制冷系统管路设计

制冷系统管路设计一、概述制冷管路的设计需要综合考虑以下的因素：最大的制冷量、最低的成本、正常的回油、最小的功率消耗、最小的制冷剂充注量、低噪声、正确的制冷剂流量控制以及系统制冷量能够从0到100%变化而且不会引起任何润滑方面的故障。影响管路设计最主要的两个因素是：管路的压降和流速。制冷剂管路中的压降会降低制冷量和增大功率的消耗，降低能效比，因此应避免过大的压降。液体管路中的压降一般不会直接影响制冷量，但液体管路中的压降必须保证液体在进入节流装置前是饱和液体，液体管路中过大的压降会使液体管路中产生闪发蒸汽，在节流前产生闪发蒸汽会直接影响节流装置控制和调节流量、压降的能力。为减小压降而增大液体管路管径，会引起系统中制冷剂充注量的增加。过量的制冷剂将严重影响制冷剂流量的控制，在制冷系统的低压侧，大量的液态制冷剂的惯性效应将使制冷剂流动控制装置动作失常。在吸排气管和蒸发器管路中更应保持足够的流速，因为油和汽态制冷剂并不容易混合，只有制冷剂流速大到足以携带冷冻油一起移动，油才能在系统中正常循环。另外，在管路设计时应尽量保证停机后两器内的制冷剂液体不能沿管路流动造成制冷剂的迁移（因室内、外温差而造成的制冷剂迁移除外），绝对不允许进入压缩机。对冷凝器位置高于蒸发器的机组，若停机后冷凝器中的制冷剂液体沿管路流进蒸发器，再次开机时，蒸发器出气管就会大量带液，系统无汽分或汽分太小的情况下都有可能对压缩机造成液击。二、液体管路的设计液体管路中中制冷剂液体和润滑油在温度较高时能充分混合，一般不用考虑液体管路的设计对系统回油的影响。液体管路设计主要考虑下面的因素：制冷剂在进入节流装置时应是过冷液体、液体管路对系统充注量的影响、节流方式、分流方式等。1、制冷剂在进入节流装置时应是过冷液体当液态制冷剂压力降到其饱和压力时，有一部分制冷剂液体将闪发成蒸汽，冷却余下的制冷剂液体到新和饱和温度。当因管径过小产生过大的摩擦阻力或竖直向上流动造成液体管压降过大时都有可能引起制冷剂的闪发。闪发蒸汽在几个方面都对系统的性能造成不利的影响：由于管路的压降会使通过节流装置两端的压降减小（保证蒸发压力、冷凝压力稳定）造成通过节流装置的制冷剂流量不足；闪发蒸汽的存在使得进入节流装置的流体中只有部分是液体，引起节流装置供液量不足；进入膨胀阀前闪发蒸汽的存在会产生汽蚀，腐蚀膨胀阀的阀座和阀针，引起噪声。制冷剂在进入节流装置前的压降主要由管路的阻力损失（包括沿程阻力损失和局部阻力损失）和竖直上升管路的液柱压头引起。每米液态制冷剂压头等效于11.5kPa。对于15米的竖直上升管路，液柱压头172.5kPa，系统匹配时需要考虑这172.5kPa的液柱压降。在正常的冷凝温度下，过冷度变化1℃，所对应的饱和压力的变化如下：制冷剂过冷度饱和压力R121℃21.4kPaR221℃33.9kPaR5021℃35.7kPa因此对于15米的竖直上升管路，液柱压头172.5kPa，系统匹配时冷凝器(R22)的克服液柱压头损失的过冷度应保证为172.5/33.9≈5℃，才可确保进入膨胀阀前的制冷剂不含闪发蒸器。管路的阻力损失（沿程阻力损失和局部阻力损失）包括通过铜管的阻力损失，通过电磁阀、过滤器、手动阀等的阻力损失。一般情况下，大多数系统的液管尺寸可以按照40kPa的上限压降进行设计。综合上述因素，对于室内、外机间有较长配管的系统匹配时冷凝器(R22)的过冷度应保证为7℃--10℃，才可确保进入膨胀阀前的制冷剂不含闪发蒸器。蒸发器、冷凝器距离较近时冷凝器(R22)的过冷度为5℃左右有较好的技术经济性。下图为不同的液管管径下流速与压降的对应关系，可供液管选型时参照。液管选型时还要综合考虑液管上制冷配件的接口尺寸，选取管径。另外，当液体管路使用电磁阀时制冷剂流速应低于1.5m/s，否则当电磁阀突然关闭时可能会因为压力波动或液体冲击而破坏管路。2、液体管路对系统充注量的影响液体管路选取过大会使系统充注量增大，停机时竖直接管中的大量的制冷剂液体会流入位置较低的换热器中，尤其是蒸发器位置较低时，再次开机时，蒸发器中大量积聚的制冷剂液体会冲击压缩机。另外，液管中大量的制冷剂液体在流动时有较大的惯性，会冲击膨胀阀的流口组件，在工况变化剧烈时，会影响流口组件的正常动作。不能为了降低管路的阻力，而选取过大的液管管径。3、节流方式的选择流体流经膨胀机构时，由于进间很短，可看作是绝热节流。节流后液体变成湿蒸汽，其中蒸汽的含量约占总制冷剂质量的10%--30%。膨胀机构除了起节流作用外，还起调节进入蒸发器的制冷剂流量的作用。节流方式的选择对机组性能的影响至关重要。3.1两次节流、中间气液分离通过两个阶段的节流达到制冷剂的减压：通过第一毛细管，使液体制冷剂膨胀到中间压力后，由汽液分离器将气态制冷剂和液态制冷剂分离，液态制冷剂通过第二毛细管进一步膨胀（减压），而气态制冷剂则通过注入通路进入压缩机。可以提高制冷能力10%-20%。在使用膨胀阀与板式换热器的机组中采用下图所示制冷循环，可以提高制冷量10%，板换分液器可以起辅助节流作用。（在取消分液器后，汽液分离器中大量集油。）3.2液体管路带回热器的制冷循环在系统中增加一个回热器,使节流前的液体和来自蒸发器的低温蒸器进行内部热交换。热交换的结果是制冷剂液体过冷，低温蒸气有效过热。这样，不仅可增加单位制冷量，而且可以减少蒸气与环境空气之间的传热温差，减少甚至消除吸气管中的有害过热。具有回热器的系统图与压焓图如图示。没有回热器的制冷循环1-2-3-4，增加回热器的制冷循环1’-2’-3’-4’。单位制冷量的增加量为h4-h4’。对R12、R502采用回热循环后制冷系数及单位容积制冷量均有所提高，对R717、R22采用回热循环后制冷系数及单位容积制冷量均有所降低。液体管路带回热器的制冷循环对R22制冷系统意义不大。3.3喷液冷却喷液冷却就是将冷凝器出口的一部分液体通过喷液电磁阀、喷液膨胀阀引入压缩机，通过制冷剂的蒸发潜热降低压缩机的排气温度和电动机的温度，保护压缩机及制冷系统在恶劣工况下工作。喷液冷却并不能提高制冷循环的单位制冷量，但能降低压缩机的功耗，增加能效比；同时保护压缩机的正常运行，使压缩机适用于更广的工况范围。压缩功耗的降低见压焓图中虚线部分。3.4液体管路带经济器的制冷循环经济器实际上是一个液体过冷器，来自冷凝器的高压液体通过经济器，其中一小部分液体经辅助节流阀在经济器内蒸发而吸收高压液体热量以使其过冷。过冷液体经主节流阀进入蒸发器蒸发就会提高单位质量制冷剂的制冷量。经济器内需要始终维持一个中间压力，经济器内产生的制冷剂蒸器要被连续抽走。经济器制冷循环可以大幅提高制冷量及制冷系数，蒸发温度越低，效果越明显。从压焓图上可以看出单位制冷量增加，压缩功耗减少。4、分流方式的选择当蒸发器为多回路蒸发盘管时，将节流后的气液混合物均匀地分配给各路蒸发器，对制冷机的性能至关重要。分液不均不仅会使机组制冷、制热效果差，还会对制冷机组的性能危害很大。对热泵机组制热时，分液不均会使分液多的回路制冷剂蒸发不完全，而导致此回路迅速结霜，且结霜非常严重，造成化霜不干净，进而恶性循环，压缩机回液，低压跳停。制冷时，分液多的回路制冷剂蒸发不完全，盘管温度偏低，除湿能力强，严重时会使室内盘管结霜，压缩机回液。影响分流效果的主要因素是节流后气液两相制冷剂流动时流态的不均匀与各分流支路的阻力。相对而言，保证各各分流支路的阻力相同比较简单，一般只要保证选取相同管径、相同长度的分流管。要使气液两相混合物均匀地进入各分流路，就需要选取合理的分流型式。对家用机等小型的制冷机，可采用毛细管分流。对较大型的蒸发盘管，分流型式较多，现在广泛使用的有节流喷咀式和文丘里管型两种。4.1毛细管分流采用毛细管分流一方面可严格保证各分流路具有相近的阻力降；另一方面，分流毛细管可以辅助节流，使经过一次节流后进入分流管的制冷剂含有尽可能少的闪发蒸气或为仍为饱和液体，从两个方面保证分流的均匀性。下图为比较典型的毛细管分流，取消主节流毛细管更能制冷机的性能，匹配上比较困难。图示翅片盘管作冷凝器使用时，冷凝液体直接通过单向阀，不通过图中毛细管；作蒸发器用时，制冷剂经过主毛细管一次节流后，再由分流毛细管分流。4.2分流头分流4.2.1节流喷咀式分流头节流喷咀式分流头由分流头本体,节流喷咀组成。从热力膨胀阀出口的制冷剂液体，通过节流喷咀时，由于截面突然收宿，使制冷剂的动压升高，流速增加，流体通过喷咀后，在喷咀两侧形成压差，高速流动的气液两相制冷剂进入混合室后产生涡流，使气液两相的制冷剂充分混合，并均匀地分配到分液器各输出口。对于两器都采用翅片式换热器的热泵机组，室内、外机都需要使用分流头，可以使用带旁通管的节流喷咀分流头。经初步试验效果也比较好。4.2.2文丘里管型分流头文丘里管型分流头结构十分简单，只有本体，不带其它零部件，但加工困难。从热力膨胀阀出口的制冷剂两相混合物，由分流头进口A流经收缩口B时，虽流速较高，压力降较大，但流线平顺，不与管壁脱离，使气液两相流体均匀地进入圆环形流道C中，由于管内收缩与扩张段采用平滑过渡，制冷剂在整个流动过程中不产生紊流，所以文丘里管型分流头阻力较小，对安装位置无特殊要求。4.2.3分流头使用注意事项分流头一般应直接安装在膨胀阀的出口处，若必须接一管段，也应尽量短，最长不要超过1.5米。尽量避免分流头与膨胀阀之间有阀件或狭窄处，否则会产生附加压降；两者之间的连接管还应尽量避免弯曲，否则会因离心力破坏两相流体的流动均匀性，引起分流不均。分流头的出口向下安装为宜，尽量避免水平布置，避免气液两相的重力差引起气液分离造成分流不均匀。尤其是低负荷时制冷剂流速减慢，重力对气液分离的影响加大，更会引起分配不均。分流头的出口孔数应与蒸发器分路数相等，若分流头出口孔数较多，而将其中一部分孔堵塞后勉强配用，则必然会引起制冷剂分配不均匀。4.2.4分流管的选取合理选取分流管与分流头匹配使用也至关重要。表1为不同管径的分流管在不同蒸发温度下的容量表，分流管的额定容量基于进入热力膨胀阀的液体温度为37.8℃，分液管长度为762mm。如果进入热力膨胀阀的液体温度不是37.8℃，则利用表2加以修正。如果分流管的长度不是762mm，则利用表3加以修正。表1分流管的额定容量分液管外径壁厚约1/mm蒸发温度℃制冷剂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液体温度修正系数液体温度℃1015.621.126.732.237.843.348.9修正系数2.11.831.591.371.171.000.850.72表3分流管长度修正系数分流管长mm305457610762914106712191371152416761829修正系数1.361.161.071.000.950.900.860.820.790.760.73三、吸气管路的设计由于流动产生的阻力损失,导致压缩机吸气口处的压力低于蒸发器出口处的压力。当吸气压力降低时，回气比容增大，压缩机的排气量减少，机组制冷量将会有损失。同时吸气管中还要维持足够高的制冷剂流速以使冷冻油能顺利返回压缩机。吸气管中温度低，冷冻油粘度大，冷冻油在吸气管中沿管壁流动。油在吸气管中的移动取决于吸气的比容和速度，即质量流量。当比容增大时，必须维持较高的速度以使油随制冷剂一起移动。水平管内额定最低流速推荐值是3.6米/秒，竖直管内额定最低流速推荐值是7.6米/秒。如果系统有能量调节，应按最小负载时的制冷量来选择吸气管尺寸。低压降与高流速的要求相矛盾，选型时应首先保证正常回油。以下两图分别为在不同制冷量与不同蒸发温度下保证回油