毛细管设计计算与分析

1、毛细管的设计计算与分析毛细管一般指内径为的细长铜管。作为制冷系统的节流机构，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装置中，最近在较大制 冷量的机组中也有采用，如我公司10匹柜机采用了，甚至在更大的单冷系统也 有用到，某公司40KW的水冷柜机机组中也有采用。目前公司使用的毛细管的规 格有：、。定制的毛细管规格有：、，还有6mm、8mm的铜管也可做较大系统节流 用等。1、毛细管的节流特性毛细管节流是利用制冷剂在细长管内流动的阻力而实现的。按使用情况，毛 细管可以是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。目前公司基本上采用

2、绝热膨胀的方式。制冷剂在毛细管中的流动状态，沿管长方向的压力和温度变化，如图1所示。1）过冷区从冷凝器流出的液体制冷剂以过冷状态1点进入毛细管内流动，并随着压力 的降低液体过冷度不断减小，直至变为饱和液体，即理论闪点2点，此段制冷剂 状态为单相液体。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 对毛细管的机理研究，由于毛细管直径很小，制冷剂的流速较大，通常情况下， 会出现亚稳定状态的液体过热液体的存在，使得闪点的温度和压力并不对 应，一般闪点延迟3c左右。3）两相区从3点开始制

3、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压缩流体，当毛细管的进口 压力保持不变，制冷剂的质量流量将不会随出口压力减小而无限增大，而是达到 某一值后，就不受出口压力的影响而保持不变，也会出现临界流现象，也就是说, 通过毛细管的流量，是随毛细管进口压力的增加而增加，而毛细管出口压力降低 时流量也会增加，但出口压力降低到临界压力以下，流量就不再增加，即出现临 界流现象，这也是用毛细管来控制流量的重要待征。离毛细管进口的距离(m )图1制冷剂沿毛细管流动的状态变化过程2、毛细管长度对系统的影响1)吸、排气压力灌注量一定时，随毛细管长度的增加

4、，吸气压力降低，排气压力升高。增加 毛细管的长度，则通过毛细管的质量流量下降，向蒸发器供液减少，开始时压缩 机质量流量不变，导致蒸发器内工质减少，蒸发压力下降，冷凝器内工质增多， 冷凝压力上升。随着吸气比容开始上升，压缩机质量流量下降，高低压压差增大， 使压缩机的输气系数下降，加大压缩机质量流量的下降趋势，同时随压差增大， 毛细管节流量又有所回升，最后当毛细管和压缩机两者的质量流量相等使，整个 系统稳定运行。这时，蒸发压力和吸气压力下降，冷凝压力和排气压力上升，系 统质量流量减少。2)功率和电流空调器的功率主要由压缩机和风机电机两部分组成，其中风机电机的功率很 小且基本不变，主要是压缩机随运行

5、情况变化。压缩机的指示功率为：Pi = m * k/(k-)*Ps*Vs* (Pd/Ps) -1 /7/可以看出，指示功率与质量流量、高低压比成正比。压缩机功率主要受质量 流量的影响，随灌注量的增力U,压缩机质量流量增大功率上升。灌注量一定，随 毛细管减短，质量流量增加，冷凝压力下降，蒸发压力上升，压比减小。根据上 式，随质量流量的增加，功率有增大趋势，而随压比减少，功率又有减少的趋势， 这两者相互制约。通过实验可以得到，实验范围内流量的影响起决定作用，即毛 细管的减短，流量增大，功率上升。电流的变化规律与功率一致。3）制冷量与能效比当毛细管长度一定时，随灌注量的增大，制冷量会出现一最大值。因

6、为随灌 注量的增大，系统工质的流量增加，蒸发压力上升，单位质量制冷量增加，从而 制冷量增大，但随灌注量的进一步增加，蒸发压力、温度的提高使传热温差减小, 抑制制冷量的进一步上升，当传热温差占主导地位时，制冷量反而会下降，出现 一个最大值。如图2:850rr mR22的灌注量图2制冷量随毛细管和灌注量变化曲线从图中可看出，随毛细管的增长，制冷量的最大值向右偏移，造成这种现象 的原因是随毛细管的增长，阻力增加，冷凝器内集液增多，压力提高，蒸发器内 供液减少，压力下降，单位质量流量下降，蒸汽器换热面积利用不充分，灌注量 增加，可使蒸发器内工质增加，改善其换热条件，使制冷量增大，所以，毛细管 加长后，

7、冷媒灌注量也要相应增加，这样才会使制冷量达到最大。同样，对应一定长度的毛细管，存在一最佳灌注量使EER值最大，对于不同 长度的毛细管，其最佳灌注量对应的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不一定相同，因此必须确定优化目标，达到系统 最优。3、影响毛细管设计的几个参数制冷系统是一个动态系统，毛细管的供液量受整个系统的影响。归结起来，主要因素有：1）毛细管前制冷剂状态毛细管前制冷剂状态主要是压力R和温度tk,如图3,毛细管入口处制冷剂 状态是不定的，受。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的变化，毛细管入口处状态要发生变化。图32）毛

8、细管几何尺寸毛细管几何尺寸包括内径D、长度L和管内壁粗糙度e0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，提高制冷系统的热效率，毛细管一般焊人回 气管内或附着于回气管表面。通常，毛细管内制冷剂与回气管表面存在着温度差 to At使制冷剂温度降低，过冷度增加，管中制冷剂流速受影响，从而影响 供液量。在相同流量下，与毛细管长度的关系如图4,与绝热情况相比，出 口温度和千度都降低，如图5。图4毛细管长度与的关系(Un超之尊电日图5热交换对毛细管流动的影响4）毛细管出口压力Peo制冷剂在毛细管出口

9、处形成喷射。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，喷射速度将增加，当增 加到当地的音速时，P不再降低，始终等于临界压力P临。因此，随着毛细管增 长，压力和流量都要减小，当增长到一定的长度时，压力和流量不再随毛细管增 长而变化。这就是所谓的扼流现象。5）制冷剂含油量制冷剂含油影响毛细管流量的原因有两个方面：（1）油的粘度远远高于制冷 剂的粘度，制冷剂中含少量油会增加混台物的粘度及相应的流动阻力，使得流量 减小；（2）油的表面张力高于制冷剂的表面张力，制冷剂中含油会使混合物的表 面张力增大，从而使气化欠压增大，气化延迟，毛细管中的液体段增长，使得两

10、相段的加速压降减小，从而增加毛细管的流量。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，则取决于人口 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主要 部分，则制冷剂中含少量泗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主要部分，则制冷剂中含少量润滑油 会减少制冷剂的流量。有实脸分析的曲线，随着油的质量分数的增加，制冷剂流量减小，气化欠压 降低，气化点位置后移，当含油量从。增加到5%时，制冷剂流量降低了 4%, 结果说明混合物粘度变化的影响超过了表面张力变化的影响。图6是三种含油浓 度下沿

11、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。这证实了前面的分析。6）冷剂种类的影响使用不同的制冷剂，在不改变系统的整体结构的基础上，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，而减小制冷剂的循环流量一般都是通过减少制 冷剂的充注量和增长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%,因此使用R134a的毛细管阻力比R12时要大，对相同管径 的毛细管要加长10%20%。4、毛细管制冷系

12、统的设计要点在制冷系统的高压侧，不要设置储液器，在保证冷凝器能够容纳全部制 冷剂的前提下，尽量减少其有效容积。因为在采用毛细管作为节流元件的制冷系统中，若设置储液器或冷凝器容积 过大，则当压缩机停机后，制冷剂液体会继续流向蒸发器，严重时蒸发器内液体 被压缩机再次启动时吸入，易产生液击，损伤压缩机：制冷系统中罐注的制冷剂应适量且准确，与蒸发器容量相匹配。因为制冷剂的罐注量过多或过少，都会影响其制冷系统的制冷量。一般制冷 系统的制冷剂的罐注量通过设计计算后由试验来确定。选用毛细管时，其内径与长度应有一定的比例。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 低制冷效率，也易造成

13、液体倒回到压缩机而产生液击现象；若毛细管过长，则其 流动阻力大，造成排气压力过高，而进入蒸发器内的液体量不足，造成吸气压力 过低。有资料介绍，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 的次方成正比，即L1/L2=(D1/D2)o适当地增加蒸发器的有效容积。在使用毛细管作为节流元件的制冷系统中，适当地增加蒸发器的有效容积， 不仅可以防止液体因回到压缩机而产生液击现象，而且还可以降低压缩机停机时 的平衡压力，减少其启动负荷。 制冷系统应保持清洁和干燥，避免水份或杂质的进入。因为毛细管的内径很小，其水份或杂质的进入很容易造成冰堵或脏堵。一股 对其制冷系统中的部件都有其水份含量和杂质含量的

14、要求，同时在毛细管进口处 装有干燥过滤器。在实际产品中，往往因为考虑成本，在小系统中很少用干燥剂， 只用了价格非常便宜的过滤器。尽量采用回热循环在采用毛细管作为节流元件的小型制冷装置中，一般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，压 缩机吸入蒸气过热，以减少节流损失，防止压缩机液击，提高制冷效率。为避免毛细管出口端喷流所引起的噪音对环境的干挠，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，一定要实脸验证是否有液流声产生。 当几根毛细管并联使用时，为使流量均匀，其后采用分液器，合适的分 液器设计和选

15、用也很重要。5、毛细管的计算方法D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 推导出来的经脸公式。公式中的所取的摩阻系数采用勃兰休斯公式，即/= 0.3164/?/25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：r APR t,0.25 dL =；0.1582vv2/9式中 此一压力差（Pk-Pe）,单位为PaRe雷诺数，L毛细管长度，单位mw制冷剂流量，单位m/sP制冷剂密度，单位kg/m3d毛细管内径，单位m2）类比法由于毛细管的理论计算比较复杂，因此选配毛细管的方法，一般是用计算法 （或图解法）初步计算毛细管的

16、直径和长度，然后再用实脸的方法以脸证精确的 直径与长度。而实用上还可以采用一种所谓类比法。这是一种经脸方法，即参考 比较成熟的同类产品进行类比而选择所需要的毛细管。可先从已经生产的老产品 中挑选一种与所设计的新产品具有相同或相近的工况，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。我公司小系统，尤其是家用空调应该经常 用该方法。3）计算机辅助设计通过相关文献的查阅，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，主要区别在于一些公式的选取，现择选其中一篇含金量较高文章如下， 希望能参考其中的公式，编写出毛细管计算的实用程序。最后在实脸的基础上对其进行修正。（节选冰箱系统毛

17、细管计算模型，作者：赵哓宇、韩礼钟、朱明善。工 程热物理学报一该课题为国家计委“八五”重点攻关项目，曾于1994年I0 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）3数学模型选取毛细管内的微元控制体如图2所示：在研究中采用简化的一元流动模型，即 只考虑各参数沿流向的变化，这样处理既便 于分析，又可抓住问题的主要特点.3.1单相流动连续性方程：Pit/iAi = p2V2A2(1)因为管路截面积不变，化为图2毛绢管的微元控制体式中g为质域流率，材为质址流量,0为流速，y为比容.动 fit 方程：6p + 6hf + /n)6v = 0,即入罂 + pv6v = 0能

18、爆方程:3.2两相流动为了应用按单相流推导的公式，采用均相流动模型，即把气、液两相混合物看作一 种均匀介质，其流动物理参数采用两相介质的相应参数的平均值,这里有两个假设：液 相和气相的流速相等（无相对滑动）；两相介质达到热力学平衡。fe = hhg + （1 - 土）加（4） 式中。为盘管曲率直径.3.3阻力系数的选取图直管:盘管:单相两相单相展叫 + (1 - x)Vt1 X 1 - X-=卜% 阳17.240.300(4小d x 1 + 即(下)平20.112两相 Atp =写(W)促4产(产3叫D GdKctp =Dtp根据以上模型和公式，用差分格式编制了一套计算软件.4计算结果4.1 设计计算即根据系统循环计算中求得的流量和限定的工况来求毛细管的长度。程序框图略本程序可计算三种形式的毛细管：匕,直管、b盘管、C.混合式，输入参数：毛细管入口压力出口压力外,入口过冷度OS