毛细管是应用广泛的节流装置,在家用冰箱、冷柜、空调器等小型制冷设备中被普遍采用。与热力膨胀阀等其他节流装置相比,毛细管结构简单、成本低、无活动部件、使用维护方便,但对设计和配管要求较高[1]。毛细管的管径和长度是决定其节流性能的关键几何参数,直接影响着制冷系统的节流过程、蒸发温度、制冷量等性能指标。设计合理的毛细管参数可提高系统效率,优化能耗,对节能降耗具有重要意义。毛细管工作原理毛细管在制冷系统中并联于蒸发器,其作用是将冷凝器出口的高压高温液态(或亚临界态)制冷剂节流为蒸发器所需的低压低温制冷剂,同时与蒸发器形成并联回路,使系统压力自平衡。具体来说,高压液态制冷剂在通过细长毛细管的过程中,因流动阻力而产生压降,制冷剂压力和温度迅速下降并发生相变,最终在蒸发器入口处形成低压低温的气液两相制冷剂[2]。毛细管出口处的低压饱和制冷剂进入蒸发器吸热蒸发,在蒸发器出口处的过热蒸气再经过压缩机压缩,完成一个制冷循环。

毛细管长度对制冷系统参数的影响

(一)毛细管前制冷剂的状态    

      进入毛细管前制冷剂的状态(饱和液体、亚临界液体或两相)直接影响毛细管内的节流减压过程。当进口为饱和液体时,制冷剂在管内会迅速汽化,压力急剧下降;当进口为亚临界液体时,节流前一段管内为单相液体,之后才开始汽化;当进口为气液两相态时,气相比例越大,可发生的相变就越少。进口状态可通过冷凝压力、冷凝温度和毛细管入口处的过冷度来调节,其中过冷度的控制尤为关键[7]。一般认为应保证毛细管入口处有3~5℃的过冷度,以避免提前汽化导致的"气堵"现象,确保毛细管内充满液体,实现稳定可控的节流。

(二)毛细管几何尺寸的影响    

      毛细管的内径和长度是影响其节流特性的两个最关键几何参数。内径越小、长度越长,节流压降越大,出口压力越低。为了获得所需的蒸发温度,通常先选定内径,再通过计算确定管长。但内径也不能过小,否则可能引起毛细管堵塞;管长也不宜过长,否则会使压降过大,蒸发温度过低,且增大了管路布置难度[8]。同时,管长还应考虑压缩机和毛细管之间的相互匹配关系。在实际设计中,可通过查阅产品手册或设计软件优选管径,并采用简化公式或p-h图估算管长,再经试验修正。

(三)热交换的影响    

      毛细管出口处与蒸发器吸气管之间常采用逆流换热的布置方式,利用蒸发器出口过热蒸气的热量使毛细管出口处的低温液体蒸发,既防止了液击,又能提高制冷剂进入蒸发器的干度,称为"内热交换"[9]。研究表明,内热交换长度的增加会使过热度上升,蒸发温度降低,膨胀效果更佳,制冷量提高,但换热长度存在最佳值。另外,采用"外热交换"将毛细管盘绕在冷凝器出口管外,可使毛细管入口处获得适度过冷,减少"气堵"风险[10]。在设计中应重视热交换因素,兼顾系统性能和布置工艺。

(四)毛细管出口压力的影响    

      毛细管出口压力即蒸发压力,是影响蒸发温度和制冷量的关键参数。出口压力过高会使蒸发温度升高,压缩比下降;出口压力过低又会使压缩机吸气过热,排气温度过高,耗功增大。因此,针对不同工况,应合理控制出口压力,使之与蒸发器匹配。具体而言,制冷量需求越大,出口压力应越高,但受蒸发温度限制;制冷量需求越小,出口压力可适当降低,以减小压缩功[11]。在多工况条件下,可通过变径毛细管或并联毛细管方式实现自适应调节。

(五)制冷剂含油量的影响    

毛细管系统的设计要点

为了确保制冷系统的稳定运行，设计时需注意以下几点：

  1.根据设计工况确定系统所需制冷量,选定合适的制冷剂。

  2.基于安全性、环保性、经济性等因素,优选压缩机型号和排气量。

  3.按照冷凝温度和过冷度要求,确定冷凝器的换热面积和管径规格。

  4.结合蒸发温度和蒸发压力需求,选择蒸发器的换热面积和管型。

  5.综合考虑各部件参数匹配性,合理布置系统管路,使管路阻力和压损最小化。

排除毛细管“冰堵”的方法

当遇到毛细管发生“冰堵”问题时，首先要通过上述方法确认问题的存在。一旦确定为冰堵，需要排放系统内的制冷剂，并进行彻底的真空干燥处理。同时清洗蒸发器和冷凝器等关键部件，并考虑更换新的干燥过滤器或者清洁现有过滤器。

若发现问题是由于制冷剂含水量过高所致，则可以在制冷剂钢瓶出口处增设干燥过滤器，确保在重新充注时能够吸收多余的水分。

合理设计毛细管长度及其相关配置对于保障制冷系统的高效、可靠运作至关重要。同时，及时有效地处理诸如“冰堵”这样的常见故障也是维护制冷设备正常工作的关键所在。