制冷系統(tǒng)管路設(shè)計原理-云南特種作業(yè)操作制冷證考試報名
制冷系統(tǒng)基礎(chǔ)管路設(shè)計
最基本的制冷空調(diào)系統(tǒng)包括三段主管路：吸氣管，熱氣管和供液管路。
另外還有其他的分支管路，基于不同的系統(tǒng)可有可無，比如熱力膨脹閥的外平衡管、熱氣旁通管路、噴液冷卻管路、熱氣化霜管路、并聯(lián)系統(tǒng)的油平衡管、氣平衡管路等等。
本文旨在分析最基本的，也是制冷空調(diào)系統(tǒng)不可或缺的三段主管路的設(shè)計，主要包含確定管徑大小和布置管路兩方面，基本上適用于空調(diào)和各種制冷以及熱泵等使用氟利昂的蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)。
第一部分：吸氣管路
一、吸氣管路的設(shè)計總體原則
吸氣管路是從蒸發(fā)器出口到壓縮機(jī)的吸氣口，這段管路中流動的介質(zhì)可能包括有制冷劑氣體，制冷劑液體和潤滑油，管路設(shè)計的基本原則如下：
回油，依靠介質(zhì)的流速將潤滑油帶回到壓縮機(jī)中
避免壓縮機(jī)停機(jī)時回液引起帶液啟動
最小化壓降，減少對系統(tǒng)效率的影響
最小化壓縮機(jī)振動的傳遞
氣液油分離的效果
最小化無效過熱
二、管徑的計算方法
管徑的確定可以通過基于標(biāo)準(zhǔn)或者設(shè)計工況下的數(shù)據(jù)，計算制冷劑的系統(tǒng)質(zhì)量流量，然后再根據(jù)系統(tǒng)中制冷劑所處不同位置的物性，計算該位置的制冷劑容積流量，再除以管路的截面積，這樣就可以得出不同管徑下的制冷劑流速。
吸氣管路管徑的確定原則如下：
上升管路,冷媒流速不低于5m/s, 一般設(shè)計流速在8m/s以上,根據(jù)所用的潤滑油的粘度稍有區(qū)別
水平管路或者下降管路,冷媒流速不低于3m/s
吸氣管路的最大流速不得超出20m/s
吸氣管路所產(chǎn)生的壓降不得超過20Kpa
滿足帶油所需要的流速的前提下管徑盡可能設(shè)計的大,這樣利于降低系統(tǒng)壓降和振動.
舉個栗子，如果已知一個使用R22制冷劑的系統(tǒng)的制冷量是20kW，冷凝溫度50攝氏度,蒸發(fā)溫度3攝氏度,過冷度2k, 如下圖左圖所示, 在壓焓圖上面根據(jù)所給定的信息，可以確定3點和TE點的位置，從而確定這兩點的焓值各自是多少，用系統(tǒng)的制冷量除以這兩點焓值的差值，就可以得到系統(tǒng)的質(zhì)量流量，焓值的單位是KJ/Kg, KJ和W，可以換算乘上時間,更換一下：
最終得到的質(zhì)量流量單位是Kg/s, 當(dāng)我們計算吸氣管路管徑的時候,我們需要根據(jù)過熱度確定1點的位置，查找R22冷媒的物性,查到該1點位置下的冷媒密度,密度單位為Kg/m3, 制冷劑的質(zhì)量流量除以密度就可以得到1點位置的容積流量，單位為m3/s。
最后，用這個容積流速除以不同管徑下的截面積，就可以得到不同管徑下的冷媒流速,類似于下圖所示, 橫坐標(biāo)是制冷能力，縱坐標(biāo)是基于不同管徑下的管路流速：
三、吸氣管路壓降的確定
吸氣管路上總的壓降ΔP包括三個方面，管路沿程阻力是由于流體流動中管壁摩擦所造成的阻力，管路上安裝的附件產(chǎn)生的壓降，比如吸氣過濾器、角閥、四通換向閥等，最后還有由于高度上的差異產(chǎn)生的重力的影響。
通常情況下，附件的壓降可以通過附件的生產(chǎn)廠家所標(biāo)定的數(shù)據(jù)來確定，吸氣管路內(nèi)部流動的制冷劑是氣體狀態(tài)，重力的影響基本上可以忽略不計，沿程阻力通過經(jīng)驗性的估計也可以大概確定下來。理論上三個方面的阻力產(chǎn)生的壓降計算方法如下：
相對于熱氣管路和供液管路, 吸氣管路的壓降對系統(tǒng)的效率影響非常顯著， 如下圖所示的理論計算結(jié)果，一般吸氣管路產(chǎn)生的壓降不允許超出20Kpa，也就是3PSI，當(dāng)壓降達(dá)到6PSI時候，系統(tǒng)的能力下滑3%，效率下滑2%。
四、吸氣管路管徑的確定
如下圖所示，橫坐標(biāo)為系統(tǒng)的制冷能力，縱坐標(biāo)為管路中制冷劑的流速，合理的流速范圍假定為5~20m/s。不同的管徑對應(yīng)不同的制冷能力可以根據(jù)圖中給定的合理范圍進(jìn)行選擇。
舉例說明，假設(shè)一個制冷系統(tǒng)的能力變化范圍為5~20kW，注明：該能力變化范圍取決于壓縮機(jī)的允許運(yùn)行范圍和系統(tǒng)的設(shè)計工況以及實際的使用使用工況，比如中國的T1工況范圍，所取的數(shù)值是可能的最小制冷能力和可能的最大制冷能力，也就代表了可能的最小制冷劑流量和可能的最大制冷劑流量。
系統(tǒng)的制冷能力為5kW時，在合理的流速范圍內(nèi)可以選擇的管徑分別為22、28、35和42mm，這些可以選擇的管徑可以滿足5kW制冷能力下的帶油和避免過大的振動等要求，而系統(tǒng)在20kW制冷能力下，可以選擇的管徑分別為42、67mm以及更大的管徑，這樣我們在系統(tǒng)的整個制冷能力范圍內(nèi)能夠選擇的管徑只有42mm，就是涂紅色的管徑，它既可以滿足在最小制冷劑流量情況下的回油，又不會在最大制冷劑流量的情況下因為流速過快引起振動的問題。
如果在能力范圍內(nèi)可以選擇的管徑不僅一個，為了提升效率，一般建議選擇稍大的管徑。
如果上個例子中的系統(tǒng)冷量能力范圍不是5~20kW，而是更大，比如3~20kW，我們會發(fā)現(xiàn)沒有任何一個管徑可以選擇。這種情況下，我們推薦雙升管的設(shè)計，設(shè)計原理圖如下所示：
大上升管的粗管徑按照最大能力減去最小能力進(jìn)行設(shè)計，小上升管的細(xì)管徑按照最小能力進(jìn)行設(shè)計當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在最大能力時，兩個管徑的截面積之和所得到的流速可以滿足帶油的要求。
當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在部分負(fù)荷甚至最小能力時，兩個管徑的截面積之和所得到的流速不能滿足帶油的要求，潤滑油會累積在大上升管的底部，直至形成油封液柱，封閉大上升管，僅保留小上升管繼續(xù)工作，小上升管的管徑正好符合最小能力的要求，系統(tǒng)就可以正常帶油。
當(dāng)系統(tǒng)能力再度發(fā)生變化時，能力變大，制冷劑流量變大，小上升管產(chǎn)生的壓降會同時變大，直到壓降大到足以推動油駐的高度上面的重力，重新打開大上升管之后，系統(tǒng)重新回到大小上升管同時工作的狀態(tài)。
五、吸氣管路的布置
原則上吸氣管路的布置如下圖所示，需要考慮的因素有兩方面，防止回液和利于回油，基本上常見的設(shè)計方案是回油彎和防回液彎。
一般蒸發(fā)器本身為了防止帶液啟動和回液，換熱器的設(shè)計會盡量讓出口高于入口，一般出口開在換熱器的頂部，本身是帶有一定的防止運(yùn)行時候的回液和停機(jī)時候的液體冷媒的重力遷移，國內(nèi)很多冷庫用的冷風(fēng)機(jī)的設(shè)計或者鋁排管路的設(shè)計不帶有這樣的設(shè)計，甚至相反，很容易造成停機(jī)后的冷媒液體遷移造成壓縮機(jī)的帶液啟動問題，就有必要按照這樣的布置如設(shè)計：
除此之外，吸氣管路由于內(nèi)置的制冷劑狀態(tài)最為復(fù)雜多變，布置設(shè)計方面還要考慮以下幾個方面：
減少管路的死區(qū), 避免存留過多的潤滑油
如果上升管路的高度落差較大, 可以考慮每間隔2~4米設(shè)計回油彎
所有外部連接的支管路, 都要求開孔位置在管路的頂部, 避免雜質(zhì)和潤滑油外流,甚至導(dǎo)致液錘
管路每間隔1米以上, 適當(dāng)考慮加裝固定, 靠近壓縮機(jī)部分,可以考慮加裝阻尼塊或者配重等
吸氣管路根據(jù)不同的應(yīng)用情況, 在中低溫的應(yīng)用中, 需要做保溫, 避免冷凝水和無效過熱
靠近壓縮機(jī)的部分, 管路需要考慮3維方向柔性設(shè)計, 減少壓縮機(jī)對外的振動傳遞
第二部分：熱氣管路
壓縮機(jī)的排氣管路連接壓縮機(jī)排氣口和冷凝器的入口，管路中流動的介質(zhì)一般是高溫高壓的氣體狀態(tài)，帶有潤滑油。絕大多數(shù)的應(yīng)用中，潤滑油在高溫高壓下的粘度相對較小，流動性比較好，所以排氣管路設(shè)計一般不會特別考慮帶油方面，管徑確定的原則主要是考慮振動的影響，而且因為大多數(shù)的應(yīng)用壓縮機(jī)距離冷凝器的距離很近，冷暖型的設(shè)備除外，所以壓降的影響基本也可以忽略。
下圖所示，是潤滑油的粘度與冷媒的溶解度和溫度壓力之間的大概關(guān)系：
排氣管路的管徑確定原則是流速在5~17.5m/s，壓降最大41Kpa。
排氣管路的布置原則相對管徑的確定來說更重要，因為一般的壓縮機(jī)如果沒有另外安裝單向閥的話，內(nèi)置的背壓單向閥片或者閥座的基本功能是防止停機(jī)后的反轉(zhuǎn)，不能真正的實現(xiàn)反向密封，所以存在一種可能性，冷凝器中的液體和管路中的潤滑油，在壓縮機(jī)停機(jī)后，反向回流到壓縮機(jī)的壓縮腔體內(nèi)，在下一次壓縮機(jī)啟動的瞬間可以導(dǎo)致液擊或者導(dǎo)致系統(tǒng)高壓甚至也有可能形成液錘。
基于這個原因，排氣管路的布置需要考慮如何防止停機(jī)后的冷媒遷移，如下圖所示，示意了三種錯誤和一種正確的布置方法：
第三部分：供液管路
供液管路連接冷凝器和蒸發(fā)器，管內(nèi)流動的介質(zhì)是液體狀態(tài)，大多數(shù)情況下屬于高溫高壓，某些應(yīng)用可能低溫，但是基本都是液體狀態(tài)。
供液管路中的潤滑油和制冷劑都是液體狀態(tài)下的溶解度相對于氣體制冷劑來說要好很多，所以這段管路的設(shè)計基本不需要考慮帶油的問題。供液管路的壓降是最重要的設(shè)計依據(jù)，壓降對于過冷度的影響如下表所示：
供液管路管徑的確定主要的依據(jù)是管徑產(chǎn)生的壓降對過冷度的影響，允許的運(yùn)行速度為1.8m/s以下。供液管路本身所產(chǎn)生的壓降不僅僅包括管路的摩擦阻力和附件產(chǎn)生的壓降，也包括制冷劑本身的重力降，比如R22制冷劑供液管路上升15米的話，所產(chǎn)生的壓降約為172Kpa，對過冷度的影響約為5度。
供液管路本身的布置也尤為重要，根據(jù)節(jié)流機(jī)構(gòu)的要求，盡可能滿足節(jié)流機(jī)構(gòu)入口滿液的狀態(tài)，也就是有足夠的過冷度。為了達(dá)到這個目的，需要盡可能縮短儲液器和節(jié)流機(jī)構(gòu)之間的距離�？上У氖牵壳敖^大多數(shù)的設(shè)備儲液器安裝在距離冷凝器最近的位置，往往分體設(shè)備長管路連接，距離節(jié)流機(jī)構(gòu)較遠(yuǎn)，容易造成過冷度不足以及系統(tǒng)低壓報警，甚至管路喘振，節(jié)流機(jī)構(gòu)嘯叫，液錘等一系列問題。
存液段的原理類似于下圖醫(yī)院用輸液設(shè)備，吊瓶類似于儲液器，枕頭類似于節(jié)流毛細(xì)管，中間的粗管段就是存液段。
