制冷劑充注量與毛細管最佳匹配分析

摘要:在結合壓縮機、冷凝器、毛細管、蒸發器的基礎上，對制冷劑充注量和毛細管對空調系統能力、輸入功率、能效比等參數的影響進行了仿真分析，將結果繪制出了圖表，并與實際試驗的數據進行比對，不斷修正，逐漸應用的開發領域。

關鍵詞:空調器 毛細管 制冷劑

0 引言

在采用毛細管節流的空調系統中，標準工況下的制冷劑充注量和毛細管長度對空調器的運行性能有著重要的影響。常用的節流裝置有三種類型:電子膨脹閥(EEV)，熱力膨脹閥，毛細管。電子膨脹閥(EEV)和熱力膨脹閥雖然是不錯的選擇，但由于價格較高，長期使用的可靠性的影響及相應控制復雜，其應用受到了局限。由于毛細管的結構簡單，價格低廉，性能可靠，被廣泛應用于小型簡單的空調系統中。因此優化毛細管的長度和充注量在實際使用中意義很大。它可以有效提高系統運行的效率，獲得較高的EER。但現有的開發方式多數都是通過對制冷系統反復測試的基礎上得出的，這種實驗存在很大的偶然性，并且開發周期很長。通過系統的仿真分析，可在提高系統性能及效率(EER)的基礎上盡量減少冷媒的充注量及毛細的長度，而且可以有效縮短開發的周期。

1 毛細管系統的運行特點

為了達成目標制冷能力， 選定設計壓縮機和蒸發器，冷凝器后，還要選定用現有部品發揮系統最大能力的膨脹機構。使用傳熱膨脹式或電子式膨脹閥時，不需要特別選定。相反系統中要使用毛細管，就需要選定能夠流通通過前面說明的設計標準化方式試驗求得的合適冷媒流量的部品。圖1表示壓縮機和毛細管的冷媒流量的相關關系，如果在A點，壓縮機和毛細管形成平衡狀態，蒸發器負荷的增加會使蒸發壓力上升以及壓縮機的排氣流量比通過毛細管的流量還要多，導致蒸發器內部的冷媒量不足。在壓縮機階段增加的流量不能全部通過毛細管，所以液冷媒繼續留在冷凝器內部使冷凝空間減少。冷凝空間的減少會使冷凝傳熱面積減少，冷凝器的ΔT(冷媒和空氣的溫差)增加，導致冷凝壓力上升。冷凝壓力的上升會增加毛細管的通過量，減少壓縮機的排氣流量，接著制冷系統在B點形成新的平衡。相反，減少蒸發器的負荷使蒸發壓力減少到C狀態，通過毛細管的流量比壓縮機吸入流量大，蒸發器內部溢滿液體，易發生壓縮機吸入液態冷媒的液擊現象而損壞壓縮機。為防止液擊，使用在C點附近形成封閉流動的“乙”毛細管時，即使是蒸發壓力減小，因封閉流動也不會增加毛細管通過量，繼而可防止液擊現象。因為壓縮機的排氣流量減少時冷凝器的冷凝壓力減小，毛細管入口的液冷媒不足，過冷度會減小，毛細管的通過量隨之減少，然后在D點形成制冷系統的平衡。為防止這些現象，選定毛細管時，應該在即使是蒸發壓力減少，封閉流動也可能的范圍內選定，而且要嚴格限制冷媒注入量。

2 毛細管流量的理論計算

毛細管是在冷凝器和蒸發器之間，降低從冷凝器流入的液冷媒壓力而使之變成低壓冷媒的，具有一定截面積的減壓裝置，又是內徑0.65mm～2.5mm，長度約1～5m的銅管。從冷凍裝置啟動后到正常運轉，毛細管維持高壓部分和低壓部分的壓差，具有調整系統流量的功能，形狀簡單，可靠性強和價格低等特點廣泛使用于封閉冷凍系統內。毛細管不需要水液器，因而冷媒的充入量小，且運轉停止后可使高壓和低壓的壓力平衡，再啟動時負荷也小。

考慮到制冷劑在毛細管中的流動存在單相液體和氣液兩相流動，本文對單相和兩相分別加以探討。

在計算前進行如下假設:

①流動是一元且狀態穩定。②與外部沒有熱交換的絕熱過程。③單相流，兩相流中毛細管內的粗糙度一定。

2.1 流動解析方程式

連續 方程式:d(ρV)=0(1)

運動量方程式:dP/V+VdV/g+τSdL=0(2)

能量 方程式:H+=HP(3)

ρ:密度(Kg/m2)

V:速度(m/s)

G:冷媒循環流量(Kg/h)

A:管的截面積(m2)

S:管的周長(m)

τ:磨擦切應力(Kgf/cm)

Ho:焓(Kcal/Kg)

有一定的管截面積，并符合上面解析方程式的毛細管中的絕熱流動叫Fanno流動。

對Fanno Line的計算結果如4。毛細管壓力降是磨擦引起的非可逆的壓降，因毛細管內的熵一直增加，但這樣的現象只可能在Tube出口出現。

2.2 壓降

2.2.1 液體區域(單相流域)里的壓力下降

(4)

ρ:液的密度(Kg/m2)

f=0.33/Re 0.25:磨擦系數

ΔL:磨擦區間(m)

d:內徑(m)

V:速度(m/s)

在液體區域ΔL每次增加1cm后計算溫度下降和壓降，直到毛細管入口壓力達到飽和壓力為止。計算得出的毛細管長度相當于單相液態區域。

2.2.2 兩相區域內壓力降 在兩相區域內冷媒蒸發，溫度、壓力下降，干度增加。要知冷媒狀態的變化就要計算干度。

這里

g:重力 加速度

G:冷媒流量

F:管截面積

A:功的熱當量

V:比容

氣體，液體狀態以g，f表示時

V=(1-x)Vf +x#8226;Vg(6)

H=(1-x)Hf +x#8226;Hg(7)

(6)，(7)式 代入(5)式

() 2 (Vg-Vf ) 2x2+[(Hg-Hf )+() 2Vf (Vg-Vf ) ]x+Hf +() 2Vf2-H0=0 (8)

(9)

這里

在兩相區使用磨擦計數f=(1-x)ff+xfg，采用計算溫度T每次減少1℃時的干度

增加和壓力降后求出壓力降相應的區間長度ΔL的方法，計算一直到熵變化ds=0為止。展開公式時，微小長度dL對磨擦熱δq的熵增加ds是

(10)

(11)

(12)

按長度積分

(13)

這里ds=0點的溫度類似于氣體膨脹流動中的兩相區域能達到的最低溫度，此時的飽和壓力就是最佳壓力，這時的流量就是毛細管通過流量。(封閉流動)

3 程序設計及結果驗證分析

選用制冷劑R22為基礎來進行模擬計算，分別將壓縮機，冷凝器，蒸發器和節流毛細管的參數編入模擬計算表內進行計算。(選用KFR-35W/C1的空調作為研究對象)

經過分析計算結果后，發現隨著R22冷媒量逐漸加大，系統內毛細管的質量流量成上升的趨勢，制冷量會逐漸增大，當制冷量達到峰值后，毛細管內的質量流量變化將減小，制冷量也逐漸減小。這是由于蒸發溫度對系統質量流量的影響遠大于冷凝溫度的影響，隨著系統質量流量的增大，蒸發器的有效換熱面積增大，蒸發壓力上升，單位質量制冷量增加，從而使系統的制冷量增大;但當充注量達到一定程度時，蒸發溫度的上升會使傳熱溫差減少，制冷量反而會下降。壓縮機的功率與制冷劑的質量流量成正比隨著壓力的增加功率將增大。由于在冷媒量達到最佳點前，制冷能力的增加速度遠遠高于輸入功率增長的速度，因此EER會呈現緩慢上升的趨勢;但當到達制冷能力最佳點后，制冷能力有所減少，而功率仍然增加，因此出現了EER降低的現象。

4 結論

通過仿真計算對制冷劑充注量和毛細管的長度對空調系統性能的影響進行分析，并從制冷系統不同參數中選取了制冷量和EER作為優化的目標，對制冷劑充注量和毛細管長度進行了優化匹配，得出了在設計工況下制冷劑充注量和毛細管長度的優化區間和EER最大及制冷量最大時的毛細管長度和制冷劑充注量。

使用程序進行的仿真計算與實際的驗證雖然存在一定的差異，但總體的趨勢和數值的差異上還是比較接近的。可以有效地減少試驗的次數及周期，很好的達到輔助試驗的目的。