制冷系統(tǒng)基礎(chǔ)管路設(shè)計(jì)

　　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(jì)，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(jì)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(dòng)的介質(zhì)可能包括有制冷劑氣體，制冷劑液體和潤(rùn)滑油，管路設(shè)計(jì)的基本原則如下：

　　回油，依靠介質(zhì)的流速將潤(rùn)滑油帶回到壓縮機(jī)中；

　　避免壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)回液引起帶液?jiǎn)?dòng)；

　　最小化壓降，減少對(duì)系統(tǒng)效率的影響；

　　最小化壓縮機(jī)振動(dòng)的傳遞；

　　氣液油分離的效果；

　　最小化無效過熱。

　　二、管徑的計(jì)算方法

　　管徑的確定可以通過基于標(biāo)準(zhǔn)或者設(shè)計(jì)工況下的數(shù)據(jù)，計(jì)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(jì)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(jì)流速在8m/s以上,根據(jù)所用的潤(rùn)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(jì)的大,這樣利于降低系統(tǒng)壓降和振動(dòng)。

　　舉個(gè)栗子：如果已知一個(gè)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, 如下圖所示： 

　　在流程圖上面根據(jù)所給定的信息，可以計(jì)算出各點(diǎn)的焓值各自是多少，用系統(tǒng)的制冷量除以這兩點(diǎn)焓值的差值，就可以得到系統(tǒng)的質(zhì)量流量；下圖為我們專用軟件的計(jì)算結(jié)果；

　　最終得到的質(zhì)量流量單位是Kg/h, 當(dāng)我們計(jì)算吸氣管路管徑的時(shí)候,我們需要根

　　據(jù)過熱度計(jì)算出冷媒密度,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(diǎn)位置的容積流量，單位為m3/s：

　　最后，用這個(gè)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：

　　三、吸氣管路壓降的確定

　　吸氣管路上總的壓降ΔP包括三個(gè)方面，管路沿程阻力是由于流體流動(dòng)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(dòng)的制冷劑是氣體狀態(tài)，重力的影響基本上可以忽略不計(jì)，沿程阻力通過經(jīng)驗(yàn)性的估計(jì)也可以大概確定下來。理論上三個(gè)方面的阻力產(chǎn)生的壓降計(jì)算方法如下：

　　相對(duì)于熱氣管路和供液管路, 吸氣管路的壓降對(duì)系統(tǒng)的效率影響非常顯著， 如下圖所示的理論計(jì)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(shí)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(duì)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(gè)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(jì)工況以及實(shí)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(shí)，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(dòng)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?cè)谙到y(tǒng)的整個(gè)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(huì)在最大制冷劑流量的情況下因?yàn)榱魉龠^快引起振動(dòng)的問題。

　　如果在能力范圍內(nèi)可以選擇的管徑不僅一個(gè)，為了提升效率，一般建議選擇稍大的管徑。

　　如果上個(gè)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(huì)發(fā)現(xiàn)沒有任何一個(gè)管徑可以選擇。這種情況下，我們推薦雙升管的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(jì)，小上升管的細(xì)管徑按照最小能力進(jìn)行設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在最大能力時(shí)，兩個(gè)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(shí)，兩個(gè)管徑的截面積之和所得到的流速不能滿足帶油的要求，潤(rùn)滑油會(huì)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(shí)，能力變大，制冷劑流量變大，小上升管產(chǎn)生的壓降會(huì)同時(shí)變大，直到壓降大到足以推動(dòng)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(shí)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(jì)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?jiǎn)?dòng)和回液，換熱器的設(shè)計(jì)會(huì)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(shí)候的回液和停機(jī)時(shí)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(jì)或者鋁排管路的設(shè)計(jì)不帶有這樣的設(shè)計(jì)，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?jiǎn)?dòng)問題，就有必要按照這樣的布置如設(shè)計(jì)：

　　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(jì)方面還要考慮以下幾個(gè)方面：

　　減少管路的死區(qū), 避免存留過多的潤(rùn)滑油；

　　如果上升管路高度落差較大, 可以考慮每間隔2~4米設(shè)計(jì)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(rùn)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(jì), 減少壓縮機(jī)對(duì)外的振動(dòng)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(dòng)的介質(zhì)一般是高溫高壓的氣體狀態(tài)，帶有潤(rùn)滑油。絕大多數(shù)的應(yīng)用中，潤(rùn)滑油在高溫高壓下的粘度相對(duì)較小，流動(dòng)性比較好，所以排氣管路設(shè)計(jì)一般不會(huì)特別考慮帶油方面，管徑確定的原則主要是考慮振動(dòng)的影響，而且因?yàn)榇蠖鄶?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(rùn)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(duì)管徑的確定來說更重要，因?yàn)橐话愕膲嚎s機(jī)如果沒有另外安裝單向閥的話，內(nèi)置的背壓?jiǎn)蜗蜷y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(shí)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(rùn)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(dòng)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(gè)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(cuò)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(dòng)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(rùn)滑油和制冷劑都是液體狀態(tài)下的溶解度相對(duì)于氣體制冷劑來說要好很多，所以這段管路的設(shè)計(jì)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(jì)依據(jù)，壓降對(duì)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(duì)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(duì)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(gè)目的，需要盡可能縮短儲(chǔ)液器和節(jié)流機(jī)構(gòu)之間的距離。可惜的是，目前絕大多數(shù)的設(shè)備儲(chǔ)液器安裝在距離冷凝器最近的位置，往往分體設(shè)備長(zhǎng)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(bào)警，甚至管路喘振，節(jié)流機(jī)構(gòu)嘯叫，液錘等一系列問題。

　　特此提出一種新的設(shè)計(jì)方案，如果儲(chǔ)液器距離節(jié)流機(jī)構(gòu)較遠(yuǎn)，超出10米以上，建議設(shè)計(jì)存液段，在節(jié)流機(jī)構(gòu)入口距離30cm~50cm左右，設(shè)計(jì)一個(gè)小型儲(chǔ)液器，用來消化管路壓降附件阻力和高度差重力降等原因引起的閃氣，以確保下游節(jié)流功能的正常運(yùn)行。

　　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(chǔ)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。