技术：制冷铜管设计与优化

在蒸气压缩式制冷系统中,制冷剂依次流经压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器,完成升压、放热、节流、吸热等一系列热力过程,从而实现制冷循环[1]。在此过程中,制冷剂须借助铜管在各部件间顺畅流动和高效换热。 因此,铜管是连通制冷系统的纽带,对保障制冷剂流动和维持系统平衡至关重要。

然而,铜管设计不当,一方面会因流阻过大、振动频发而恶化系统性能,另一方面会因腐蚀穿孔、脱焊开裂而埋下安全隐患。据统计,70%以上的制冷系统故障与管路设计和安装有关[2]。可见,合理设计铜管规格尺寸,优化选材和连接工艺,是提高制冷系统效率和可靠性的重要途径。

国内外学者针对制冷铜管开展了大量研究。李先庭等[3]系统总结了流体阻力和压降对铜管直径的控制作用,提出了"定压降梯度"的优化准则。宋春晓等[4]深入分析了铜管内表面粗糙度对流动沸腾换热的影响规律,优选出促进核态沸腾的最佳粗糙度范围。肖立新等[5]针对均压管堵塞问题,创新性地提出了微通道均压器和双向流防堵型均压管。Hrnjak等[6]实验研究了液管中过冷液相的分层流动特性,发现过冷度和气体体积分数是影响分层临界速度的主因。Ding等[7]数值模拟了毛细管内环状流的气液界面稳定性,揭示了折径比对毛细管可靠性的决定性作用。

综上,现有研究虽涉及铜管设计的诸多方面,但尚缺乏系统性和针对性。鉴于此 ,本文拟从液管、毛细管、气管、均压管等铜管的类型入手,在分析其功能定位和失效模式的基础上,系统阐述管径计算、压降控制、保温措施、防振对策、连接工艺等设计要点, 并结合工程实例讨论典型铜管的优化设计策略,以期为制冷工程师合理设计制冷铜管提供参考。

1.液管的功用与分类     

液管是连接冷凝器出口与节流装置入口的铜管,其作用是输送冷凝液并维持其过冷度,为节流装置提供均匀、稳定的进液条件。根据冷凝器出口制冷剂的状态,液管可分为临界冷凝工况、过冷液相工况和气液两相工况三类[8]。

临界冷凝工况是指冷凝器能完全冷凝制冷剂,但出口处仍有微量饱和蒸汽夹带,对应的冷凝压力略高于环境温度下的饱和压力。在此工况下,液管内主要以饱和液体流动为主,夹带的饱和蒸汽会沿程冷凝,可视为单相流动。

过冷液相工况是指冷凝器出口处制冷剂完全冷凝为过冷液体,对应的冷凝压力明显高于环境温度下的饱和压力。在此工况下,液管内以过冷液体单相流动为主,但沿程会有微量闪发气体混入。气液两相工况是指冷凝器热负荷不足,出口处存在大量未冷凝的饱和蒸汽,对应的冷凝压力接近环境温度下的饱和压力。在此工况下,液管内会形成气液两相流动,且气相质量分数较大,严重时会使节流装置失去供液。

 

2.液管的管径计算     

(1)临界冷凝工况

在此工况下,冷凝器出口温度与饱和温度几乎相同,视为饱和液体,可按单相流动计算管径。设计时应控制液管内的流速和压降在合理范围内,以免因流速过低而积液,或因压降过大而闪发汽化。

根据Darcy-Weisbach方程,压降ΔP与管径d、管长l、流速u和摩擦阻力系数λ的关系为[9]:

ΔP=(8λl/π2)(?2/ρd5)式中,?为质量流量,ρ为饱和液体密度。同时,流速u应控制在0.5~1.2m/s,以保证饱和液体流动的连续性和稳定性。代入连续方程,并结合压降要求,可得液管管径:

d≥[128λl?2/(π3ρ2ΔP)]1/5

工程上,常取压降梯度R=(ΔP/l)=(0.02~0.03)MPa/m作为设计参数,代入上式即可求得液管管径。

(2)过冷液相工况

在此工况下,冷凝器出口温度低于饱和温度,过冷度一般控制在3~8K。由于过冷液体沿程会有少量闪发汽化,故液管内以过冷液体为主,兼有微量气相,仍可视为单相流动。

与临界冷凝工况不同的是,过冷液体的密度和粘度均有所下降,故在相同质量流量下,过冷液管所需管径要小于临界冷凝液管。但为抑制气体闪发,过冷液管内流速应控制在临界冷凝工况流速的1.2~1.5倍。

故过冷液管管径计算公式为:

d≥{128λl?2/[π3ρ2ΔP(1.2~1.5)2]}1/5

其中,ρ取过冷液体的密度。

(3)气液两相工况

在此工况下,由于冷凝器热负荷不足,出口处气相质量分数较大,液管内会形成显著的气液两相流动。计算时,应先判断流型,再选用相应的压降关联式。

对于气液两相流动,当气相体积分数β≤0.6时,多呈现分层流,此时采用Lockhart-Martinelli关联式计算摩擦压降ΔPf[10]:

ΔPf=(ΔPf)lΦ2l=2flG2(1-x)2υl/d·Φ2l

式中,(ΔPf)l为全液相时的摩擦压降,Φl为两相流动乘子,fl为液相摩擦因子,G为质量流速,x为气相干度,υl为液相比体积。

当β＞0.6时,多呈现环状流,采用Friedel关联式计算摩擦压降[11]:

ΔPf=2flG2υlFr/d

式中,Fr为两相流动参数,其与We数、Re数等有关。

考虑到气液两相摩擦压降远大于单相流动,且流型随气相分数变化明显,工程设计时宜按最不利工况确定管径,即取β=0.6代入Lockhart-Martinelli关联式求解临界管径,并按环状流校核。

 

3.液管的设计要点    

除管径外,液管设计还应注意以下要点:

(1)根据制冷剂种类选择铜管材质,如采用R22时选用紫铜管,采用R410A时选用内螺纹铜管等。

(2)合理控制铜管壁厚,一般为公称直径的8%~12%,并符合pressurevesselcode的规定。

(3)沿程每隔10m设置一个存液弯管,弯曲半径应大于管径的3倍,且两弯管间应保持0.5%的坡度[12]。

(4)选用弹性好的闭孔型保温材料,并控制环境侧表面温度与周围空气温差不超过5K[13]。

(5)管卡间距控制在1.5~2m,并采用减振管卡固定,管卡带应采用不锈钢材质。(6)采用钎焊连接时,应选择与铜管材质相匹配的焊料,如磷铜焊料、银基钎料等,且钎焊深度应为铜管壁厚的30%~50%[14]。

1.毛细管的功用与分类     

毛细管是一种内径2mm、长度0.5m的细长铜管,常用于小型制冷设备的节流元件。其作用是将高压冷凝液等焓节流为低压低温的气液混合物,并直接进入蒸发器吸热。毛细管设计的难点在于管径偏差、内表粗糙度等因素对节流性能的影响显著,且进口段极易结垢结冰,故设计时必须严格控制毛细管的工艺质量和进液洁净度。

根据在系统中的位置,毛细管可分为蒸发器毛细管和冷凝器毛细管。蒸发器毛细管是紧贴或缠绕在蒸发器管外表面的毛细管,利用蒸发器表面的环境冷量预先冷却冷凝液,起到过冷的作用;冷凝器毛细管则布置在冷凝器与蒸发器之间,无预冷作用,故在同等工况下,所需节流长度更长。

2.毛细管的管径计算    

(1)蒸发器毛细管

蒸发器毛细管的管径设计需满足过冷度、折径比、内径极限值三个条件。其中,过冷度ΔTsub是衡量节流效果的关键参数,折径比Dc/d反映管径与缠绕直径的匹配性,内径极限值dmin则决定了毛细管的加工公差。

关于过冷度,PateandTree[15]基于R12和R22制冷剂的试验数据,提出了半经验关联式:

ΔTsub=3.66(ΔPc/Δhv)1.25(Dc/d)

式中,ΔPc为冷凝压力,Δhv为蒸发潜热。可见,ΔTsub随ΔPc的升高而增大,随Dc/d的减小而降低。

关于折径比,Melo等[16]建议Dc/d应控制在30~70之间,过大则管径偏细,过小则缠绕困难。对于householdrefrigerators,优选值为50。

关于内径极限值,KuehlandGoldschmidt[17]基于大量试验数据,拟合出dmin与过冷度ΔTsub和制冷量Q0的关系:

dmin=0.58+0.075ΔTsub+3.05Q0

式中,dmin和ΔTsub的单位为mm和°C,Q0的单位为kW。可见,dmin随ΔTsub和Q0的增大而增大。

在满足上述条件的前提下,可选取内径较大的规格,以降低流动阻力,通常蒸发器毛细管的内径为1.8mm,冷凝器毛细管的内径为0.6mm。

 

(2)冷凝器毛细管

由于冷凝器毛细管无预冷作用,故在计算管径时可不考虑过冷度和折径比,而主要依据内径极限值选择。

Melo等[18]针对R134a冷凝器毛细管,提出了另一种内径极限关联式:

dmin=0.336+0.0005Pd+0.003Te+3.38Q0

式中,dmin的单位为mm,Pd为冷凝压力,单位为kPa,Te为蒸发温度,单位为°C。可见,在制冷量一定时,dmin随着冷凝压力的升高和蒸发温度的降低而增大,这主要是由于较低的蒸发温度需要较大的节流压差,而较大的节流压差需要较细的毛细管来实现。

对于其他类型制冷剂,鲍静茹等[19]基于流体力学理论,推导出了冷凝器毛细管内径的优化计算公式:dopt=[128(f/f0)(L/D)(ρl/ρv)x/(π2ρl)]1/5式中,f为毛细管内摩擦因子,f0为光管摩擦因子,L为毛细管长度,D为冷凝器管径,ρl和ρv分别为液相和气相密度,x为干度。可见,dopt随x的增大而减小,这与质量流量随干度的降低有关。

3.毛细管的设计要点    

(1)保证冷凝器出口过冷度不低于3°C,必要时可设置过冷器。

(2)合理布置蒸发器毛细管,紧贴蒸发段,与蒸发管并联,每100~150mm用铜皮或扎带固定一次。

(3)严格控制毛细管进口段洁净度,配用80目以上的细网式干燥过滤器,并尽可能缩短进口段长度。

(4)采用内螺纹毛细管可有效抑制结垢,并强化气液两相流动换热[20]。

(5)毛细管与直管的连接应采用渐缩结构,锥角不宜超过45°,焊接点应光滑平整,无焊瘤、针孔。

(6)严禁用锉刀、砂轮等工具加工毛细管断面,应采用毛细管切割器。

1.气管的功用与分类     

气管是连接蒸发器出口与压缩机入口的铜管,起到输送蒸发蒸汽并防止液

体进入压缩机的作用。根据蒸发完成状态,气管可分为过热蒸汽管和气液两相管。

理想情况下,蒸发器出口应为过热蒸汽,过热度一般控制在5~10°C。此时,气管内主要输送过热蒸汽,夹带少量润滑油。但在实际运行中,由于蒸发器供液不均、负荷骤变等原因,部分蒸发器出现欠热甚至液体溢出,使气管内形成气液两相流动。气管设计应尽可能降低过热蒸汽的压降,以减小压缩机吸气功;同时,要有效分离夹带的液体,防止液体进入压缩机引起液击;此外,还要降低气管内油的迁移量,以免压缩机缺油。

2.气管的管径计算     

(1)过热蒸汽管

气管管径应与蒸发器的过热蒸汽体积流量相匹配。根据流体力学理论,气管内压降ΔP与过热蒸汽的密度ρv、流速uv和摩擦因子f的关系为[21]:

ΔP=8fLρvuv2/(π2d5)

同时,考虑到过热蒸汽的可压缩性,气管内流速uv不宜超过15m/s,以免产生过大的噪声和振动。

代入质量流量方程,可得气管理论管径:

d≥[4?/(πρvuv)]1/2

式中,?为蒸发器的制冷剂质量流量。

工程设计时,常引入修正系数φ,将理论管径扩大20%~50%,以降低局部阻力和噪声,即实际管径:

ds=φd=(1.2~1.5)d

此外,气管管径还应满足returnbend的最小弯曲半径要求,一般取管外径的2~3倍。

 

(2)气液两相管

当蒸发器出口夹带大量液体时,气管内会形成气液两相流动。与单相气体流动不同,气液两相流动的流型、油迁移、液击风险对管径设计影响更大。就流型而言,气液两相流动的典型流型有层状流、波状流、段塞流和环状流。为抑制液体夹带,气管内应以层状流为主。据研究,当气相体积分数βv≥0.85时,多呈现层状流[22]。因此,气管管径设计时应控制βv在0.85以上:

d≥[4βv?/(πρvuv)]1/2