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如何选择最佳管道尺寸?

时间:2023-06-15 理论教育 版权反馈
【摘要】:计算管道中制冷剂的压力降,仅是选择管道尺寸过程的一个步骤,最终确定管径需要综合考虑各种因素。氟利昂制冷系统给出的是以直接膨胀供液为主的管道尺寸。压力下降引起的饱和温度总的下降量通常选择0.5~2℃。一些设计师选择管道的尺寸,首先考虑管道只是携带气体,然后考虑给液体流动适当增大管径。为了合理地选择管道尺寸,蒸发器所需热气的流量函数应该是已知的。这两种选择的供液管道的截面面积相差一倍多。

如何选择最佳管道尺寸?

计算管道中制冷剂的压力降,仅是选择管道尺寸过程的一个步骤,最终确定管径需要综合考虑各种因素。确定制冷剂管路中的压力降是至关重要的,需要确定可以接受的压力降(或饱和温度下降)。在允许的压力降范围内,选择较小的管径可以节约工程成本。我国的设计手册中,规定了氨制冷剂在吸气管、回气管和排气管各种工作温度下允许的压力降[5],以及允许的流速。氟利昂制冷系统给出的是以直接膨胀供液为主的管道尺寸。至于满液式供液的一些特殊要求,这方面的数据还欠缺。

参考文献[1]提出了以饱和温度下降作为选择管道的准则,下面是不同管段的考虑:

1)到压缩机回气管。压力下降引起的饱和温度总的下降量通常选择0.5~2℃。垂直立管在氟利昂直接膨胀和在氨液的过量供液的应用除外。氟利昂直接膨胀系统的制冷剂气体的速度必须足够高,以便把油带回到压缩机。氨液过量供液的盘管在立管中的气体速度必须足够高,使液体不能在提升立管中停留。

2)从压缩机到冷凝器的排气管。饱和温度总的下降量通常是1~3℃。在给定的饱和温度下降范围,压缩机功率在排气管比下降相同温度的回气管的损失略少。

3)高压液体管。高压液体在管道中产生的部分压力降不会对系统性能产生影响,但更大压力降会发生在膨胀装置或液位控制阀中。对于双级压缩系统膨胀装置,最终把压力降到中间压力;对于单级压缩系统,把压力降到所需要的低压。但高压液体在高压管道中产生的压力降不能太大,应确保压力不低于当时制冷剂温度对应的饱和压力。如果压力低于饱和压力,液体会瞬间变成气体,加剧压力梯度,并可能明显影响通过膨胀装置的流量。制冷剂高压液体管道的速度选择范围为1~2.5m/s。而现在的制冷系统选型软件在这部分管道的速度为1m/s。

4)从蒸发器到低压分离容器的气/液回气管。在这段管中是气液混合物的流动,气液混合物流动的压力降计算,是比较复杂的。为了避免烦琐的计算,仍需为液体的存在做一些考虑。一些设计师选择管道的尺寸,首先考虑管道只是携带气体,然后考虑给液体流动适当增大管径。

5)热气除霜管。为了合理地选择管道尺寸,蒸发器所需热气的流量函数应该是已知的。粗略估计热气流量是在制冷过程中使用的制冷剂流量的两倍。参考文献[6]提出以速度为15m/s的21℃氨热气支管作为基础。在蒸发器群组中同一时间为单个蒸发器除霜,这个速度适合。假设没有超过一半的蒸发器在除霜,连接的热气总管道应该能够携带总量50%的热气。

目前使用的管道阀门的选型软件中,选择管径和阀门时有两种方式:

1)按压力降允许的范围选择管径(在选择压力降时,出现速度的默认值是表7-4在对应管道的流速值)。

2)按速度要求选择管径(在选择速度时,出现压力降的默认值是0.5bar)。

由于现在的大部分工业制冷系统使用的是一次节流的泵循环系统,因此在管径选择方面一般都采用后一种方式(即根据速度选择)。对于有压力降要求的二次节流供液或者是重力供液系统(特别是气液分离器至蒸发器的供液管道),许多情况下是根据前一种选择方式进行选择,即按压力降允许的范围选择。

根据速度选择管径,对于许多国内的设计人员并不是一件困难的事情。而这种选型适用于制冷系统规模不是特别大、管道回路特别长的情况。目前我国的冷链物流冷库系统大部分都可以按这种方式进行计算。在这种选型软件中[4],根据不同的制冷剂以及制冷工况,在规定的管道系统中,一般有允许的供液、排气及回气速度。如果计算的速度小于或者等于甚至稍微超过允许规定速度,所选择的管径和阀门都是可以使用的。总体的选型数据见表7-6。(www.xing528.com)

表7-6 在压力降允许的范围内各种管道的流速

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注:湿式回气:是指蒸发器至低压循环桶(或者气液分离器)这一段的回气管;干式回气:对于直接膨胀系统是指蒸发器至压缩机管段,对于泵供液和重力供液是指分离容器至压缩机管段;排气:是指压缩机至冷凝器管段;供液:对于直接膨胀系统是指冷凝器至蒸发器管段,而对于泵供液和重力供液是指冷凝器至分离容器管段。

按压力降允许的范围选择管径和阀门,目前国内现有的制冷系统不多。原因是目前的制冷系统大部分采用一次节流供液,对于允许的压力降要求不高。但是对于二次节流系统的阀门及管道,或者是重力供液中(特别是氨制冷剂)气液分离器至蒸发器的供液管,这种重力供液由于要考虑液柱高度会使蒸发温度升高,因此选用的阀门及管道的压降越小越好。如果这时根据速度来选择阀门和管道,或者根据压力降允许的范围选择,其结果差别可能比较大。这是应该注意的。

【例7-3】 在一个氨制冷重力供液系统,一台蒸发温度为-30℃、制冷量为200kW的冷风机,采用二次节流供液,供液温度为3℃。用选型软件[4]选择从气液分离器至冷风机这一段供液管及其阀门的尺寸:①用速度选择;②用允许的压力降选择(要求压力降不超过0.002bar)。

解:把相关参数输入到选型软件中,在运行循环中选择重力供液,并且单击气液分离器与蒸发器连接的管段。如果不进行专门的限制,选型软件会自动按速度选择阀门和管道,选择的结果如图7-2所示。用速度选择,结果是SVA20能满足要求,但压力降是0.0089bar。用允许的压力降选择,首先在压力降的一栏中输入0.002bar,然后单击气液分离器与蒸发器连接的管段。这时在SVA32一栏出现绿色带,表示这是可以供选择的参数。单击SVA32一栏,出现图7-3的界面,结果是SVA32能满足要求。这时的压力降是0.001bar。

这两种选择的供液管道的截面面积相差一倍多。由于氨的重力供液对于压力降的要求比较高,这种选择是合理的。另外,在二次节流供液系统中,由于二次节流后的供液压力降低了,从理论上说二次节流后的压力越接近压缩机的补气压力,越节能(在第2章中讨论过这个问题)。但有时候为了满足供液压力,又不能不做出适当的妥协,适当地调高二次节流压力。笔者在北京的一个项目设计中采用过这种技术,因此根据压力降选择阀门和管道,是学习二次节流技术的一种技巧。

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图7-2 选型软件按速度选型的结果(截图)

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图7-3 选型软件按压力降要求选型的结果(截图)

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