空调制冷系统管路设计

对于空调制冷系统来说，连接管路主要是用紫铜管，因为管路里面需要走制冷剂，所以里面的洁净度和光滑度都有一定的要求，而管路需要加工成各种形状。所以大点的铜管生产工厂都会有专门生产空调制冷系统用的铜管。国标GB/T17791-2017空调与制冷设备用无缝铜管作了如下要求。

无氧紫铜管（TU1、TU2），磷脱氧紫铜管（TP1 紫铜管、TP2紫铜管），具体规格如下表：(摘自网上信息，仅供参考)

外径  mm	壁厚  mm	外径  mm	壁厚  mm	外径  mm	壁厚  mm	外径  mm	壁厚  mm
6.35	0.8	19.05	1.0	32	1.5	45	1.5
9.52	0.8	22.2	1.0	35	1.3/1.5	54	1.5/2
12.7	0.8	25.4	1.0/1.2	38	1.3/1.5	67	2.5
15.88	1.0	28.6	1.2/1.3/1.5	42	1.3/1.5	89	2.5

而对于美国的ASHRAE 的要求，空调制冷系统用铜管分为两种K型（加厚型）和L型（中型），最常用的是L型。M型被认为强度不够而不适合用在制冷剂系统。

管路设计的基本原则：

1.保证供应蒸发器所需的的制冷剂液体，从而保证制冷能力；

2.保证制冷剂以最小的压降在系统中流动，以避免产生额外的功率损失；

3.保证冷冻油和制冷剂尽量回到压缩机而不会在管路中积存，从而保证压缩机的正常运行；

4.防止制冷剂液体和冷冻油不会对压缩机造成冲击；

5.管路和制冷剂的合理成本。

管径的选择：

选择管径时对于不同用途的制冷系统会用不同的考虑，对于舒适性空调，每天的使用时间约为8-18小时，所以比较在意初投资，如果想为了减小压降而过份增大管径，那么无论是管路还是制冷剂充注量的成本都会增加，所以可以在保证回油的及合理的压降的条件下选择成本比较低的方案。而工业用空调，特别是机房空调，是全年无休运行，所以比较在意运行费用，这时可以考虑在保证回油时

制冷效率比较高的方案。

管路的压降和流速：

其中对管径的选择影响最大的就是管路压降和流速的问题。对于给定的一个制冷系统，压降的增加意味着制冷剂流量的减小，那么制冷量也会减小。那为了增大制冷量，就必须增大制冷剂充注量，以保持原来的制冷剂流量才能保持原来的制冷量，但为了克服增加的压降，压缩机功率就会增大。杜邦公司给出了一些参考值，这里可以看出吸气管的压降比排气管压降对系统影响大。

压降，F	管段	制冷量%	HP/Ton%
0		100	100
2	吸气管	95.7	103.5
2	排气管	98.4	103.5
4	吸气管	92.2	106.8
4	排气管	96.8	106.8

流速的问题既关系到压降，也关系到回油。冷冻油在制冷系统中有以下的作用：1.润滑运动部件；

2.冷却压缩机；

3.密封作用；

4.提供卸载机构的动力；

5.带走杂质，清洁部件。

而且如果冷冻油积存在换热器的换热管内，会降低换热器换热能力。所以要尽量让和制冷剂一起流出的冷冻油返回压缩机，否侧会造成压缩机缺油。冷冻油和制冷剂液体有一定的互溶性，所以在管路中比较容易一起流动，但和制冷剂气体互溶性比较差，所以要制冷剂气体达到一定的速度来推动冷冻油流动。而影响制冷剂流速的就是管径，管径小，制冷剂速度大了，压降必然增加。所以压降和回油是一对矛盾，

要顺利回油，制冷剂速度要快，制冷剂速度快了，压降就大，所以要找一个平衡点，选择合适的管径。

管路的流速：

首先介绍杜邦公司的流速曲线法（曲线见附录）选择管径，下面给出了各段管路的流速的参考值，因为资料来源问题，有些参考值会不一致，这里尽量给出使用时的考虑及资料来源，使用时自行选择。

流速曲线法选择管径要先知道制冷量，各管段温度（排气管，吸气管，液管），然后根据下表范围及所设计产品用途的特点来确定管径。

各管段流速范围参考值：

管 段	ASHRAE推荐速度(fpm)	速度（m/s）	极限值(fpm)	速度（m/s）
吸气管	900-4000	4.6-20.3	2300(超过噪音会较大)	12
排气管	2000-3500	10.2-17.8	500/H，1000/V	2.5-20.3
冷凝器到储液器	＜100	＜0.5
*储液器到膨胀阀	125-450	0.6-2.3	400(YORK)	2.0
水平段	750	3.8	700	3.56
上升段	1500	7.6	1000(YORK)	5.08

*如果安装有电磁阀，那么阀前流速要小于1.5m/s(300fpm)，以避免阀关闭时液体造成冲击管路的压降杜邦公司还给出了压降曲线法来选择管径，也是通过类似的曲线（见附录）来选取管径，不过要注意：曲线给出的压降是每100feet(33m)，所以在选择管径时要先计算出每段管路的等效长度，再按比例计算出等效管长的压降。弯头，三通，阀等部件的等效长度可通过下表计算得到。

这两个表格来源于ASHRAE。

下面介绍对系统各部分管路压降的要求。

通常来说，对各部分管路，压降可以在2℉(1℃)以内都可以。不过现在出于对能耗的要求及系统的优化，要求压降在1F(0.5℃)以内。不过杜邦公司给出的资料吸气管还是2F(1℃)。

排气管：

虽然排气管的压降没有吸气管对制冷量的影响那么大，但因为压降会增大消耗功率，所以对R22最大值不要超过6psi(0.4bar)。

冷凝器到储液器连接管：

为了让冷凝后的液体尽快流出冷凝器而不占用冷凝器的换热面积，所以这段是要求管径比较大，以避免液体制冷剂的拥堵，而使液体不能及时流出冷凝器而减少了冷凝面积。

储液器到膨胀阀连接管：

这段管路最重要的考虑是不要因为压降而产生闪发蒸气，特别是对于上升管路，如对R22，每上升一米要损失0.115bar压力，而压力每损失0.38bar饱和温度下降1℃，那过冷度也下降1℃，那么如果上升10米，那压力损失1.115bar，制冷剂饱和温度下降约3℃，那忽略其他压力损失，制冷剂液体过冷度也下降3℃，也就是说过冷度最小也要大于3℃才能使制冷剂液体不会闪发蒸气。

下表是在冷凝温度100℉（38℃）时液体饱和温度变化1℉（约0.5℃）时的压力变化值（1psi=0.069bar）。

制冷剂	压力  psi	压力  bar	制冷剂	压力  psi	压力  bar	制冷剂	压力  psi	压力  bar
R22	2.8	0.19	R410A	4.6	0.32	R407C	3.4	0.23
R404A	3.4	0.23	R134A	2.1	0.14

吸气管：

这段管路直接决定压缩机的进气量，所以它对系统的影响比较大，如果压降过大，那么制冷剂比容增大，那相同容积的质量就减小，那吸入压缩机的制冷剂质量流量就减小，最终制冷量减小。有资料说，R22 压力每损失1psi，制冷量损失1%，R410A 是每损失1psi，制冷量损失0.6%。

吸气管饱和温度变化  2℉(1℃) 时的饱和压力变化

蒸发温度 ℉/℃	R22  psig	R22  bar	R407C psig	R407C bar	R410A psig	R410A bar
45/7.2	3.0	0.20	3.1	0.21	5.0	0.34
20/-6.7	2.2	0.15	2.1	0.14	3.0	0.2
0/-17.8	1.7	0.12	1.6	0.11	2.6	0.18
-20/-28.9	1.2	0.08	1.1	0.08	1.9	0.13
-40/-40	0.8	0.06	0.7	0.05	1.3	0.09
蒸发温度 ℉/℃	R134a psig	R134a bar	R404A psig	R404A bar
45/7.2	2.0	0.14	3.7	0.26
20/-6.7	1.4	0.10	2.7	0.19
0/-17.8	1.0	0.07	2.0	0.14
-20/-28.9	0.75	0.05	1.4	0.10
-40/-40	0.45	0.03	1.0	0.07

对于一些分体式结构的机组，对于需要内外连接的管路，一般设计时会定一个标准距离，如舒适性空调，设计连接长度是5米或7米，主要是吸气管和液管，那么对这段距离在设计时也要考虑进去。

至于在安装上需要长连管的，那么超过设计距离的，制冷量会下降，约克公司有一些参数可供选型时参考。(不过不知道如果有上升管路时，制冷量会减少多少？)

对于超过设计管长的连管，由于管路的容积增加，所以要保持原来的制冷剂水平，就要增加充注。

变容量系统的管径选择：

此外还有对于变容量的制冷系统，制冷剂流量会根据制冷量的变化而变化，这时流速也会跟着变化，流速会因为制冷剂流量变小而减小，那如果变得太小而不能把冷冻油带回压缩机，就会对压缩机造成损害。所以在选择管径时要考虑最小制冷剂流量时的流速，保证这时的流速在要求的范围内。特别是对于垂直管，为了更好的回油，这时就要用到双管路。其中一个小管是保证在制冷剂流量最小时通行的，因为这时大管流速会较低，不能把冷冻油带走而积在下部的存油弯，到一定程度就堵住了大管，制冷剂只能走小管，也就保证了回油流速。随着容量增加，制冷剂流量增加，小管阻力就增加，到一定程度，把大管油封打通后，两根管的截面积相当于最大容量时使用单根管的截面积，保证最小压降及回油流速。

如果制冷量最小值在名义制冷量的1/3以上的，可以用上表，这时制冷剂流速成可以保持在1500fpm(7.6m/s)。（表中使用的是L 型铜管，面积单位是平方英寸）建议对于冷冻机组最大上升不要超过20ft(6.1m)，空调机组最大上升不超过30ft(9.1m)。

管路的设计和布置：

下图是基本的系统管路布置图，管路的读者设计主要有五个原则：

1.保证不会倒流冲击，特别是压缩机；

2.保证回油，特别是上升气管；

3.防止液体迁移；

4.对于多个蒸发器的，互相之间不会造成影响；

5.压降最小。

排气管：

如果排气管出来是水平走向或向下走的，那么只需要向下带点坡度即可，有些资料说最小要1：100。如果是向上走的，那最好是先向下走一段再往上或设个存油弯。其实这样做是为了让冷冻油更好地随制冷剂气体流动，并在停机时不会因倒流而对压缩机造成冲击。如果排气上升的高度比较高时，为了保证冷冻油随制冷剂一起流动，可以每6 米加一个存油弯，但不是必须的，因为排气管温度较高，所以冷冻油比较容易被制冷剂气体带走。

回气管：

主要有几点要注意的：

1.对于上升管路的回气管是一定要每6 米加一个存油弯的。

2.还有为了防止停机时制冷剂迁移到压缩机，对于压缩机在蒸发器下部的，在蒸发器出口段要有个上升段，高度要高于蒸发器，不过对于回气管中带有气液分离器，压缩机带曲轴箱加热器的系统，所以即使有制冷剂迁移，也是到气液分离器，这时这个上升弯管可以不要。

3.而在蒸发器的水平出口段，要有一个存油弯，以防止制冷剂液本或冷冻油在蒸发器出口管积存而影响膨胀阀的工作。

4.沿制冷剂方向都要带一定的坡度，这样有助冷冻油的流动。

5.对于多个蒸发器的系统，蒸发器间要避免互想影响，可以通过设置弯头来防止制冷剂在不同蒸发器间的随意流动。

液管：

在液管上要安装干燥过滤器，视液镜等部件，截止阀的设置要看系统本身的设计来决定是否需要，因为它主要是在停机时截断管路，让压缩机把制冷剂泵回（Pump Down）储液器来防止制冷剂迁移到压缩机。如果系统安装了气液分离器且足够大（至少可以装全部制冷剂充注量的80%），而且压缩机安装了曲轴箱加热器，那就不需要截止阀。

压降：所有管路都要以最小的压降来设计，如有条件不使用直角弯头的就不使用。

管长：在分体式设备中，长连管是不可避免的，下面给出了一些参考值。

制冷剂		最长实际管长 feet/m		最长等效管长 feet/m		气管最大上升高度 feet/m		液管最大上升高度 feet/m
单冷	R22	200	60	240	72	125	38	60	18
	R410A	200	60	240	72	125	38	50	15
热泵	R22	150	45	180	54	50	15	50	15
	R410A	200	60	240	72	60	18	60	18

不过无论是最长实际管长还是最长等效管长，首先要看制冷剂最大充注量，因为制冷剂会和冷冻油互溶并带进制冷系统，所以过多的制冷剂充注会使压缩机冷冻油过多的被带入系统中，结果使压缩机缺油，这种情况下有的生产工厂会建议补充冷油。其次要看低电压时的电流值，即使还没到最长管长，但这些值有些已经超过名义值，那就不能再增加了。有条件的最好做实验确定。不过长连管带来的肯定是制冷量的下降（可参考前面的表格），这时选型时要注意，以免制冷能力不足导致温度降不下来 。

管路的保温：

对于排气管，因为温度比较高，所以不需要保温，这样对散热也要有利的。对液管，一般也比环境温度高，也不需要加保温，但在一些家用或小型商用系统中，有些把节流装置安装在室外机，然后把低压液体送到室内蒸发器，这样就要使用保温层，避免低压液体吸热造成制冷量损失。回气管因为温度比较环境温度低，所以回气管也要使用保温层，而且吸气管上的部件也要使用保温层，太高的过热度会损害压缩机并减少制冷量，增加功率损耗。