不可小丁3m。管道通过车行道时，管道下缘应高于道面4．5m。低支架敷设的管道，为防止浸水，管道应高于地面0．3～0．8m。保温管道的吊点处应设浸泡沥青的木垫，以防止形成冷桥，木块的大小要与保温层厚度相适应。4．1．2管道的计算制冷管道的计算包括确定主要制冷剂管道的长度、管壁的厚度和管道的直径。根据设计I冬I样中各设备的安装位置和安装条件确定管道长度。根据工作压力选定标准定型管，从而确定管道壁厚。根据氨制冷剂的流量(或负荷)、摩擦阻力(压力降)和流体的流速，确定管道直径。管径的确定方法有以卜儿种。1．公式法(1)利用连续性流量方程式和管道中流体的允许流速计算管道内径式中，qv为管道中流体的最大流量(m3／h)；v为氨制冷管道允许流速(m／s)；A为管道截面积(m2)；dn为管道内径(m)。qv=qmvo式中，qm为流体的质量流量(kg／h)；v0为流体的比体积(m3／kg)，见表4-4。表4-4氨制冷管道允许流速管道类别工作温度/允许流速/（m/s）高压自流输液管25～40O．5高压氨液管25～40O．5～1.5氨泵液管-10～-450.5～1.5氨吸人管-10～-45lO～16氨排气管90～1512～25(2)校核阻力损失是否符合管道允许的压力降1)对单相流体的制冷剂管道，总阻力损失为式中，∑△p为管道总阻力损失(Pa)；Δpf为摩擦阻力损失(Pa)；Δpj为局部阻力损失(Pa)；A为管道的摩擦阻力系数，见表4-5；L为管道直管段长度(m)；Le为产生局部阻力的阀门、弯头三通等管件的当量长度，管件当量长度系数见表4-6；dn为以允许流速计算出的管内径(m)；v为管道允许流速(m／s)；p为流体密度(kg／m3)。表4-5摩擦阻力系数λ干饱和蒸气和过热蒸气0.025湿蒸气0.033制冷剂液体0.035水和盐水O．040对层流：Re64（4-8）阀门与管件名称系数n角阀(全开)170闸阀(全开)8单向阀(全开)80球形阀(全开)340丝扣45°弯头14丝扣90°弯头(二段组成)30焊接45°弯头(二段组成)15焊接60°弯头(二段组成)30焊接90°弯头(二段组成)60焊接90°弯头(三段组成)20焊接90°弯头(四段组成)15三通干管60三通支管90管径扩大(d／D=l／4)30管径扩大(d／D=1／2)20管径扩大(d／D=3／4)17管径缩小(d／D=1／4)15管径缩小(d／D=l／2)11管径缩小(d／D=3／4)7管道允许压力降，对吸气管道或回气管道，相当于饱和温度降l℃；对排气管道，相当于饱和温度降0．5℃，见表4-7。表4-7氨制冷管道允许的压力降工作温度允许压力降/kpa-453．00-403.76吸气管道或-335.06回气管道-286.18-159.9l-1011.67排气管道90～15019.61如果流体流动过程有液位差，还应考虑流体克服液位差的阻力，即式中，Δpy为流体克服液位差的阻力损失(Pa)；Z2为流体出口的液位(m)；Z1为流体入口的液位(m)；ρ为流体密度(kg／m3)；g为当地的重力加速度(m／s2)。2)对两相流体的制冷剂管道，总阻力损失为式中，Δpg为重力阻力损失(Pa)；Δpa为加速阻力损失(Pa)。式中，ρg为气体密度(kg／m3)；ρ1为液体密度(kg／m3)；a为截面含气率，即气相流通截面积与总流通截面积之比；θ为两相流方向与水平面的夹角(°)；x2为出口干度；x1为进口干度；vg为气体比体积(m3／kg)；v1为液体比体积(m3／kg)；G为质量流速(kg/m2·s)；g为当地重力加速度(m／s2)。式中，n为布拉修斯方程指数，对粗糙管取n=0，对光滑管取n=O.25，或n=O.2；x为流体的干度；Δpqf为假设全是液体时的单相摩擦阻力损失(Pa)；φ12为分液相折算系数，可按照式(4一14)计算。式中，ρe为均质两相流密度(kg/m2)；X为Martinelli参数，可按下列四种情况分别求取。①液相和气相都是湍流(Re1≥2000，Reg≥2000时)，则②液相层流(Re1≤1000)，气相湍流(Reg≥2000)时，则③液相湍流(Re1≥2000)，气相层流(Reg≤1000)时，则④液相和气相都是层流(Re1≤1000，Reg≤1000)时，则式中，Re1为液相雷诺数；Reg为气相雷诺数。式中，μ1为液体的动力粘度(Pa·s)；μg为气体的动力粘度(Pa·s)；qv1为液体的体流量(m3／s)；qvg为气体的体积流量(m3／s)；A为管道流通的横截面积(m2)；v1为液体的流速(m／s)；vg为气体的流速(m／s)。两相流体的局部阻力可参考单相流体的局部阻力计算，管子的当量长度比单相流动稍长。2．图表法为了简化管道管径的设计计算，根据管道条件，确定选用的计算图表，用查图法或查表法确定管道管径，再根据配管设计时的工况负荷量和管子当量长度，确定设计管道的公称直径。图4-2一图4-9所示是氨制冷剂管道的管径计算图。对连接制冷剂设备的辅助管道，如放油管、放空气管、均压管、安全管等，其支管的管径应与有关设备的相应管接头直径一致；其总管管径应相应增大。设备、容器上的安全管直径应与其安全阀的直径一致。单台设备容器安全管公称直径不应小于安全阀的公称直径。当多台设备容器的各个安全阀共用一根安全管时，总管的公称直径应不小于25mm，不大于50mm。安全管排m口应高出冷库屋檐或半径50m以内邻近最高建筑物屋檐1m。对于两相流体的制冷管道，为简化计算，可以将其假设为单相流管道，利用公式进行计算，将计算结果加大1—2号管径，即可满足计算要求，或利用相应的图表计算。4．1．3管道的布置1)重力供液系统的回气管道应注意防止“液囊”的形成。任何管道在同一标高处不应有平面交叉以免形成上下弯的“气囊”、“液囊”。同理，也不可以在管道绕过建筑物梁板时形成上下弯。2)空气分离器、集油器、排液桶、立式(卧式)蒸发器等设备的垂直回气立管不能与两相流回气总管合并，以免造成液体倒流到容器内。其回气管与两相流的回气水平总管连接时，必须从回气总管顶部接出。3)各台制冷压缩机吸气管与水平吸气总管连接时，宜同吸气总管成45。角连接，如图4—10所示。制冷压缩机排气管与水平排气总管连接时，应从排气总管顶部接出，而且同顺气流的方向呈小于45。角连接，如图4一11所示。吸气管与排气管集中敷设时，其管壁间距不得小于250mm，如布置在同一垂直面上，应