制冷系统用毛细管的介绍和选择

制冷系统用毛细管的介绍和选择毛细管的工作原理：毛细管是制冷系统常用的节流装置，它具有结构简单，价格便宜等无法替代的优势，特别是在冰箱，家用空调，甚至部分商用空调中广泛使用，如在只用于单冷的水冷柜机中，10HP以下的短连接的分体空调中都可以看到毛细管作为节流机构。节流装置主要是通过制冷剂在装置内流动的压降来控制蒸发器所需的制冷剂流量，毛细管（虽然叫毛细管，但其实并不会有毛细作用）其实只是一段内径比较小的铜管，它一头连接冷凝器出口（一般在毛细管入口会加一个过滤器，以防毛细管堵塞），另一头连接蒸发器入口，这种结构因为没有热交换，叫绝热毛细管；在一些冰箱制冷系统中，毛细管和回气管是焊在一起的，它们之间有热交换，叫放热毛细管。这里主要介绍绝热毛细管。高压制冷剂液体在管内流动，因为毛细管的内径比较小，一般中小型制冷装置常用为0.4—2.5mm，所以压降比较大，因此可以通过更改毛细管尺寸来变更制冷剂流动的压力降，从而达到控制流量的目的。下图是常用的描述制冷剂在毛细管中沿长度方向流动状态的曲线图：1．0-2，这一段因为制冷剂还完全是过冷液体，流速变化不大，所以制冷剂在毛细管内的压降恒定，呈线性变化，制冷剂压力不断下降而接近饱和压力，而因为是绝热过程，因此温度不变；2．“2”这一点是制冷剂液体的饱和状态点，制冷剂会在这点开始吸热蒸发出气体，所以一般叫闪发点，但是根据Lietal.(1990)和Mikol(1963)的研究指出，虽然制冷剂达到饱和状态点“2”，但仍然不会蒸发，而制冷剂压力还要沿着很短的毛细管长度继续下降到点“2’”才开始蒸发，2-2’这段过程叫亚稳定状态或过热液体状态。3．2-3，制冷剂液体从“2”点后就开始蒸发出气体，因为气体容积较大，所以流速加快，制冷剂压降增大，所以这段是两相段，压降比较大，但是当制冷剂的压力达到“3”点后，就不会再下降了，所以“3”点的压力也叫临界压力（当地音速），这时毛细管出现流动雍塞，也就是达到昀大流量。在实际制冷系统中，多数系统中制冷剂都会降到这个压力，所以通常毛细管出口压力为点“3”4．“4”点是蒸发器入口压力，它和蒸发器大小，制冷剂流量和压缩机排气量有关，在这里它表示小于临界压力时的情况，对于多数制冷系统来说，都在点“4”附近，从上图中可以清楚的了解制冷剂在毛细管内的压力和温度变化情况，现在来看制冷剂流量，当蒸发器的入口压力大于毛细管临界压力时，它和毛细管入口压力（点“0”）和毛细管出口压力（也叫出口背压），也就是蒸发器的入口压力（点“4’”）有关，随着毛细管入口压力的增大而增大，随着蒸发器入口压力的减小而增大；当蒸发器的入口压力小于毛细管临界压力时，它只随着毛细管入口压力的增大而增大。因为在毛细管中随着制冷剂气体的增加阻力也增大，所以过冷度越大，制冷剂流量也会增大。2’3’4’毛细管长度及充注量对制冷系统参数的影响：1．对吸气，排气温度及压力的影响：相同充注量时，毛细管越短，制冷剂流量越大，所以吸气温度，排气温度都会下降；同理，毛细管一定时，充注量越大，制冷剂流量越大，吸气温度，排气温度也是下降。但流量的增大，使吸气压力也上升。对于排气压力，则是充注量一定时，毛细管越短越小；而毛细管长度一定时，充注量越大越高。2．对冷凝温度和压力的影响：制冷剂充注量一定时，毛细管越短，冷凝温度和压力下降；毛细管长度一定时，充注量越大，冷凝温度和压力越高；3．对蒸发温度和压力的影响：制冷剂充注量一定时，毛细管越短，蒸发温度和压力越大；毛细管长度一定时，充注量越大，蒸发温度和压力越大。4．对过冷度和过热度的影响：制冷剂充注量一定时，毛细管越长，过冷度越大，过热度也越高；毛细管长度一定时，充注量越大，过冷度越大，过热度越小。5．对制冷量，功耗，性能系数EER的影响：制冷剂充注量一定时，毛细管的长度越长，功耗越小，但制冷量也变小，EER变小，当充注量增加到一定程度时，因为换热温差影响较大，这时制冷量变大，EER也变大。毛细管系统的设计要点：1．在高压侧，一般不会使用储液器，其实储液器是否使用并不取决于是什么样的节流装置，而是看整个系统的运行是否需要，如热泵系统，停机抽空系统。对于冰箱，空调等本来系统设计就很少需要储液器。2．在吸气管，昀好使用气液分离器，对于冰箱，如果回气管比较长，可以保证回气温度在设计要求范围内（压缩机公司推荐昀小为5C）可以不使用，对于空调，多数空调压缩机都会在出厂时就带了一个气液分离器。因为毛细管系统在停机时，高低压侧会平衡而使蒸发器积聚了制冷剂液体，气液分离器可以很好的防止液击和制冷剂迁移。3．高压侧能容纳所有充注的制冷剂，这是防止毛细管堵塞时破坏高压管路系统和压缩机。4．在蒸发器高负载工况下，因为毛细管系统可以反馈到冷凝器侧，所以冷凝器要考虑到这种工况下冷凝压力是否会过高，因此而需要增加冷凝换热面积。5．冷凝器出口到毛细管入口之间的管路昀好不要积存制冷剂液体，一种说法是因为当压缩机停机后，这部分制冷剂液体会因为压力下降而蒸发，流入蒸发器后冷凝，从而给制冷空间带来一部分热量，这对冰箱这种封闭空间可能会有影响，对空调而言，这部分热量可以忽略不计；另一种说法是这会延迟高低压侧平衡的时间，可能造成低转矩压缩机再次启动时出现问题，这个一般可以在控制上增加延时开机来解决（其实这对于降低起动电流对其他电器件或电网的冲击也是有好处的）。6．毛细管入口必须加过滤器，以防止堵塞，特别是现在使用的HFC制冷剂，如R134A，R404a，R410a等对水分比较敏感，在设计上都要求必须加干燥器。7．制冷剂在进入毛细管之前，昀好有一定的过冷度，这个可以通过在蒸发器加一段过冷管，或者和吸气管产生热交换，这样使毛细管内的气体闪发昀少，从而增加制冷量和保证制冷剂流量。但是要注意在低温工况时，可能因为吸气管有一点回液而使过冷度过大，从而使毛细管流量增大，反过来又使过冷度现增大，昀终可能造成回液。毛细管的结构设计：因为制冷设备的结构有多种多样，而用户对不同制冷设备的要求也不一样，所以在毛细管的结构设计上也有所不同。1．单根毛细管：对于一般的冰箱或单冷型的空调，只需单根毛细管来节流即可，不过对于这根毛细管是盘成卷还是长条放置要看制冷设备的结构，家用冰箱冷凝器蒸发器比较近，一般盘起来，一些商用风冷冷柜冷凝器蒸发器离得较远，一般是成条埋在发泡层。2．单根带单向阀：这种一般用在调热泵，因为制冷，制热所需的毛细管长度不一样，所以分成制冷，制热两组毛细管，当某根毛细管不使用时，通过单向阀来短路这根毛细管，这种结构需要两个单向阀，但设计简单且互不干扰，特别适用于长连管分体空调；3．双根毛细管组合：对于热泵型家用空调，有时因为毛细管不能放在室内机（怕噪音太大），一根毛细管用于制冷，制热时再加一根毛细管，这根毛细管在制冷循环时用单向阀来短路。4．多根毛细管：当蒸发器比较大时，如果流程过长，在设计上需要分路，也可用毛细管来节流兼分配，这时对分配头要求也没有专用分配管那么严格，因为毛细管本身因为节流作用可以调节而避免分配不均的问题。这种结构一般只用在单冷系统。毛细管的长度和直径：毛细管的长度和直径都是决定制冷剂流量的重要因素，有实验指出，在同样工况同样流量的条件下，毛细管的阻力和长度都近似与其内径的4.6次方成正比，即F1/F2=（D1/D2）^4.6，L1/L2=（D1/D2）^4.6。对于毛细管直径，现在主要是用ID0.4—2.5mm，在一些大的系统中，也会有用ID6的铜管作为分配管，虽然也要考虑制冷剂在管路的压降问题，但这类系统的节流主要还是在膨胀阀上，分配管上的只能算是压力损失。还有毛细管生产公司研究了冰箱系统使用的毛细管，结果表明，当长度超过一定值时“L”，将不对流量再产生影响，其实是当毛细管入口压力一定时，当制冷剂在毛细管内的流速超过临界速度时，毛细管出口压力不再对制冷剂流量产生影响；而当毛细过小于一定值时“S”，毛细管的管长也不会对流量产生影响，而主要是管径的变化影响制冷剂流量，这时毛细管相当于孔板节流。而介于“L”点和“S”之间的长度为1.5-5米(5-16FT)。该公司还针对制冷系统常用的毛细管内径，经过测试，制作了一个不同直径的长度换算表（见下表），可以根据需要选择不同直径和不同长度，使用方法如下：1．如现有一个内径和长度的毛细管，要换成另外一个内径和长度，那么先在左边的TubeI.D.列中找出原来的内径；2．在表中第二行找到要换成的内径（如果没有可以用插值法），向下垂直找到和原来的内径水平方向在表中的交点，就是换算系数；3．用原来的长度乘以换算系数就是要换成的长度。毛细管长度的选择计算：毛细管长度的选择首先肯定要知道制冷剂的质量流量，所以要知道制冷量，蒸发温度，冷凝温度，过冷度，过热度等参数；对于风冷冷风型的空调来说，一般设计参数都差不多，见下表蒸发温度，℃过热度，℃冷凝温度，℃过冷度，℃5-7550-545焓差ΔH，kJ/kg焓值H2，kJ/kg410焓值H1，kJ/kg258152所以制冷剂的质量流量为：Gf=制冷量/ΔHkg/s对于毛细管长度的确定现在多用曲线比对法，先选择一个尺寸的毛细管作为标准毛细管，在一系列常用条件下做实验画出一系列曲线，当要确定某一条件下的毛细管时，用该条件下的已知条件和标准毛细管对比，然后确定所需毛细管尺寸。这里介绍Hopkins(1950)开发的确定毛细管尺寸的一种方法，但只有R12和R22两种制冷剂：下图给出的就是上述介绍的方法，左图是标准毛细管在不同冷凝温度和过冷度时的曲线，这个图只适用于毛细管出口压力大于蒸发压力的条件，前面已经说了，现在商用和家用制冷系统都是毛细管出口压力大于蒸发压力的，因为这样毛细管的流量和蒸发压力是没有太大关系的。右图是基于标准毛细管的各种毛细管的尺寸。确定所需毛细管的尺寸步骤如下：1．通过已知条件，如制冷量，蒸发压力，冷凝压力，过冷度，过热度等计算出制冷剂的质量流量G；2．利用左图查出标准流量Ga，然后计算相对流量系数φ1=G/Ga；3．利用右图查出所需毛细管尺寸。这里一直提到临界压力的问题，为了对临界压力有一个直观的理解，这里介绍一种查找临界压力的方法。右表给出了毛细管的不同进口条件下不同长径比λ的临界压力，查找方法如下：1．用已知的冷凝压力和过冷度确定A点；2．划一横线到标准毛细管的长径比B点（λ=2030/1.625=1252）；3．再划一竖线，按照和实际毛细管的长径比的交点在纵坐标找到对应的临界压力；从图中的示例可以看出，对于空调，根据冷凝压力和过冷度可以看出，一般都在7bar以上，都比蒸发温度5-6bar高，对于冰箱，也可以得出相同的结论。因此，在确定毛细管长度时，主要是考虑冷凝压力和过冷度。在ASHRAE的手册，介绍了Wolfetal.(1995)重新开发的曲线，这些曲线的使用方法和上面的类似，但误差比上面的会小些，使用的前提条件是绝热毛细管，毛细管的出口压力大于蒸发压力，这些曲线也是通过标准毛细管曲线来确定所需毛细管的尺寸和流量，而且这些曲线都是现在常用的制冷剂，如R22，R134a，R410A等。和上面的方法有点不一样的是，对于R22，R410A，当毛细管进口是两相时，流量系数图不和单相的共用一张，而有自己的流量系数图。而R134a当进口是两相时，实际流量需乘以0.95这个调整系数，对于其他的具体步骤同上。从这两种方法，我们可以看出，当流量系数一样时，对应的毛细管尺寸有几种，这也就是说，当流量系数一样时，不同毛细管尺寸之间可以互换。冷冻油对毛细管的影响：冷冻油对毛细管的影响主要的意义对我们来说是对制冷剂在毛细管中的流量。冷冻油的影响主要反映在两个方面：1．冷冻油的粘度比制冷剂液体高，所以会增加制冷剂和冷冻油混和物的压力损失，从而减少流量。2．冷冻油的表面张力高于制冷剂的表面张力，这使气化饱和温度降低，从而延迟两者混和物的气化起始点，这样毛细管中的液体段增长，结果是增加了流量。这两个方面的影响会根据进口条件的不同各自有不同程度的影响，但是到目前为止，对于现在的制冷系统来说，都还没有证据或实验证明对流量有根本性的影响，Wolfetal.(