氟利昂系統(tǒng)制冷管道的計(jì)算與選取

楊兆丹，胡建雄，張沁菲

（天津市工蜂制冷技術(shù)有限公司，天津300350）

0 引言

制冷裝置管道是把制冷壓縮機(jī)及制冷設(shè)備和配件用管道合理的連接起來組成制冷系統(tǒng)，而管路的設(shè)計(jì)是否合理對制冷系統(tǒng)的運(yùn)行以及性能有著重要的影響，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，將會(huì)給系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來很多困難［1］。其中，管徑的大小是管路設(shè)計(jì)中的重要部分之一，是流速的決定性因素之一，并且流速和管徑是管道內(nèi)部壓力降的重要影響因素，從而影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)制冷劑流速較小時(shí)，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)回油不足等問題；當(dāng)流速較大時(shí)，管道內(nèi)流體的壓力降升高，當(dāng)冷凝溫度不變時(shí)，蒸發(fā)溫度降低，單位質(zhì)量制冷劑的制冷量減小，壓縮機(jī)的耗電量增加，導(dǎo)致系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性降低［1］。

據(jù)以上所述可知，如何選取合適的管道，是系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性的重要因素之一。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，管道的計(jì)算和選取也越來越受到人們的重視，現(xiàn)階段也出現(xiàn)了各種管道計(jì)算和選型的軟件以及書面資料，其中軟件使用較多的有丹佛斯軟件等，管徑選取圖表如 《冷庫制冷設(shè)計(jì)手冊》等。但是這些資料中并未提出氟利昂管道壓力損失的具體計(jì)算方法，且查詢相對復(fù)雜，而軟件則需要使用電腦，這兩種方法對理論基礎(chǔ)知識相對匱乏的人員來說，使用時(shí)會(huì)有一些困難，且不方便攜帶。

對于現(xiàn)有的論文來說，主要偏向于設(shè)備改進(jìn)、系統(tǒng)優(yōu)化、理論計(jì)算等，如，胡漢章在2002年分析了制冷管道氣焊質(zhì)量對制冷效果的影響［2］；杜義朋等人采用迭代法計(jì)算并分析了制冷管道保冷層的經(jīng)濟(jì)厚度等［3］.對于具體針對工程應(yīng)用方面的某種制冷劑管道管徑的選取方面則較少。因此對于匯總氟利昂系統(tǒng)中不同管道的建議流速，計(jì)算不同制冷流量下的管道流速及壓力降，和繪制制冷量和管徑選取圖表對工程應(yīng)用來說有著相對重要的應(yīng)用意義。

1 管道流速和壓力降的計(jì)算方法

1.1 管道流速計(jì)算

管道內(nèi)制冷劑的流速計(jì)算如公式 （1）所示。

式中：

˙m—管道內(nèi)制冷劑制冷流量，kg／h；

dn—管道內(nèi)徑，mm；

ρ—該管道內(nèi)制冷劑密度，kg／m3。

1.2 管道內(nèi)單相流壓力降計(jì)算方法

管道內(nèi)部壓力損失為沿程阻力ΔPf、局部阻力ΔPj和靜壓差 ΔPg之和，即：ΔP＝ΔPf＋ΔPj＋ΔPg。

沿程阻力ΔPf、局部阻力ΔPj如公式 （2）和（3）所示［4］：

式中：

λ—摩擦阻力系數(shù)；

L—直管段長度，m；

v—流體流速，m／s；

ζ—局部阻力系數(shù)。

式中：

Ld—閥門、彎頭和三通的局部阻力當(dāng)量長度，m；

i—閥門、彎頭或三通。

靜壓差如公式 （5）所示：

查資料可知［5］，對于 Re≈2×104至 2×106較高雷諾數(shù)范圍內(nèi)，可使用Hermann提出的如下公式：

式中：K—管道粗糙度，本文中無縫鋼管，取0.05。

3 計(jì)算中采用的管道流速、標(biāo)準(zhǔn)及管道允許的最大壓力降

3.1 管道允許的最大壓力降

由資料可知各部分制冷管道最大允許壓力降如表1所示，其中制冷劑采用R22，蒸發(fā)溫度為-25℃，冷凝溫度為40℃，回氣過熱度為10℃，排氣溫度為80℃，過冷度為3℃。

3.2 管道流速參考范圍

不同位置的管道依據(jù) 《制冷裝置設(shè)計(jì)手冊》、《冷庫制冷設(shè)計(jì)手冊》、《傳熱手冊》，選取出管道內(nèi)部的適用流速范圍，為了增加管道管徑選取的實(shí)際應(yīng)用性，本文對資料中的參考流速進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男薷模评渑蛎涢y供液系統(tǒng)管道流速設(shè)計(jì)參考值如表2所示。

表 1 各部分管道允許壓力降［1，6］

表2 氟制冷膨脹閥供液系統(tǒng)管道流速設(shè)計(jì)參考值［1，5，6］

3.3 管道標(biāo)準(zhǔn)

參考 《冷庫制冷設(shè)計(jì)手冊》［6］，本文中內(nèi)徑小于Φ25mm的采用純銅管，內(nèi)徑大于等于Φ25mm的采用無縫鋼管。管道規(guī)格尺寸如表3和表4所示。

表3 TP2銅管路連接管尺寸標(biāo)準(zhǔn)

表4 無縫鋼管、90°彎頭、180°彎頭規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)

公稱通徑 管外徑（mm）參考壁厚（mm）90°彎頭 （長半徑）中心至端面尺寸（mm）180°彎頭 （長半徑）中心至中心尺寸（mm）DN200 Φ219 6 305 610 DN250 Φ273 6 381 762 DN300 Φ325 8 457 914

4 結(jié)果與分析

本文中采用excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并用origin軟件對結(jié)果進(jìn)行繪制，且圖中以max代表最大管內(nèi)徑，min代表最小管內(nèi)徑。

4.1 回氣管

圖1表示的是回氣管最大、最小管內(nèi)徑隨制冷量的變化。由圖可知，管道內(nèi)徑隨制冷量的增大而增大，且同一制冷量下，水平回氣管管徑大于垂直回氣管管徑。表5和表6表示的是管道的長度限制。工程應(yīng)用中，在相應(yīng)高度下，垂直表中的長度加上實(shí)際管道水平長度，以及彎頭和閥門等對應(yīng)的局部阻力當(dāng)量長度，作為管道查詢的總長度，此值不得大于表6中對應(yīng)的允許總長度。

圖1 回氣管管徑范圍與制冷量的關(guān)系

表5 垂直回氣管管道限制范圍

管道上升高度 制冷量 等同于相同制冷量下水平回氣管長度8kW＜制冷量≤26kW 垂直回氣管壓力降超要求 （不予計(jì)算）≤20m 26kW＜制冷量≤45kW 180m 45kW＜制冷量≤170kW 210m 170kW＜制冷量≤270kW 300m 270kW＜制冷量≤440kW 270m

表6 水平回氣管管道限制范圍

4.2 排氣管及高壓供液管

圖2表示的是排氣管和高壓供液管最大、最小管內(nèi)徑隨制冷量的變化。由圖可知，同一制冷量下排氣管管徑大于高壓供液管管徑。

表7表示的是排氣管和高壓供液管在不同高度下管道長度的限制條件。排氣管和高壓供液管總長度的計(jì)算方法與4.1小節(jié)中相似。

圖2 排氣管和高壓供液管管徑范圍與制冷量的關(guān)系

4.3 泄液管

圖3 表示的是泄液管最大、最小管內(nèi)徑隨制冷量的變化。表8表示的是泄液管在不同的落液高度差的條件下，其最大管道長度的值。若該表某制冷量沒有對應(yīng)的管徑，則需要重新計(jì)算該點(diǎn)的流速和壓力降，綜合考慮選取最佳管徑。泄液管總長度的計(jì)算方法與4.1小節(jié)中一致。

表7 排氣管和高壓供液管管道限制范圍

表8 泄液管管道限制范圍

管道最低下降高度 制冷量 允許總長度8kW＜制冷量≤20kW ≤3m 50m 20kW＜制冷量≤120kW ≤90m 120kW＜制冷量≤340W ≤150m 340kW＜制冷量≤1200kW ≤345m 1200kW＜制冷量≤7000kW ≤600m 8kW＜制冷量≤20kW ≤5m 95m 20kW＜制冷量≤120kW ≤160m 120kW＜制冷量≤340W ≤250m 340kW＜制冷量≤1200kW ≤575m 1200kW＜制冷量≤7000kW ≤1000m

圖3 泄液管管徑范圍與制冷量的關(guān)系

5 結(jié)果可靠性分析

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性，選取丹佛斯軟件進(jìn)行驗(yàn)算。為了簡化計(jì)算過程和結(jié)果，計(jì)算中的管道全部為直管段，總長為50m，且管道為水平管。對比結(jié)果如表9所示。

由表9可知，管道采用無縫鋼管時(shí)，管道壓力降計(jì)算結(jié)果與丹佛斯查詢結(jié)果的誤差在5.1%以內(nèi)，所以結(jié)果具有相對的可靠性；管道采用銅管時(shí)的壓力降計(jì)算值，與丹佛斯軟件查詢結(jié)果的誤差相對無縫鋼管的誤差大，因此在計(jì)算管長的結(jié)果中進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

表9 計(jì)算結(jié)果與丹佛斯軟件計(jì)算結(jié)果的對比

管道 制冷量（kW）制冷流量（kg／m3）管內(nèi)徑（mm）流速（m／s）丹佛斯軟件查詢壓力降 （bar）本計(jì)算所得壓力降 （bar）誤差（%）排氣管15 348.5 14.1 11.87 2.01 1.680 16.42 100 2323.0 37.2 11.37 0.975 0.955 2.05 300 6970.0 70.3 9.55 0.306 0.306 0.00高壓供液管15 348.5 11.1 0.88 0.395 0.382 3.29 100 2323.0 28.5 0.89 0.182 0.180 1.10 300 6970.0 43.1 1.17 0.185 0.184 0.54

6 結(jié)論

（1）本文綜合考慮了經(jīng)濟(jì)性、壓力降和回油三個(gè)方面，選取適合的管道流速，計(jì)算了R22在蒸發(fā)溫度為-25℃，冷凝溫度為40℃，過熱度為10℃，過冷度為3℃，排氣溫度為80℃時(shí)，各部分管徑的大小，并通過計(jì)算壓力降，給出了各條件下的管道適用條件。

（2）通過丹佛斯軟件進(jìn)行了對比分析。對比結(jié)果表明，鋼管誤差在6.1%以內(nèi)；銅管誤差雖然相對較大，且計(jì)算結(jié)果小于丹佛斯軟件的查詢結(jié)果，故對管道限制長度部分進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，因此管道管徑查詢圖具有可靠性。