冷媒管路系统设计.pptx

1.設計考慮 2.管內流速 3.冷媒管徑與流量需求 4.冷媒管徑的決定 5.管路設計6.總結 冷媒管路系統設計1.設計考慮 冷凍系統管路設計需要考慮下列因素：冷凍系統管路設計需要考慮下列因素：確保適當冷媒供應至蒸發器確保適當冷媒供應至蒸發器避免冷媒管路產生過大壓損避免冷媒管路產生過大壓損,降低系統的容量與效率降低系統的容量與效率 避免潤滑油滯留在蒸發器或吸氣管路中避免潤滑油滯留在蒸發器或吸氣管路中 ,而隨後以而隨後以slugslug的型式返回的型式返回,對壓縮機造成損傷對壓縮機造成損傷確保冷凍油能持續返回壓縮機確保冷凍油能持續返回壓縮機 防止壓縮機在運轉停機期間或起動時防止壓縮機在運轉停機期間或起動時,冷媒液吸入壓冷媒液吸入壓縮機縮機 維持乾淨及乾燥的冷凍系統維持乾淨及乾燥的冷凍系統 2.管內流速 R-22,R-134a,R-502 R-22,R-134a,R-502冷媒管路建議流速冷媒管路建議流速吸氣管吸氣管4.5 20 m/s 4.5 20 m/s 排氣管排氣管10 18 m/s10 18 m/s 液管液管(冷凝器至儲液器冷凝器至儲液器)0.5 m/s 0.5 m/s 以下以下液管液管(儲液器至蒸發器儲液器至蒸發器)1.5 m/s 1.5 m/s 以下以下3.冷媒管徑與流量需求 圖圖1.R-221.R-22每每KWKW冷凍所需冷媒流量冷凍所需冷媒流量4.冷媒管徑的決定 選擇吸氣管徑時必須考慮的因素-壓降 在選擇冷媒管徑時，應考慮吸氣管路壓力損失對壓在選擇冷媒管徑時，應考慮吸氣管路壓力損失對壓縮機能力與耗電量的影響。縮機能力與耗電量的影響。冷媒管路壓降會造成系統效率降低，因此必須在最冷媒管路壓降會造成系統效率降低，因此必須在最小的成本與最大的效率考量下來選擇正確的管徑。小的成本與最大的效率考量下來選擇正確的管徑。壓降計算係由冷媒飽和溫度變化之相當壓力決定，壓降計算係由冷媒飽和溫度變化之相當壓力決定，在選擇冷媒管徑時，冷媒排氣管、吸氣管或液管之在選擇冷媒管徑時，冷媒排氣管、吸氣管或液管之壓降通常不得超過壓降通常不得超過1 K1 K。氣體管路壓降對氣體管路壓降對R-22R-22壓縮機能力及耗電量的影響壓縮機能力及耗電量的影響壓降損失壓降損失K K壓縮機能力壓縮機能力%耗能耗能%吸氣管吸氣管0 100100196.8104.3293.6107.3排氣管排氣管0100100199.2102.7298.4105.7v液管液管的壓降不得太大以免產生氣體，通常液管由於液管的壓降不得太大以免產生氣體，通常液管由於摩擦所造成的壓降不得超過相當於飽和溫度摩擦所造成的壓降不得超過相當於飽和溫度0.51 K0.51 K變化。變化。液體過冷是唯一可以克服壓降問題確保液體流入膨液體過冷是唯一可以克服壓降問題確保液體流入膨脹閥，但是若過冷度不足，則液體同樣會產生閃氣，脹閥，但是若過冷度不足，則液體同樣會產生閃氣，並且降低系統效率。並且降低系統效率。通常液體壓降是由管路配件所造成，例如電磁閥、通常液體壓降是由管路配件所造成，例如電磁閥、乾燥過濾器、手動閥、貯液器至膨脹閥間的管路及乾燥過濾器、手動閥、貯液器至膨脹閥間的管路及配件等。配件等。v液管在在4040的冷凝壓力下，的冷凝壓力下，0.5 K0.5 K飽和溫度變化之液管壓飽和溫度變化之液管壓降約略如下：降約略如下：液管若裝置上升管，則每上升液管若裝置上升管，則每上升1 m1 m約有約有11.3 kpa11.3 kpa壓力壓力損失損失 。冷媒 壓降 kPa R-22 18.7 R-134a13.6R-50219.4表表3.R-223.R-22冷媒排氣管、吸氣管及液管冷媒排氣管、吸氣管及液管kWkW容量表容量表(單或高壓段應用單或高壓段應用)表表3 3 使用注意事項使用注意事項vR22R22冷媒管路的容量表說明冷媒管路的容量表說明 表表3 3 說明說明R-22R-22冷媒在特定壓降下，管徑大小所能承冷媒在特定壓降下，管徑大小所能承載的冷凍能力。表中排氣管及液管之冷凍能力是基載的冷凍能力。表中排氣管及液管之冷凍能力是基於相當於相當0.02 K0.02 K飽和溫度變化飽和溫度變化(t)(t)下，每公尺等效長度下，每公尺等效長度的摩擦損失，而吸氣管是基於的摩擦損失，而吸氣管是基於0.04 K0.04 K的變化。的變化。容量表是以容量表是以Darcy-WeisbachDarcy-Weisbach關係式及依關係式及依ColebrookColebrook方方程式所計算出的磨擦係數為基準。銅管及鋼管的粗程式所計算出的磨擦係數為基準。銅管及鋼管的粗糙高度分為以糙高度分為以1.5 um1.5 um及及46 um46 um計；排氣管的過熱溫計；排氣管的過熱溫度在度在R-134aR-134a及及R-502R-502冷媒以冷媒以45 K45 K計，而計，而R-22R-22冷媒以冷媒以60 K60 K計。計。v液管液體過冷是克服液體管路壓降，確保液態冷媒在進入液體過冷是克服液體管路壓降，確保液態冷媒在進入 膨脹閥不會閃蒸膨脹閥不會閃蒸(flash)(flash)的唯一方法的唯一方法例題1.採用銅管之R-22冷凍系統，在5蒸發溫度及40冷凝溫度下運轉，冷凍容量14 kW，液管等效長度50 m，上升管6 m，求液管管徑及所需的過冷度。解：由表3得知1 K損失之液管管徑為15 mm OD，利用表3中註3公式計算在14 kW之實際溫度損失。實際溫度損失為(50*0.02)*(14/21.54)1.8=0.46 K 估計摩擦損失 =0.46*18.7=8.6 kPa 上升管壓降=6*11.3=67.8 kPa總壓降=67.8+8.6=76.4 kPa 40冷凝溫度之飽和壓力為1534.1 kpa，因此液管最初壓力為 1534.1 kpa 膨脹裝置之壓力為 1534.1 76.4=1457.7 kPa，其對應之飽和溫度為37.9。克服液管損失所需過冷度為 40 37.9=2.1 K v吸氣管 在全載時，要有最小的壓降；在全載時，要有最小的壓降；在最低載時，要考慮蒸發器回油到壓縮機；在最低載時，要考慮蒸發器回油到壓縮機；要防止冷凍油自運轉的蒸發器流到停機的蒸發要防止冷凍油自運轉的蒸發器流到停機的蒸發器內。器內。吸氣管的壓降會造成系統容量降低，因為為維吸氣管的壓降會造成系統容量降低，因為為維持盤管所需之蒸發溫度，迫使壓縮機必須在較持盤管所需之蒸發溫度，迫使壓縮機必須在較低的吸氣壓力下運轉。在最低載時，要考慮蒸低的吸氣壓力下運轉。在最低載時，要考慮蒸發器回油到壓縮機；發器回油到壓縮機；在決定管徑時，吸氣管壓降通常不可超過相當在決定管徑時，吸氣管壓降通常不可超過相當於於1 K1 K飽和溫度的變化。飽和溫度的變化。部份負載時要減少管徑以增加流速，使油能隨部份負載時要減少管徑以增加流速，使油能隨著流回壓縮機。全載時會有較大的壓降，所以著流回壓縮機。全載時會有較大的壓降，所以在水平管及下行管部份要考慮加大管徑，以補在水平管及下行管部份要考慮加大管徑，以補償過大的壓降。償過大的壓降。v吸氣管v吸氣管 5飽和吸入溫度之相當壓降約略如下：冷媒吸入損失 K壓降 kPaR-22118.1R-134a112.2R-502119.7v吸氣管 R-22R-22吸氣管相當吸氣管相當0.020.02及及0.01K/m0.01K/m壓降壓降kWkW容量表容量表(單或高壓段應用單或高壓段應用)v排氣管 排氣管壓降會增加壓縮機的耗電量及減少壓縮機能排氣管壓降會增加壓縮機的耗電量及減少壓縮機能力。力。設計排氣管管徑要使壓降最少，且在任何負載時，設計排氣管管徑要使壓降最少，且在任何負載時，仍具有回油速度以避免油滯留在管內。仍具有回油速度以避免油滯留在管內。排氣管壓降設計，通常不可超過相當於排氣管壓降設計，通常不可超過相當於1 K1 K飽和溫飽和溫度變化。度變化。v閥體及配件的等效長度 在冷媒管容量表中所表示的皆為直管的等效長度，所以為方便計算壓在冷媒管容量表中所表示的皆為直管的等效長度，所以為方便計算壓降，所有管路上的閥體及配件皆需換算成同尺寸的直管等效長度。降，所有管路上的閥體及配件皆需換算成同尺寸的直管等效長度。閥體及配件的等效長度計算例閥體及配件的等效長度計算例例題2.容量105 kW之R-22系統，在5吸入溫度及40的冷凝溫度下運轉，管路材質為銅管，直管長15 m及6個長半徑彎頭，試求其吸入管管徑及壓降。計算步驟：假設管路的等效長度(含直管、閥體及配件)=直管全長乘1.5倍，所以假設的總等效長度為15*1.5=22.5 m。查表3(5吸氣溫度，40冷凝溫度)得知，管徑54 mm OD在0.04 K/m損失下，能力為122.7 kW。直管等效長度為 15m每個50 mm長半徑彎頭等效長度為1 m(表10)6個長半徑彎頭等效長度為6*1 m=6m總等效長度為15+6=21 m實際溫差 t =0.04*21*(105/122.7)1.8=0.63 K而0.63 K低於所建議的1 K以下。若管徑改為42 mm，則經過上述重新計算 t=2.05 K，大於1 K，壓降太大，因此54 mm是適合的管徑。5.管路設計 v潤滑油循環潤滑油循環 在碳鹵化合物冷媒低溫冷凍系統中，較難將潤滑油在碳鹵化合物冷媒低溫冷凍系統中，較難將潤滑油自蒸發器流回壓縮機內，除了多數的離心機及少數自蒸發器流回壓縮機內，除了多數的離心機及少數不需潤滑油的壓縮機外，潤滑油均會隨著冷媒排入不需潤滑油的壓縮機外，潤滑油均會隨著冷媒排入排氣管中，再藉由油分離器將大部份的潤滑油回油排氣管中，再藉由油分離器將大部份的潤滑油回油至壓縮機內至壓縮機內 。v吸氣上升管的回油 在許多冷凍管路系統中，當蒸發器位置低於壓縮機在許多冷凍管路系統中，當蒸發器位置低於壓縮機時，均有吸氣上升管的配置，而在此處的回油一般時，均有吸氣上升管的配置，而在此處的回油一般可利用直接冷媒氣體挾帶或輔助方式如利用存油彎可利用直接冷媒氣體挾帶或輔助方式如利用存油彎與油幫浦，使潤滑油回到壓縮機。與油幫浦，使潤滑油回到壓縮機。決定潤滑油流動主要的因素有氣體速度、氣體密度決定潤滑油流動主要的因素有氣體速度、氣體密度及管路內徑等。因為冷媒及潤滑油混合的密度幾乎及管路內徑等。因為冷媒及潤滑油混合的密度幾乎維持不變，所以不會對回油有太大影響，此外溫度維持不變，所以不會對回油有太大影響，此外溫度若降到若降到-40-40以下時，潤滑油的黏度影響到回油。當以下時，潤滑油的黏度影響到回油。當溫度下降時，必須增加氣體流速。管徑增大時，亦溫度下降時，必須增加氣體流速。管徑增大時，亦須增加氣體流速。須增加氣體流速。v吸氣上升管的回油 表表13.13.吸氣上升管最小吸氣上升管最小kWkW容量表容量表(銅管銅管)v吸氣上升管的回油 為了滿足氣體最小流速，垂直上升管徑必須減小，為了滿足氣體最小流速，垂直上升管徑必須減小，因此在全負載時壓降相對增加，所以為符合前述的因此在全負載時壓降相對增加，所以為符合前述的壓降不超過一定範圍下，對於水平管的管徑，則需壓降不超過一定範圍下，對於水平管的管徑，則需考慮適當的加大管徑，使總整的壓降不超限制考慮適當的加大管徑，使總整的壓降不超限制。大多數壓縮機均有容量控制，當負載變動時較難以大多數壓縮機均有容量控制，當負載變動時較難以維持吸氣上升管回油所需之氣體流速。但若以最小維持吸氣上升管回油所需之氣體流速。但若以最小負載可以回油的情形下決定管徑，則必會有較大之負載可以回油的情形下決定管徑，則必會有較大之壓降，因此可考慮雙吸氣上升管配置。壓降，因此可考慮雙吸氣上升管配置。雙吸氣上升管雙吸氣上升管雙吸氣上升管雙吸氣上升管SizingSizing 管管A A必須在最小負載亦能回油之條件下決定管徑。必須在最小負載亦能回油之條件下決定管徑。管管B B則則在在全全負負載載下下，經經由由兩兩管管之之壓壓降降必必須須合合於於所所求求而而選選定定其其管管徑徑。選選定定管管B B大大小小之之一一般般方方法法，乃乃是是管管A A與與管管B B之之總總截截面面積積必必須須等等於於或或稍稍微微大大於於在在全全負負載載下下所所容容許許壓壓降降而而非非在在最最小小負負載載能能回回油油之之條條件件下下所所選選定定之之單單管管之之截截面面積積。而而且且總總截截面面積積不不得得大大於於在在最最大大負負載載下下能能經經由由上上升升管管向向上上回回油之單管截面積。油之單管截面積。在在兩兩上上升升管管之之間間應應裝裝置置存存油油彎彎。於於部部份份負負載載時時，兩兩上上升升管管的的氣氣體體速速度度不不足足帶帶油油上上行行，油油逐逐漸漸滯滯留留在在存存油油彎彎內內，而而B B管管自自動動堵堵塞塞，只只剩剩A A管管可可用用，氣氣體體速速度度增增大大，即即可可帶帶油油上上行行；如如負負載載增增大大，則則氣氣體體速速度度會會衝衝開開存存油油彎彎而而使使B B管管復通。復通。雙吸氣上升管雙吸氣上升管SizingSizing上升管下之存油彎應限制於極小。否則於部份負載上升管下之存油彎應限制於極小。否則於部份負載運轉時，存油彎積多量的油使壓縮機曲柄軸箱內之運轉時，存油彎積多量的油使壓縮機曲柄軸箱內之油水平降得很低，並於負載增大運轉時，存油彎之油水平降得很低，並於負載增大運轉時，存油彎之油封被衝破，而引起油對壓縮機過大的回湧。油封被衝破，而引起油對壓縮機過大的回湧。管管B B通至吸氣管處，必須做一個倒通至吸氣管處，必須做一個倒U U管，而由上方進管，而由上方進入吸氣管。這是為了在部份負載運轉，入吸氣管。這是為了在部份負載運轉，B B管停止不管停止不用時，避免油倒流進入用時，避免油倒流進入B B管，而每一個蒸發器之出管，而每一個蒸發器之出口管在進入吸氣主管時，亦需如管口管在進入吸氣主管時，亦需如管A A所示由上方進所示由上方進入吸氣管，其目的也是為了於蒸發器無負載時，避入吸氣管，其目的也是為了於蒸發器無負載時，避免吸氣主管中之油或冷媒液流入蒸發器。免吸氣主管中之油或冷媒液流入蒸發器。吸氣管的配置單蒸發器位於壓縮機上方單蒸發器位於壓縮機上方吸氣管的配置單蒸發器位於壓縮機下方單蒸發器位於壓縮機下方吸氣管的配置多蒸發器獨立吸氣管(蒸發器在相同高度)壓縮機位於蒸發器下方壓縮機位於蒸發器上方吸氣管的配置多蒸發器共同吸氣管多蒸發器共同吸氣管(蒸發器在相同高度蒸發器在相同高度)壓縮機位於蒸發器下方壓縮機位於蒸發器上方吸氣管的配置多蒸發器共同雙吸氣上升管多蒸發器共同雙吸氣上升管(蒸發器在不同高度蒸發器在不同高度)壓縮機位於蒸發器下方壓縮機位於蒸發器上方吸氣管的配置多蒸發器共同單吸氣上升管(蒸發器在不同高度)壓縮機位於蒸發器下方壓縮機位於蒸發器上方吸氣管的配置各種不同蒸發器位置吸氣管配置各種不同蒸發器位置吸氣管配置壓縮機吸氣管的配置雙壓縮機並聯運轉雙壓縮機並聯運轉壓縮機吸氣管的配置多壓縮機並聯運轉之油平衡配管多壓縮機並聯運轉之油平衡配管v排氣管的回油 圖7排氣雙上升管v排氣管的回油 有時在多台壓縮機併用之裝置上也有容量控制，那麼有時在多台壓縮機併用之裝置上也有容量控制，那麼就要在最小負載也能回油之條件下選定垂直管之管徑，就要在最小負載也能回油之條件下選定垂直管之管徑，如是則於最小負載時將有過大的壓降，故若有此問題如是則於最小負載時將有過大的壓降，故若有此問題存在時，則需採用雙上升管或者一支上升管與一個油存在時，則需採用雙上升管或者一支上升管與一個油分離器。分離器。排氣雙上升管以如同吸氣管一樣之狀態使用之，如圖排氣雙上升管以如同吸氣管一樣之狀態使用之，如圖7 7表示雙上升管於排氣管之應用，其操作原理及選定表示雙上升管於排氣管之應用，其操作原理及選定管徑技巧同雙吸氣上升管。管徑技巧同雙吸氣上升管。v排氣管的回油回油之另一種裝置，乃是把油分離器設置在排氣上回油之另一種裝置，乃是把油分離器設置在排氣上升管前面。此種裝置可依最低壓降選定管徑，而不升管前面。此種裝置可依最低壓降選定管徑，而不必考慮回油速度。必考慮回油速度。油分離器裝置於該點，可使所有的油均回到壓縮機。油分離器裝置於該點，可使所有的油均回到壓縮機。輕負載及停止運轉時，有些油將由升流下而積於油輕負載及停止運轉時，有些油將由升流下而積於油分離器。分離器。壓縮機排氣管的配置壓縮機排氣上升管路超過壓縮機排氣上升管路超過25ft(7.5m)25ft(7.5m)之配管之配管壓縮機排氣管的配置壓縮機並聯運轉排氣管路之配管壓縮機並聯運轉排氣管路之配管壓縮機排氣管的配置壓縮機並聯運轉排氣管路在壓縮機上方之配管壓縮機並聯運轉排氣管路在壓縮機上方之配管冷凝器至儲液器的管路配置儲液器的型式儲液器的型式(a)Top inlet through-flow receiver(b)Bottom inlet through-flow receiver(c)Surge type receiver冷凝器至儲液器的管路配置Through-flowThrough-flow型式儲液器的配管型式儲液器的配管冷凝器至儲液器的管路配置Surge-TypeSurge-Type儲液器的配管儲液器的配管冷凝器至儲液器的管路配置並聯冷凝器至儲液器(Top inlet)的配管冷凝器至儲液器的管路配置並聯冷凝器至儲液器並聯冷凝器至儲液器(Surge type Bottom inlet)(Surge type Bottom inlet)的配管的配管雙蒸發器冰水機組的管路設計探討蒸發器在不同高度、壓縮機位於上方的配管雙蒸發器冰水機組的管路設計探討蒸發器在相同高度、壓縮機位於上方的配管總 結 v排氣管路排氣管路 此管路內的壓降會造成壓縮機功率負擔，因為對此管路內的壓降會造成壓縮機功率負擔，因為對於一既定凝結器壓力而言，管路壓降的任何增大於一既定凝結器壓力而言，管路壓降的任何增大都要求壓縮機的排洩壓力比較高。不過，在超過都要求壓縮機的排洩壓力比較高。不過，在超過某最佳管路尺寸之後，額外的增大使初置成本增某最佳管路尺寸之後，額外的增大使初置成本增加量將超過壓縮機壽命期間的運轉費用節約。加量將超過壓縮機壽命期間的運轉費用節約。v吸氣管路吸氣管路 吸氣管路內的壓降和排氣管路一樣，會造成效率吸氣管路內的壓降和排氣管路一樣，會造成效率損失，因為壓降使進入壓縮機的壓力下降。不過，損失，因為壓降使進入壓縮機的壓力下降。不過，許多冷凍系統中必須使潤滑油從蒸發器送回壓縮許多冷凍系統中必須使潤滑油從蒸發器送回壓縮機，因此吸氣管路的選擇不能太大，以便使潤滑機，因此吸氣管路的選擇不能太大，以便使潤滑油容易回流。油容易回流。v液體管路液體管路 由於此管路內的液體密度遠超過其他段的氣體密由於此管路內的液體密度遠超過其他段的氣體密度，故其管徑比其他段小。由於未發生在液體內度，故其管徑比其他段小。由於未發生在液體內的壓降仍然會發生在膨脹裝置內，故此管路內的的壓降仍然會發生在膨脹裝置內，故此管路內的壓降不會影響循環效率。不過，液體管路內的壓壓降不會影響循環效率。不過，液體管路內的壓降係因為另一原因而受限制。即若壓降太大而使降係因為另一原因而受限制。即若壓降太大而使一些液體閃發減為蒸氣，則膨脹裝置的功能將受一些液體閃發減為蒸氣，則膨脹裝置的功能將受影響。影響。報 告 完 畢敬 請 指 教