毛细管设计计算与分析.docx

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毛细管设计计算与分析

毛细管的设计计算与分析之杨若古兰创作

毛细管普通指内径为0.4~2.0mm的颀长铜管.作为制冷零碎的节流机构，毛细管是最简单的一种，因其价廉、选用灵活，故广泛用于小型制冷安装中，比来在较大制冷量的机组中也有采取，如我公司10匹柜机采取了，甚至在更大的单冷零碎也有效到，某公司40KW的水冷柜机机组中也有采取.目前公司使用的毛细管的规格有：

1.24mm、1.37mm、1.63mm.定制的毛细管规格有：

1.8mm、2.1mm、2.4，还有6mm、8mm的铜管也可做较大零碎节流用等.

1、毛细管的节流特性

毛细管节流是利用制冷剂在颀长管内流动的阻力而实现的.按使用情况，毛细管可所以有热交换和无热交换的，故制冷剂流经毛细管的过程可以典型化为绝热膨胀过程和有热交换的膨胀过程.目前公司基本上采取绝热膨胀的方式.

制冷剂在毛细管中的流动形态，沿管长方向的压力和温度变更，如图1所示.1）过冷区

从冷凝器流出的液体制冷剂以过冷形态1点进入毛细管内流动，并随着压力的降低液体过冷度不竭减小，直至变成饱和液体，即理论闪点2点，此段制冷剂形态为单相液体.在这一段中制冷剂在管内为绝热流动，同时因流速不变，其管内液体部分的压力降是一条直线.

2）亚稳区

即从毛细管内流动的制冷剂的理论闪点2点到达到饱和湿蒸汽点3点.通过对毛细管的机理研讨，因为毛细管直径很小，制冷剂的流速较大，通常情况下，会出现亚波动形态的液体——过热液体的存在，使得闪点的温度和压力其实分歧错误应，普通闪点延迟3C摆布.

3）两相区

从3点开始制冷剂为汽液两相流动，随着压力的降低，温度也降低，压力和温度曲线重合.毛细管内汽液两相混合物也是一种可紧缩流体，当毛细管的进口压力坚持不变，制冷剂的质量流量将不会随出口压力减小而无穷增大，而是达到某一值后，就不受出口压力的影响而坚持不变，也会出现临界流景象，也就是说，通过毛细管的流量，是随毛细管进口压力的添加而添加，而毛细管出口压力降低时流量也会添加，但出口压力降低到临界压力以下，流量就不再添加，即出现临界流景象，这也是用毛细管来控制流量的次要待征.

图1制冷剂沿毛细管流动的形态变更过程

2、毛细管长度对零碎的影响

1）吸、排气压力

灌注量必定时，随毛细管长度的添加，吸气压力降低，排气压力升高.添加毛细管的长度，则通过毛细管的质量流量降低，向蒸发器供液减少，开始时紧缩机质量流量不变，导致蒸发器内工质减少，蒸发压力降低，冷凝器内工质增多，冷凝压力上升.随着吸气比容开始上升，紧缩机质量流量降低，高低压压差增大，使紧缩机的输气系数降低，加大紧缩机质量流量的降低趋势，同时随压差增大，毛细管节流量又有所回升，最初当毛细管和紧缩机两者的质量流量相等使，全部零碎波动运转.这时候，蒸发压力和吸气压力降低，冷凝压力和排气压力上升，零碎质量流量减少.

2）功率和电流

空调器的功率次要由紧缩机和风机电机两部分构成，其中风机电机的功率很

小且基本不变，主如果紧缩机随运转情况变更.紧缩机的唆使功率为：

可以看出，唆使功率与质量流量、高低压比成反比.紧缩机功率次要受质量流量的影响，随灌注量的添加，紧缩机质量流量增大功率上升.灌注量必定，随毛细管减短，质量流量添加，冷凝压力降低，蒸发压力上升，压比减小.根据上式，随质量流量的添加，功率有增大趋势，而随压比减少，功率又有减少的趋势，这两者彼此制约.通过实验可以得到，实验范围内流量的影响起决定感化，即毛细管的减短，流量增大，功率上升.

电流的变更规律与功率分歧.

3）制冷量与能效比

当毛细管长度必定时，随灌注量的增大，制冷量会出现一最大值.因为随灌注量的增大，零碎工质的流量添加，蒸发压力上升，单位质量制冷量添加，从而制冷量增大，但随灌注量的进一步添加，蒸发压力、温度的提高使传热温差减小，按捺制冷量的进一步上升，当传热温差占主导地位时，制冷量反而会降低，出现一个最大值.如图2：

图2制冷量随毛细管和灌注量变更曲线

从图中可看出，随毛细管的增加，制冷量的最大值向右偏移，形成这类景象的缘由是随毛细管的增加，阻力添加，冷凝器内集液增多，压力提高，蒸发器内供液减少，压力降低，单位质量流量降低，蒸汽器换热面积利用不充分，灌注量添加，可使蒸发器内工质添加，改善其换热条件，使制冷量增大，所以，毛细管加长后，冷媒灌注量也要响应添加，如许才会使制冷量达到最大.

同样，对应必定长度的毛细管，存在一最好灌注量使EER值最大，对于分歧长度的毛细管，其最好灌注量对应的EER也存在一个最大值.制冷量、EER出现最大值时的毛细管长度与灌注量纷歧定不异，是以必须确定优化目标，达到零碎最优.

3、影响毛细管设计的几个参数

制冷零碎是一个动态零碎，毛细管的供液量受全部零碎的影响.归结起来，次要身分有：

1）毛细管前制冷剂形态

毛细管前制冷剂形态主如果压力Pk和温度tk，如图3，毛细管入口处制冷剂形态是不定的，受tk的影响，1是气液两相不饱和点，2是饱和点，3是过冷点.随着Pk的变更，毛细管入口处形态要发生变更.

图3

2）毛细管几何尺寸

毛细管几何尺寸包含内径D、长度L和管内壁粗糙度e.毛细管内径D越大，长度L越短，粗糙度越小，制冷剂在管内的流动阻力力就小，供液量就大.反之，供液量就小.

3）热交换的影响

为了使毛细管中的制冷剂过冷，提高制冷零碎的热效力，毛细管普通焊入回气管内或附着于回气管概况.通常，毛细管内制冷剂与回气管概况存在着温度差△t.△t使制冷剂温度降低，过冷度添加，管中制冷剂流速受影响，从而影响供液量.在不异流量下，△t与毛细管长度的关系如图4，与绝热情况比拟，出口温度和干度都降低，如图5.

图4毛细管长度与△t的关系图5热交换对毛细管流动的影响

4）毛细管出口压力Pe.

制冷剂在毛细管出口处构成喷射.气体动力学指出，出口处截面的压力P将随着蒸发器内压力Pe的降低而降低，随着P的降低，喷射速度将添加，当添加到当地的音速时，P不再降低，始终等于临界压力P临.是以，随着毛细管增加，压力和流量都要减小，当增加到必定的长度时，压力和流量不再随毛细管增加而变更.这就是所谓的扼流景象.

5）制冷剂含油量

制冷剂含油影响毛细管流量的缘由有两个方面：

（1）油的粘度远远高于制冷剂的粘度，制冷剂中含少量油会添加混台物的粘度及响应的流动阻力，使得流量减小；

（2）油的概况张力高于制冷剂的概况张力，制冷剂中含油会使混合物的概况张力增大，从而使气化欠压增大，气化延迟，毛细管中的液体段增加，使得两相段的加速压降减小，从而添加毛细管的流量.这两个方面中第一个方面占优，则流量减小，第二个方面占优，则流量增大.至于哪个方面占优，则取决于入口的过冷度，如果过冷度小，则液体段短，两相段长，加速压降成为总压降的次要部分，则制冷剂中含少量润滑油增大制冷剂的流量.相反，如果过冷度大，则液体段长，两相段短，摩阻压降成为总压降的次要部分，则制冷剂中含少量润滑油会减少制冷剂的流量.

有实验分析的曲线，随着油的质量分数的添加，制冷剂流量减小，气化欠压降低，气化点地位后移，当含油量从0添加到5％时，制冷剂流量降低了4％，结果说明混合物粘度变更的影响超出了概况张力变更的影响.图6是三种含油浓度下沿毛细管的压力分布.在液体段，含油量为9．3％时压力降低比含油量为4．5％的压力降低快，二者又都比含油量为0．54％时快，到两相段，则正好相反.这证明了前面的分析.

图6沿毛细管长度的压力分布

6）冷剂品种的影响

使用分歧的制冷剂，在不改变零碎的全体结构的基础上，毛细管需做一些改动.改动的长度与制冷剂的物性有密切的联系.总的说来，单位质量制冷量大的工质，所需的制冷剂流量就要小，而减小制冷剂的轮回流量普通都是通过减少制冷剂的充注量和增加毛细管长度来实现的.如使用R134a的容量流量仅为R12的容积流量的80％，是以使用R134a的毛细管阻力比R12时要大，对不异管径的毛细管要加长10％～20％.

4、毛细管制冷零碎的设计要点

①在制冷零碎的高压侧，不要设置储液器，在包管冷凝器能够容纳全部制冷剂的前提下，尽量减少其无效容积.

因为在采取毛细管作为节流元件的制冷零碎中，若设置储液器或冷凝器容积过大，则当紧缩机停机后，制冷剂液体会继续流向蒸发器，严重时蒸发器内液体被紧缩机再次启动时吸入，易发生液击，损伤紧缩机：

②制冷零碎中罐注的制冷剂应适量且精确，与蒸发器容量相匹配.

因为制冷剂的罐注量过多或过少，都会影响其制冷零碎的制冷量.普通制冷零碎的制冷剂的罐注量通过设计计算后由试验来确定.

③选用毛细管时，其内径与长度应有必定的比例.

若毛细管过短，则其流动阻力小，流量大，毛细管内易混入热蒸汽，从而降低制冷效力，也易形成液体倒回到紧缩机而发生液击景象；若毛细管过长，则其流动阻力大，形成排气压力过高，而进入蒸发器内的液体量缺乏，形成吸气压力过低.有材料介绍，在同样工况同样流量的条件下，毛细管的长度近似与其内径的4.6次方成反比，即L1/L2=（D1/D2）4.6.

④适当地添加蒸发器的无效容积.

在使用毛细管作为节流元件的制冷零碎中，适当地添加蒸发器的无效容积，不但可以防止液体因回到紧缩机而发生液击景象，而且还可以降低紧缩机停机时的平衡压力，减少其启动负荷.

⑤制冷零碎应坚持清洁和干燥，防止水份或杂质的进入.

因为毛细管的内径很小，其水份或杂质的进入很容易形成冰堵或脏堵.一股对其制冷零碎中的部件都有其水份含量和杂质含量的请求，同时在毛细管进口处装有干燥过滤器.在实际产品中，常常因为考虑成本，在小零碎中很少用干燥剂，只用了价格非常廉价的过滤器.

⑥尽量采取回热轮回

在采取毛细管作为节流元件的小型制冷安装中，普通把靠近蒸发器部分的吸气管和靠近冷凝器部分的毛细管进行并列辅助换热，从而使高压侧液体过冷，紧缩机吸入蒸气过热，以减少节流损失，防止紧缩机液击，提高制冷效力.

⑦为防止毛细管出口端喷流所惹起的乐音对环境的干挠，可在毛细管外包扎阻尼块等材料，用以隔声防震.所以毛细管如果用在室内侧而室内风量又不大的话，必定要实验验证是否有液流声发生.

⑧当几根毛细管并联使用时，为使流量均匀，其后采取分液器，合适的分液器设计和选用也很次要.

5、毛细管的计算方法

1）经验公式

毛细管的计算公式到目前为止都不是很精确.现介绍一种从管道阻力计算中推导出来的经验公式.公式中的所取的摩阻系数采取勃兰休斯公式，即

根据有关报导，此公式作为摩阻系数计算毛细管长度，更能接近实际.毛细管计算的经验公式如下：

式中

－压力差（Pk-Pe），单位为Pa

Re——雷诺数，

L——毛细管长度，单位m

w——制冷剂流量，单位m/s

ρ——制冷剂密度，单位kg/m3

d——毛细管内径，单位m

2）类比法

因为毛细管的理论计算比较复杂，是以选配毛细管的方法，普通是用计算法（或图解法）初步计算毛细管的直径和长度，然后再用实验的方法以验证精确的直径与长度.而实用上还可以采取一种所谓类比法.这是一种经验方法，即参考比较成熟的同类产品进行类比而选择所须要的毛细管.可先从曾经生产的老产品中挑选一种与所设计的新产品具有不异或附近的工况，然后按比例推算新产品所需毛细管的尺寸，然后加以实验验证.我公司小零碎，特别是家用空调应当经经常使用该方法.

3）计算机辅助设计

通过相干文献的查阅，可以看出，现国内外毛细管的计算机方法的数学模型都很类似，次要区别在于一些公式的拔取，现择选其中一篇含金量较高文章如下，但愿能参考其中的公式，编写出毛细管计算的实用程序.最初在实验的基础上对其进行批改.

（节选《冰箱零碎毛细管计算模型》，作者：

赵晓宇、韩礼钟、朱明善.《工程热物理学报》，1995.5，该课题为国家计委“八五”重点攻关项目，曾于1994年l0月在浙江宁波召开的中国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术会议上宣读）