空气源热泵机组分液头与毛细管设计指南

本设计指南旨在在空气源热泵机组设计过程中为热泵机组的盘管分液头的选型和毛细管长度与大小的确定提供指导性建议。

本设计指南适用于常用的制冷剂热泵系统包括R410A,R134a,R22,R407C ……。

  • 规范性引用文件

Sporland制冷剂分液头公告20-2009.2.10。

Danfoss-RD制冷剂分液头。

  • 具体要求

分液头是一种位于膨胀阀和蒸发器盘管之间的管件,其作用是使节流后的制冷剂两相流体尽可能地平均分配到蒸发器盘管的各个支路,要达到这个目的,必须满足两方面的要求,一方面,分液头必须能够在分液之前充分混合气液两相,达到高度紊流的状态,确保各支路分配到的两相液体的组分是相同或接近的;另一方面,分液头还需通过自身结构的设计和与其相连的毛细管的选择,使各支路的压降相等或基本相等。只有两个条件同时满足,盘管各支路的分液才会均匀,但是,并不能说各支路的制冷剂两相液体分配均匀了就一定会使蒸发器各支路出口的状态一样,蒸发器盘管的效率达到最大,因为,在一定程度上,盘管的效率还决定于盘管迎风面上各点的风速(即风量)是否均匀一致。尽管如此,在设计过程中,习惯的作法还是力求使蒸发器盘管的各个支路的两相制冷剂液体的分配均匀,而不太考虑迎风面上各点风量的差异。

过冷的制冷剂液体经过膨胀阀节流后,如图1所示,制冷剂将闪发产生大量的气体,这些气体在质量上占的比例很小,约10%左右,但是,这部分气体占的容积却很大,约占整个空间的70%左右,由于气相和液相的密度的差异,气体和液体的流速也不相同,这就导致了分液头前的管道横截面上各部分的组分存在严重的不平衡。为了解决这个问题,某些分液头在入口处就会采用一个孔板,其作用一方面提高两相流的速度,使两相流充分混合,另一方面,将两相流聚焦,让两相流正对着分液头里面的锥形体,使两相流均匀的分配到均布于锥体周围的通道中,然后,制冷剂通过毛细管再进入蒸发器盘管的各支路中, 毛细管的作用是为了进一步平衡各支路的流量,使两相流分配更加均匀。分液头和毛细管的结构见图2。因此,分液头的孔板的大小和毛细管的大小与直径对于分液头的液体分配是否均匀起着非常关键的作用,合适的孔板决定了不同负荷情况下,经过孔板后的状态都是极度紊流状态,毛细管的长度和直径即决定了两相制冷剂液体经过毛细管的压降。

分液头分液不均的后果是不言而喻的,不仅会引起蒸发面积得不到充分利用,而且,可能引起吸气带液和TEX严重不稳定,开启度波动失控,也因此,影响整个系统的性能。

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图1.膨胀阀节流闪发蒸气示意图       图2.分液头和毛细管的结构

节流孔板势必产生一些压力降,但是,这部分压力降对系统的性能并没有影响,主要是因为这部分压力降能在膨胀阀的压降上得到补偿,如果采用的是热力膨胀阀TEV,这样有利于TEV的功能的稳定性,因为,这样能提高TEV的膜片室温度使其总是处于一个高于感温包温度的优势,避免的了制冷剂在膜片室中的冷凝引起感温包中制冷剂的迁移,使膨胀阀的过热度控制完全失控。另外,由于膨胀阀的压降和分液头与毛细管组件的压降之和才是整个液体管路的压降,因此,膨胀阀选型和分液头与毛细管组件的选择一定要综合考虑。表1列出了常用制冷剂分液时推荐的压降。

       表1.常用制冷剂分液头推荐压降值

对于某些制冷系统,可能长时间工作在50%-100%负荷之间,如果是这样的话,在选择孔板和毛细管的时候,应该使通过孔板、分液头和毛细管的总压降在原来的选型基础上再增加10psi为宜。但是,这样作的话,设计者应该注意增加的这部分压降其实意味着TEV的压降就减小了,因此,需要确认,TEV在压降减小后,TEV是否还能提供足够的质量流量来满足设计的需要,总之,膨胀阀的选择和分液头与毛细管的选择要综合考虑,它们具有比较强的相关性。

  • Sporland的分液管和分液头选型

要想达到理想的分液效果,合理选择分液管和分液头的节流孔板相当重要,对于Sporland的配件,你可以用Sporland提供的选型软件进行选型,也可以采用这里提到的方法进行操作。在下一节,我们还要谈到Danfoss的分液头孔板和分液管的选型,如果是一些中、小型供应商,可能不能提供相应的选型软件甚至正规的选型作法,那么,无论是Sporland还是Danfoss的选型结果都可以作为你的选型参考。

如:R410A工质的回路,40°F的蒸发温度,90°F的液体温度,8个盘管支路,24英寸的分液管长度,总制冷量10冷吨。

一、选择合理的分液管

通过蒸发器盘管的设计可以知道整个蒸发器的支路数量为8,用蒸发器的负荷10RT(冷吨)去除以总的支路数量8,即可得到每个支路的负荷值为:

10/8=1.25RT

由第一步算得的蒸发器单个支路的负荷值,根据制冷剂的种类R410A可以确定分液管的直径,如果算得的负荷值位于两者之间,取最近的那个值。表2中外径1/4in的分液管的标定值为1.21RT。

分液管OD(inch)制冷剂种类
R22R134aR410A
蒸发温度 (°F)
40200-20-4040200-2040200-20-40
3/160.40.30.230.180.140.30.210.160.120.420.310.230.180.14
1/41.150.860.660.510.400.850.620.470.361.210.90.680.520.4
5/162.331.751.341.040.821.731.260.950.732.461.831.391.060.81
3/84.213.162.411.871.483.122.271.71.314.443.322.511.911.47

表2.不同制冷剂在不同分液管下的标定制冷量(RT)

以上的冷量都是基于30inch管长,如果管长发生变化,要用表3来获取纠正因子进行纠正。

管长(inch)1218243036424854606672
纠正因子1.361.161.0710.950.90.860.820.790.760.73

表3.管长变化对应的纠正因子

如果液体温度不是100°F,还要用表4的纠正因子进行纠正。

液体温度5060708090100110120
纠正因子2.11.831.591.371.171.000.850.72

表4.制冷剂液体温度变化纠正因子

计算分液管标定负荷值,由已知条件可知,分液管长为24in,由表3可以查到纠正因子为1.07,又知液体温度为90°F,由表4可以查到纠正因子为1.17,用分液管管长纠正因子和液体温度纠正因子进行纠正。

1.21×1.07×1.17=1.51RT

实际值占标定值的百分比,这个百分比值必须在50%-200%之间。

实际值占标定值的百分比为:

1.25/1.51=0.83=83%

实际冷负荷占标定负荷值的83%,是介于80%和90%之间,从表5中可以查到通过分液管的压降在7psi-9psi之间,应该为8psi。

二、选择合适的分液头型号

根据分液管的数量,膨胀阀出口的接口尺寸和以上确定的分液管的大小尺寸,在Sporland的样本中选择所需要的分液头型号。如表6是可拆卸的喷嘴孔板,表7是不可拆卸的喷嘴孔板。

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表6.Sporland带可拆卸的喷嘴孔板的分液头

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表7.Sporland带不可拆卸的喷嘴孔板的分液头

三、选择合适的孔板

根据在一定蒸发温度下系统总的制冷量,在表8找到冷量差不多的一个值,在表8的最左边确定节流孔板的编号,如对于一个在蒸发温度40°F时有10RT的采用R410A制冷剂的系统,可以找到#5(7.25RT)和#6 (8.69RT)比较合适。

喷嘴孔板编号制冷剂
R22R410AR134a
蒸发温度 (°F)
40200-20-4040200-20-4040200-20
1/90.140.110.090.070.060.160.130.100.080.070.080.060.050.04
1/60.210.160.130.110.090.250.200.160.130.110.120.090.070.06
1/40.340.260.210.180.150.40.310.250.210.170.200.150.120.10
1/30.440.340.280.230.200.530.410.330.270.230.260.200.150.13
1/20.610.480.380.320.270.730.570.460.370.310.360.270.210.17
3/40.920.720.580.480.411.100.860.690.570.470.540.410.320.26
11.230.960.780.640.551.471.150.920.760.640.720.540.430.35
1-1/21.791.41.130.940.802.141.671.341.100.921.050.790.620.51
22.461.921.551.291.102.932.31.841.511.271.441.090.860.70
2-1/23.062.391.931.601.373.662.862.31.881.581.791.351.070.88
33.682.872.321.921.654.393.442.762.261.92.151.631.281.05
44.923.843.102.582.205.884.63.693.022.542.882.181.721.41
56.074.743.823.182.727.255.674.553.733.133.552.682.121.73
67.285.684.583.813.268.696.85.454.473.764.263.222.542.08
88.776.845.524.593.9210.58.196.575.394.535.133.883.062.51
109.837.676.195.144.4011.79.187.366.045.075.754.353.432.81
1212.19.477.646.355.4314.511.39.097.466.267.105.364.233.47
151511.79.487.886.731814.111.39.257.778.816.655.254.3
1716.813.110.68.817.5320.115.712.610.38.699.857.445.874.81
2020.315.812.810.69.0824.21915.212.510.511.98.967.075.80
2525.519.916.113.411.430.523.819.115.713.214.911.38.97.29
3029.122.718.415.31334.827.221.817.91517.112.910.28.33
3535.127.422.118.415.741.932.826.321.518.120.515.512.210
4039.330.724.820.617.64736.729.524.220.32317.413.711.2
505139.832.126.722.860.947.738.231.326.329.922.517.814.6

表8.各型喷嘴孔板在不同蒸发温度下的冷量(RT)

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表9.不同冷量百分比(实际冷量/标定冷量)不同制冷剂通过喷嘴的压降

根据液体温度90F,从表中查到纠正因子为1.17.根据制冷剂温度纠正后的喷嘴的标定冷量为:

7.25×1.17=8.48kW

    实际值占标定值的百分比为:

10/8.48=1.18=118%

根据表9,在R410A的这列中,根据实际值占标定值的百分比118%,可知通过喷嘴的压降应该在40psi-44psi之间并接近44psi,约为43psi。

    则分液头总的压降为43+8=51psi,大于45psi,选择#5节流孔板是可行的。

    在给Sporland下采购订单的时候,要按以下的格式下订单。

    数量-型号-支路数-分液管大小-喷嘴孔板编号

Sporland现有的分液头的种类有三种,喇叭形接口、钎焊接口和法兰接口,如表10-表13所示。我们已经知道了支路数为8,分液管的外径为1/4英寸,节流孔板是编号是#5,数量比如6个。再根据膨胀阀的选型,可以确定膨胀阀出口的接口形式和尺寸,比如钎焊接口,7/8”的管口尺寸,根据这些信息可以在表11中找到分液头型号是TYPE 1113。

如此订单的所报的型号应该是:

6-1113-8-1/4”-5.

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表10.喇叭口连接分液头型号

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表11.钎焊连接口分液头型号(一)

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表12. 钎焊连接口分液头型号(二)

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表13.法兰连接口分液头型号

  • 丹佛斯制冷剂分液头的选型

一、要作制冷剂分液头的选型,必须知道以下参数

1.制冷剂的种类

2.蒸发器的能力

3.蒸发温度

4.液体温度

5.蒸发器的支路数

6.蒸发器回路的进口尺寸

7.分液头分液管的长度

8.膨胀阀型号

二、需要确定的参数:

1. 分液头分液管的大小确定

单个分液管的能力是总的蒸发器的能力和总的蒸发器的并行的支路数的商。这样,分液管的大小就可以查询表14得到。分液管的大小确定应该基于蒸发器的平均制冷量。如果支路的制冷量是在下表中给出的制冷量的40%到125%之间就可以预期得到足够平均的液体分配。

在这里简单的举个例子,假设制冷剂为R22, 蒸发器的能力为20kW,蒸发温度-15°C,液体温度20°C,蒸发器的支路数量是10个,蒸发进液管的大小6mm,分液管的长度850mm,膨胀阀采用16mmODF钎焊出口连接。

由以上条件可以知道,单个分配管的能力为 20/10=2kw,对于R22制冷剂来说,在蒸发温度为-15°C的情况下,由下表可知,6mm大小的分液管,在管长为1m的情况下的能力为2.4kW,从表15和表16可以查到修正系数分别是1.05和1.24,修正后的能力就是

2.4*1.05*1.24=3.12kw

实际能力占标定值的百分比为

100%*2/3.12=64.1%

这是在40%~125%之间的。

蒸发温度分液管外径
Te3/16英寸 (5mm)1/4英寸 (6mm)5/16英寸 (8mm)3/8英寸 (10mm)
(°C)R22R134aR410AR22R134aR410AR22R134aR410AR22R134aR410A
 R407C  R407C  R407C  R407C  
102.42.12.65.14.25.69.7810.715.813.117.4
52.21.82.44.53.758.579.41411.615.4
01.91.62.143.34.47.46.18.112.310.113.5
-51.61.31.83.42.83.76.45.3710.68.711.7
-101.41.21.52.92.43.25.54.56.19.17.410
-151.20.991.32.422.64.73.85.27.76.38.5
-200.990.871.12.11.72.343.34.46.55.47.2
-250.870.70.961.71.51.93.32.73.65.64.56.2
-300.70.580.771.51.21.72.82.33.14.73.85.2
-350.580.470.641.20.991.32.31.92.53.93.14.3

表14.不同分液管大小在不同蒸发温度下的制冷量(kW)

管长(mm)250400550700850100011501300145016001750
修正系数1.551.291.191.111.0510.950.90.870.840.78

表15.不同管长修正系数

液体温度 (°C)10152025283035404550
修正系数1.591.41.241.0910.950.820.710.610.52

表16.不同液体温度下的修正系数

膨胀阀的出口尺寸16mm, 可知分液头的入口尺寸也就是16mm,从表13可知,这样的分液头如果分支数要达到10个,只有RD42,RD49。

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        表17.由冷量、入口尺寸、分液管数量和大小选择分液头型号

由于表17中的膨胀阀的冷量是根据R407C的结果,需要根据系统所用制冷剂的种类,通过表18中右侧的表中可以查到制冷剂R22的修正系数是0.92。在表13中,RD42对应的冷量为35kW,RD49对应的冷量为85kW。

RD42修正后的冷量为: 35*0.92=32.2kW

RD49修正后的冷量为: 85*0.92=78.2kW

分液头RD42和RD49都可以选用,但是,RD42更加接近蒸发器的制冷量20kW,选择RD42。

从表18中的左侧的表格可以知道,RD42采用的喷嘴内径是6mm。

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表18.喷嘴孔板的直径和分液头型号以及各种制冷剂的修正系数

最后,从表19可以知道,需要选择的是RD42-B06-B10,‘RD42’表示分液头型号,‘B’表示分液头的入口尺寸为16mm,06表示喷嘴孔板的内径为6mm,第二个‘B’表示分液头的出口管径为6mm钎焊,‘10’表示共有10个回路分支,即有10根分液管。

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表19. 提供给供应商的分液头组件型号确定

  • 分液头的安装

分液头的内部结构一般有两种形式,一种是以文丘里形式缩径达到喷嘴孔板的目的,但压力降会小些,还有一种就是采用前面介绍的喷嘴孔板。喷嘴或文丘里结构后有一个锥体,是用来改善分液头分液的,这个锥体有通过机械加工,直接与分液头作成一体,这种结构在钎焊分液管和入口管的时候不会对锥体构成影响,但是,还有一种结构,锥体与分液头本体是通过紧配合配合在一起的,在钎焊分液管和入口管的时候,可能会因为过热,使锥体脱落下来,因此,在钎焊的时候,应该顶住锥体防止锥体在受热的时候脱落,在完全冷却后再拆走定杆。

在系统中分液头应尽量垂直安装,并尽可能的下进上出,如果空间不容许,也可以考虑上进下出,但是,一定不能将分液头倾斜或水平安装。

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2021-4-20 22:18:58

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2021-4-25 17:32:57

10 条回复 A文章作者 M管理员
  1. admin

    空气源热泵机组分液头与毛细管设计指南

  2. Zhe

    👍

  3. 牧涵子

    灰常好!!

  4. 髙山流水

    帖子写的挺好

  5. today

    👍

  6. today

    这么长,看看

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