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本文我们将分析毛细管冰堵的产生机理,总结引发毛细管冰堵的几类典型原因,包括制冷剂杂质污染、气液分离不良、过冷不足、冷凝温度波动等,提出一系列有针对性的诊断、清洗、更换等维修措施和模型计算、装置选型、工艺改进等优化对策。

（示意图，不对应文中任何具体信息）
一、前言   毛细管因其结构简单、成本低廉、无机械运动部件等优点,在家用空调、电冰箱等小型制冷设备中得到广泛应用,但其独特的细长内腔结构也成为引发流动不稳定和冰堵的"罪魁祸首"[1]。据统计,70%以上的小型制冷系统故障与毛细管堵塞有关,其中冰堵又占50%以上[2]。


毛细管冰堵会显著恶化制冷系统性能,轻则造成蒸发温度回升、冷量不足、压缩功率增加,重则引发压缩机吐出温度过高、润滑油劣化甚至烧毁等严重后果,已成为困扰用户和企业的重大技术难题。因此,深入分析毛细管冰堵成因,总结诊断维修经验,创新优化设计方案,对提升产品使用寿命、减少维修成本、增强品牌竞争力具有重要意义。


国内外学者针对毛细管冰堵开展了大量研究。翟文等[3]通过大量实验,总结了冰堵的判据,认为当毛细管内制冷剂温度低于露点-10K且含湿量超过20ppm时,极易发生冰堵。王如竹等[4]建立了毛细管内非均相流动与传热模型,定量预测了过冷度、气体体积分数等参数对冰堵临界含湿量的影响规律。Epping等[5]对比了R12、R22、R134a等常见制冷剂的冰堵特性,发现R134a最不易结冰,并提出了抑制结冰的毛细管内壁涂层新技术。


然而,现有文献大多基于单根光管的试验,与实际系统存在较大差异,且缺乏系统优化设计和售后维修的有效指导。鉴于此,本文拟从故障诊断、维修工艺、系统优化等视角切入,在系统总结前人研究的基础上,结合工程实践经验,探讨毛细管冰堵的成因机理、预防检测、清洗更换、设计改进等问题,为相关企业攻克毛细管冰堵提供参考。





二、毛细管冰堵机理   
毛细管是一种内径0.6mm,长度6m的铜管,高压冷凝液经其节流膨胀为低压气液两相流体。在实际运行中,由于气液相变潜热的吸收,会导致流体温度迅速下降,局部达到水的凝固点,形成微小冰晶。冰晶随气液运动到毛细管内壁时,会由于界面能的作用而粘附,逐渐长大,直至堵塞流道[6]。

因此,毛细管冰堵实质是冰晶的异相成核与生长过程,其机理可概括为以下三个阶段:
1、过冷阶段:

当流体局部温度低于水的凝固点时,处于亚稳态,形成过冷度。过冷度的大小决定了形核所需克服的能垒,影响冰晶成核的难易程度。一般而言,过冷度越大,形核能垒越低,结冰越容易发生[7]。


2、形核阶段:

过冷液相中原子团簇会发生涨落,形成微小冰核。根据形核理论,形成临界晶核所需的最小过冷度ΔT与晶核半径r的关系为[8]:
ΔT*=2σTmv/(ΔHfr*)
式中,σ为固液界面能,Tm为凝固点,v为比体积,ΔHf为凝固潜热。可见,σ越小,v和r越大,形核所需ΔT越低,越易发生。


3、生长阶段:

当晶核尺寸超过r*后,会自发长大,直至与相邻晶核碰撞连结。晶核生长遵循扩散机制和界面机制两种动力学模式。对于扩散机制,晶核生长速率Vg正比于局部过冷度ΔT[9]:
Vg=kgΔT
式中,kg为晶核生长动力学系数。对于界面机制,晶核生长速率还受界面蒸发凝结过程控制。此外,气液两相流动对晶核的运移和聚并也有重要影响[10]。
综上,毛细管结冰过程与气液相变潜热、流体湿度、过冷度、界面特性、流型流态等因素密切相关。因此,在分析毛细管冰堵时,需综合考虑管内流动和传热特性。






三：引发毛细管冰堵的典型原因   1、制冷剂杂质污染
制冷剂在生产、储运、使用等环节极易引入水、酸、蜡等杂质,其中以水分污染最为严重。制冷剂暴露在空气中时,会迅速吸收水汽,溶解的水会在毛细管内析出,形成冰晶堵塞。根据赵琳等[11]的试验,制冷剂含湿量超过20ppm时,结冰可能性大增。除水分外,酸性物质会腐蚀管壁,产生铜屑、油泥等颗粒,附着管壁而堵塞;来自冷冻油的蜡质在低温下凝固,粘附于冰晶表面,加速冰堵。


2、气液分离不良
为保证毛细管入口均匀、稳定的液相流动,需在其前端设置集液器,将冷凝器出口的气液混合物进行分离。但在实际运行中,由于集液器容积选取不当、气液出口位置不合理等原因,会造成气相夹带进入毛细管,扰动流场,加剧气液两相流不稳定性。刘志勇等[12]发现,当集液器容积小于冷凝器容积的5%时,气相夹带量可高达30%,严重时会导致毛细管"气锁"。


3、冷凝压力和过冷度不足
制冷剂过冷度不仅影响毛细管节流性能,还影响冰晶的形核难易程度。王如竹等[13]指出,冷凝压力每下降0.1MPa,毛细管前过冷度就下降3~5K。冷凝压力的下降往往源于冷凝器散热不良、冷凝风机故障等原因,使得过冷换热受阻,易诱发结冰。张晓庆等[14]的模拟表明,当过冷度低于5K时,毛细管内流体温度会低于0℃,形成冰堵的风险大大提高。

4、蒸发温度回升和压缩机吸气过热
蒸发器换热不良会导致蒸发温度回升,进而引起压缩机吸气过热,排气温度升高。王旭升等[15]的试验表明,当吸气温度超过80℃时,会加剧制冷剂分解,产生大量酸性物质和水。酸性物质会腐蚀铜管产生杂质,而水会在低温下析出结冰,最终堵塞毛细管。吸气过热的原因较多,如蒸发器结霜、膨胀阀开度过小、回油不畅等,需综合排查。





四、毛细管冰堵的诊断与排除方法   1、售后维修角度
当用户反映制冷设备"制冷效果差"、"压缩机频繁启停"、"霜层厚、化霜慢"等问题时,售后维修人员首先要怀疑是否发生了毛细管冰堵,继而采取针对性的诊断和排除措施。诊断可分为初步判断、精确定位和原因分析三个步骤。


(1)初步判断
通过观察设备外观和运行参数,对毛细管冰堵做初判。主要依据包括:蒸发器霜层厚且分布不均、吸气管结霜、毛细管表面温度低于0℃、压缩机排气温度和电流显著高于标称值、冷凝压力显著低于环境饱和压力等。若上述特征同时出现,则毛细管冰堵的可能性很大。


(2)精确定位
在初判的基础上,进一步拆开设备,对毛细管进行检查。首先,目测毛细管有无变形、脱焊等机械损伤。然后,用电子听诊器沿管路移动,听有无"沙沙"异响,判断冰堵位置。最后,用红外测温仪扫描毛细管表面,寻找低温异常点,标定冰堵节点。


(3)原因分析
找出冰堵节点后,还需分析其形成原因,以便有针对性地制定维修方案。常见的分析手段有:取少量堵塞物,对其成分进行化验,若发现大量铜粉、油泥等固体颗粒,说明可能是杂质污染或系统老化磨损所致;若主要是冰屑,则需进一步用露点仪测量制冷剂含湿量,若超标,需用干燥剂吸附;同时,还要检查冷凝器和蒸发器的热交换效率,若明显降低,则说明过冷和过热度不足。


在查明原因后,售后人员可有的放矢地制定维修方案,通常包括以下几种。


(1)加热清洗
对于轻微冰堵,可采用加热融化的方法疏通。具体做法是:将毛细管两端与系统断开,外包加热带,通电加热至80℃左右;持续10min,直到堵塞物完全融化;然后,将高压氮气(1MPa)分别从毛细管两端通入,吹净管内残留物,重复2次;最后,用压缩空气吹干,恢复安装。该方法简单快速,但仅适用于冰堵量较少的情况。


(2)化学清洗
当毛细管内堵塞严重,无法用加热融化时,可采用化学试剂溶解的方法。首选溶剂是乙醇,其次是丙酮、四氯乙烯等。操作时先将毛细管浸没在溶剂中,超声振荡30~60min;取出吹干后,注入高压溶剂,静置24h以上;最后用高压氮气反复吹洗,直至管内洁净。化学清洗适用于除冰、除蜡、除油污等多种堵塞,但有一定的环保和健康风险。


(3)更换
当清洗无效或毛细管严重变形时,只能更换新件。更换时要做到"一个都不能少":毛细管及其紧邻的截止阀、干燥过滤器、集液器等附件设施均需一并更换,以祛除管路死角的污染源;冲洗管路、检漏、抽真空、充注制冷剂等安装调试步骤要严格到位,确保系统的清洁和密封。同时,要做好拆旧件的清点和鉴定,为事后的故障诊断和设计改进提供依据。



五：系统设计优化角度   
从设计优化的角度预防毛细管冰堵,可从管径选择、附件匹配、系统工艺、在线监测等方面入手。
(1)毛细管管径优化
管径是影响毛细管内气液两相流动稳定性的关键参数。管径过大,气液流速低,界面波动剧烈,易产生夹带流和分层流;管径过小,虽然有利于环状流的形成,但摩擦阻力大,压降沿程变化剧烈。因此,优化管径需在流型与阻力之间寻求平衡。Melo等[16]提出了一种简化设计准则:
d=(3.64Qmμ0.22ρ-0.65ΔT-0.73)/L0.54
式中,d为管内直径(mm),Qm为质量流量(kg/h),μ为动力粘度(cP),ρ为密度(kg/m3),L为管长(m),ΔT为过冷度(K)。该公式综合考虑了流动阻力和传热效应,可作为毛细管设计的参考。


(2)集液器与干燥过滤器优选
集液器的作用是汇集冷凝液并分离气相,干燥过滤器的作用是吸附水分和过滤杂质。二者的容积、结构、填料直接影响分离和净化效果。就集液器而言,其容积应不小于系统制冷剂充注量的1.2倍[17];入口宜采用切向布置,强化旋流分离;出口应高于入口,避免气相短路。就干燥过滤器而言,需匹配毛细管的流量,并预留1.5~2倍的余量[18];优选高比表面、低迁移率、强吸附的分子筛填料;并应适时再生更换,避免饱和失效。


(3)节流工况与蒸发过热度匹配
节流工况的稳定是抑制毛细管冰堵的重要保证。一方面,冷凝压力应尽可能恒定在设计值,可采用冷凝风机变频控制等措施,减少波动。另一方面,过冷度应维持在12K,可采取在冷凝器出口设置附加过冷器的方式[19],延长过冷段。与之相适应,还需控制蒸发过热度在4K,避免过热引起的制冷剂分解和水析出。可在蒸发器与压缩机之间设置内部换热器,利用压缩机排气显热对吸气蒸汽的适度过热[20]。


(4)水含量在线监测与自动控制
设计在线水含量监测与自动控制系统,是抑制冰堵的创新途径。传统的水含量检测多采用离线取样,滞后性大;而自动控制则依赖干燥过滤器的被动吸附。因此,亟需开发在线水分传感器和集成控制系统。一种可行的方案是:在毛细管入口前串联一支旁路,内置高分子电容式水分传感器,实时监测过冷液的含湿量;控制器根据水含量与冰堵临界值(20ppm)的偏差,结合干燥过滤器饱和特性曲线,调节电子膨胀阀开度,旁通一部分过冷液至蒸发器;同时,控制电磁切换阀的动作,周期性地更换干燥过滤器[21]。该系统可实现制冷剂干燥度的自适应控制,有效降低冰堵风险。




六：典型应用实例   1、家用空调毛细管冰堵诊断与维修
67%的家用空调采用毛细管节流,因此冰堵现象多发。以某用户家中的一台壁挂式空调为例,其制冷量3500W,使用R22制冷剂。投诉"制冷效果变差,压缩机频繁启停"。
维修人员首先观察到蒸发器霜层厚度不均,局部达5mm,且呈淡黄色,判断可能是冰堵所致。进而,测得冷凝压力仅为1.2MPa,而环境温度下的R22饱和压力应为1.5MPa,由此推断冷凝不充分,过冷度不足。最后,拆开空调后发现,毛细管表面有多处冰斑,沿程最低温度-5℃,进一步证实了冰堵诊断。
检修中,技术人员先用工业电吹风加热毛细管至常温,内部冰堵开始融化,但吹出的冰屑中夹杂较多黑色碎屑。化验表明,黑色碎屑主要是含碳颗粒,应是压缩机润滑油的裂解产物。据此,判断该空调系统油污严重,需要对毛细管进行彻底清洗。
清洗过程为:将毛细管浸没于四氯乙烯溶液中,超声波清洗1h;高压氮气反复吹洗,直至无杂质析出;真空干燥6h后,重新安装并连接空调系统;更换干燥过滤器,抽真空至-0.1MPa,充注制冷剂1.2kg。清洗后,空调运行恢复正常,冷凝压力回升至1.6MPa,蒸发器结霜均匀,压缩机平稳运行。


2、冰箱毛细管-蒸发器一体化设计优化
某两门直冷电冰箱采用R600a制冷剂和毛细管节流,其冷冻室容积100L,冷藏室容积120L。投诉"结霜多,耗电快,噪音大"。
技术人员现场测试,发现冷凝压力和蒸发压力不稳定,波动范围达20%。拆开后,发现毛细管表面结霜严重,最厚处8mm,堵塞已达70%。同时,发现蒸发器翅片结霜也较重,证实系统过冷和过热都不理想。据此,排除了杂质污染因素,而将矛头指向了膨胀节流和蒸发换热。
优化设计方案为:采用毛细管-蒸发器一体化结构,在蒸发器进口处设置一段与铝翅片齐平的毛细管,并紧贴箱体内壁布置。在蒸发进口与毛细管出口间设一段附加毛细管,缠绕于蒸发管外壁,内插干燥过滤棉。蒸发完成后,采用逆流式内部换热器,余热过冷与吸热过热互为补偿。
这种一体化设计有三大优点:首先,毛细管直接"抱"在蒸发器进口,减少了不必要的连接管长,节省了布置空间;其次,出口段毛细管利用箱内自然对流强化过冷,抑制了结冰倾向;第三,内插干燥棉可持续吸附,免除了集液器,而内部换热器又调和了节流/蒸发的"冷热矛盾"。
经测试,优化后,电冰箱的冷凝/蒸发压力波动减小到5%以内,蒸发温度提高3K,日耗电量下降15%,噪声降低5dB,使用寿命延长1倍以上,整机制造成本也降低了5%。该设计已申请国家发明专利,并在多个系列产品中推广应用。








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