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摘要

保證冷凍油源源不斷地返回壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的課題之一。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，開發(fā)了一種低成本的多臺(tái)制冷壓縮機(jī)自動(dòng)均油回路，它不僅生產(chǎn)制造容易，維修、更換配件方便，而且對(duì)壓縮機(jī)安裝無(wú)任何特殊要求。理論分析了此自動(dòng)均油回路對(duì)變頻空調(diào)系統(tǒng)回油性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此自控裝置性能可靠、可用于大、中型變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng)。

關(guān)鍵詞:壓縮機(jī)，均油，毛細(xì)管

ABSTRACT

Itisoneofthemostimportantproblemstoassurelubricatingilofreturningtothecompressorsallthetime.Anautomaticallybalancingoilloopinmulti-compressorssystemisinventedtomakeupthedeficiencyoftechnologiesusedbefore.Ithassuchadvantagesaslowcost,easymanufactur,freelyexchangingpartsetc.Andithasnospecialrequirementtothesettingpositionofcompressors.Theinfluenceontheperformanceofvariablerefrigerantvolumeairconditioningsystemisanalyzedintheory.Andtheexperimentresultsshowthatthisdevicehasreliableperformanceandcanbeusedinlargeandmediumsystems.

KEYWORDS:compressor;balancingoil;capillary

符號(hào)說(shuō)明

ρ：介質(zhì)密度，kg/m3

u：介質(zhì)流速，m/s

p：介質(zhì)壓力，Pa

z：沿流向毛細(xì)管的長(zhǎng)度坐標(biāo)，m

τ0：介質(zhì)在內(nèi)壁面的剪切力，Pa

S：毛細(xì)管內(nèi)壁面的濕周，m

A：毛細(xì)管內(nèi)部橫截面積，m2

Cp：比熱，J/（kg·℃）

d：毛細(xì)管內(nèi)徑，m

T：介質(zhì)溫度，℃

Twi：毛細(xì)管內(nèi)壁面溫度，℃

α0：介質(zhì)與內(nèi)壁的換熱系統(tǒng)，W/（m2·℃）

q：毛細(xì)管內(nèi)壁面的熱流密度，W/m2

f：壓縮機(jī)頻率，Hz

1引言

在制冷系統(tǒng)中，壓縮機(jī)工作時(shí)，必定有一少部分冷凍油會(huì)連續(xù)不斷地從氣缸中與制冷劑一起被壓出，進(jìn)入制冷系統(tǒng)的管路及冷凝器和蒸發(fā)器中。當(dāng)冷凍油不能連續(xù)地返回壓縮機(jī)時(shí)，一定會(huì)造成壓縮機(jī)油面下降，及至冷凍油枯竭，出現(xiàn)壓縮機(jī)缺油燒毀現(xiàn)象。所以保證冷凍油源源不斷地返回壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的課題之一。

在只有一臺(tái)壓縮機(jī)的氟里昂制冷系統(tǒng)中，只要采用必要的措施，如采用合理的管路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)各部位形成穩(wěn)定的油量分布后，冷凍油會(huì)順利地通過(guò)壓縮機(jī)吸氣管返回曲軸箱，使壓縮機(jī)保持正常工作油面。而在負(fù)荷變化寬的氟里昂制冷系統(tǒng)中，使用單臺(tái)壓縮機(jī)僅采用啟?？刂谱鳛槟芰空{(diào)節(jié)措施往往不能適應(yīng)負(fù)荷劇烈變化的需要。所以將多臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)使用在同一制冷系統(tǒng)中，不僅可以拓寬制冷系統(tǒng)的容量范圍，降低啟動(dòng)電流，延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命，還能大幅度地簡(jiǎn)化系統(tǒng)，降低投資成本。但是，在同一制冷系統(tǒng)中使用多臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)，存在著冷凍油能否順利返回各臺(tái)壓縮機(jī)制的問(wèn)題。為此，在制冷系統(tǒng)中，一般所采取的措施是在兩臺(tái)壓縮機(jī)殼體間連接有管徑較大的均油管和管徑較小的均壓管；或在此基礎(chǔ)上在每臺(tái)壓縮機(jī)的排氣管上增設(shè)一個(gè)油分離器，大部分冷凍油經(jīng)油分離器分離后，通過(guò)減壓毛細(xì)管流回壓縮機(jī)吸氣管，以減少進(jìn)入系統(tǒng)管路及蒸發(fā)器的油量，而使各壓縮機(jī)間均油[1]。這種均油方法一般適用于幾何尺寸相同的兩臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)使用的場(chǎng)合。當(dāng)壓縮機(jī)多于兩臺(tái)時(shí)，各壓縮機(jī)間連接粗大的均油管和均壓管，不僅會(huì)給生產(chǎn)、運(yùn)輸帶來(lái)麻煩，維修、更換配件也極不方便，而且當(dāng)兩臺(tái)壓縮機(jī)體積不同時(shí)，為保證油面一致，要求壓縮機(jī)的安裝高度也不一致，這樣給安裝又帶來(lái)困難。另一種方法是在各壓縮機(jī)排氣管上設(shè)置油分離器，油分離器再與設(shè)置的電磁閥相接而形成油路平衡管，再通過(guò)壓縮機(jī)的內(nèi)置油面?zhèn)鞲衅鱽?lái)的信息控制電磁閥的開閉，以控制冷凍油油面[2]。當(dāng)壓縮機(jī)富油時(shí)，對(duì)應(yīng)電磁閥關(guān)閉，缺油時(shí)開啟，前油分離器中的冷凍油將向后壓縮機(jī)供油，反之亦然。但這種方法需要對(duì)制造商提出壓縮機(jī)內(nèi)設(shè)置油面?zhèn)鞲衅饕蠛蟛拍軐?shí)現(xiàn)，同時(shí)需要與電磁閥配合使用，其可靠性取決于油面?zhèn)鞲衅骱碗姶砰y的品質(zhì)，因而使成本大幅度提高。針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，本文提出了一種低成本的多臺(tái)制冷壓縮機(jī)均油自動(dòng)均油回路。

2自動(dòng)均油回路的結(jié)構(gòu)原理

多臺(tái)制冷壓縮機(jī)自動(dòng)均油回路，由多臺(tái)機(jī)殼內(nèi)為高壓油的壓縮機(jī)及各壓縮機(jī)所配帶的油分離器、單向閥、節(jié)流器、節(jié)流器、貯油包等組成，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，所述各壓縮機(jī)的殼體上設(shè)有出油口并與所設(shè)貯油包進(jìn)口相接，各貯油包的出口分別交錯(cuò)與所設(shè)均油管A和均油管B相接。各壓縮機(jī)的排氣口與油分離器相接，油分離器的上出口與單向閥進(jìn)口相接，各單向閥的出口與去冷凝器的排氣管相接，各油分離器的下出口與節(jié)流器進(jìn)口相接，各節(jié)流器出口與來(lái)自蒸發(fā)器的吸氣管相接后進(jìn)入各自壓縮機(jī)的吸氣口并引出接管。各接管交錯(cuò)分別與均油管B和均油管A相接，均油管B設(shè)有充油口。各接管與均油管A或者均油管B連接段也設(shè)有節(jié)流器，對(duì)均油管A與均油管B的安裝高度并無(wú)特殊要求。

1回油管

2單向管

3油分離器

4節(jié)流器

5壓縮機(jī)

6貯油包

7截止閥

8充油閥

9均油管A

10均油管B

11節(jié)流器

圖1多臺(tái)制冷壓縮機(jī)均油自控裝置原理圖

由于采用上述各元件、部件的組合結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系，在不增設(shè)油面?zhèn)鞲衅?、電磁閥的情況下，僅有管道、節(jié)流器等無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，可使多臺(tái)制冷壓縮機(jī)自動(dòng)均油。與現(xiàn)有技術(shù)相比，它不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，維修、運(yùn)輸、更換配件方便，對(duì)壓縮機(jī)安裝無(wú)特殊要求的特點(diǎn)，而且?guī)缀醪辉黾映杀?。適用于多臺(tái)、不同形式、不同大小的制冷壓縮機(jī)之間的均油。

在油分離器（3）中被分離出的冷凍油，經(jīng)節(jié)流器（4）降壓后返回各自壓縮機(jī)（5）中。未被油分離器（3）分離出的油經(jīng)單向閥（2）隨制冷劑一同進(jìn)入冷凝器、蒸發(fā)器和系統(tǒng)管路中。當(dāng)系統(tǒng)各部位存在一個(gè)均勻油量分布后，來(lái)自蒸發(fā)器的油，經(jīng)吸氣管返回各壓縮機(jī)。由于返回各臺(tái)壓縮機(jī)的油量不可能均勻，即出現(xiàn)某壓縮機(jī)富油或者缺油的現(xiàn)象。當(dāng)某臺(tái)壓縮機(jī)富油，即超過(guò)其正常工作油位時(shí)，冷凍油則沿其殼體上所設(shè)出油口流入貯油包（6）和與之相連的均油管A（9）或者均油管B（10）中。在均油管A或B中貯存的冷凍油，其壓力近似為壓縮機(jī)的排氣壓力，在壓差的作用下，又經(jīng)節(jié)流器（11）回到缺油壓縮機(jī)的吸氣管中，缺油的壓縮機(jī)連續(xù)不斷地回收到富油壓縮機(jī)多余的冷凍油，使其油位回升到正常的工作油位范圍，保證每臺(tái)壓縮機(jī)正常工作。在整個(gè)均油自控裝置中，如果僅有部分壓縮機(jī)工作時(shí)，系統(tǒng)中存留的油，將會(huì)回到運(yùn)轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)中。當(dāng)出現(xiàn)富油現(xiàn)象，多余的油將會(huì)存貯在貯油包（6）和與之相連的均油管A或者B中。原來(lái)停止工作的壓縮機(jī)啟動(dòng)后，短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)缺油現(xiàn)象，此時(shí)由于吸氣管的低壓抽吸，從富油壓縮機(jī)的貯油包和均油管A或者B中補(bǔ)足所需的冷凍油。

自動(dòng)均油回路中的節(jié)流器在通常情況下采用毛細(xì)管，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，運(yùn)行可靠。

3回油毛細(xì)管的數(shù)學(xué)模型

在壓縮機(jī)吸收、排氣壓力差的作用下，液態(tài)冷凍油通過(guò)毛細(xì)管自動(dòng)地從油分離器返回壓縮機(jī)吸氣管，或從富油壓縮機(jī)高壓殼體內(nèi)流向欠油壓縮機(jī)吸氣管內(nèi)。當(dāng)油面低于毛細(xì)管出口時(shí)，高壓制冷劑蒸氣將會(huì)經(jīng)毛細(xì)管旁通至壓縮機(jī)吸氣管，過(guò)多的高壓氣體返回壓縮機(jī)將造成系統(tǒng)的制冷能力下降，壓縮機(jī)排氣溫度升高，所以毛細(xì)管的內(nèi)徑和長(zhǎng)度的確定至關(guān)重要。由于回油毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)的介質(zhì)是冷凍油或高壓制冷劑蒸氣，均屬于單相流動(dòng)。但因流動(dòng)介質(zhì)與外部空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，使介質(zhì)沿流方向溫度逐漸降低，且油和制冷劑蒸氣的密度和粘度隨溫度變化顯著，故不可忽視換熱對(duì)流動(dòng)的影響。

對(duì)毛細(xì)管內(nèi)介質(zhì)單相流動(dòng)建模之前作如下的假設(shè)：（1）介質(zhì)流動(dòng)為一維流動(dòng)；（2）在管路流動(dòng)斷面上物性均一；（3）物性僅沿流動(dòng)方向上發(fā)生變化；（4）不考慮重力對(duì)流動(dòng)的影響。故：

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

若油分離器的毛細(xì)管設(shè)置在其內(nèi)部，那么油與制冷劑蒸氣的溫度變化很小，而將毛細(xì)管設(shè)置在外部的室外機(jī)機(jī)箱內(nèi)，則因油與制冷劑蒸氣與外界空氣換熱引起溫度降低，對(duì)介質(zhì)粘度和密度有較大的影響。

4計(jì)算

制冷劑蒸氣被壓縮時(shí)，也會(huì)帶走一部分油，制冷劑的帶油量很大程度取決于壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)。對(duì)于全封閉壓縮機(jī)而言，文獻(xiàn)[3]指出，油在排氣中的質(zhì)量百分比不超過(guò)百分之零點(diǎn)幾；比利時(shí)列日大學(xué)通過(guò)不同實(shí)驗(yàn)方法研究了壓縮機(jī)排氣的帶油量，實(shí)驗(yàn)表明，油在排氣中的質(zhì)量百分比為1%～2%，且各種測(cè)試方法的誤差率在20%～30%以內(nèi)[4]。當(dāng)壓縮機(jī)容量變化時(shí)，其排氣量和帶油量變化時(shí)，其排氣量和帶油量均隨之變化。本文對(duì)兩臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)使用的自動(dòng)均油回路所采用的毛細(xì)管進(jìn)行了理論分析，并通過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其應(yīng)用效果。

4．1壓縮機(jī)參數(shù)

在計(jì)算和實(shí)驗(yàn)中，采用了兩臺(tái)壓縮機(jī)，其一為變頻壓縮機(jī)，另一臺(tái)為定速壓縮機(jī)。其參數(shù)見表1。

表1壓縮機(jī)參數(shù)變頻壓縮機(jī)定速壓縮機(jī)

活塞排量Vh/(mL/rev)23.341.6

頻率f/Hz15-12050

充油量Goil/mL6001350

機(jī)體高度/mm312.5374.3

機(jī)體直徑/mm129.6158

制冷劑種類HCFC22

冷凍油種類SUNISO4GSD-T

4．2回油毛細(xì)管尺寸與可變因素的關(guān)系

以油在排氣中的質(zhì)量百分比1.5%為基準(zhǔn)，計(jì)算在壓縮機(jī)頻率、吸排氣壓差和毛細(xì)管內(nèi)徑、入口油溫度變化時(shí)欲將排氣帶油完全返回所必需的毛細(xì)管長(zhǎng)度，其結(jié)果如圖2所示。當(dāng)壓縮機(jī)頻率、吸排氣壓差和毛細(xì)管內(nèi)徑為定值時(shí)，隨著入口油溫的升高，毛細(xì)管長(zhǎng)度劇增，這主要是由于油在高溫時(shí)粘度急劇降低所致；當(dāng)其它因素不變時(shí)，壓縮機(jī)頻率降低，還油量相應(yīng)減少，其毛細(xì)管長(zhǎng)度減小；當(dāng)壓差或毛細(xì)管內(nèi)徑增大，在返回相同質(zhì)量的油時(shí)所需毛細(xì)管亦將增長(zhǎng)。

圖2各因素變化時(shí)所必需的毛細(xì)管長(zhǎng)度

一旦選定毛細(xì)管的幾何尺寸（如圖2（b）中的線），壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中能否順利返油將取決于毛細(xì)管入口油溫和壓縮機(jī)頻率于吸排氣壓力差。在線以下的區(qū)域不能順利返油，多余的油將存貯在油分離器或另一臺(tái)壓縮機(jī)的貯油包內(nèi)，若將油分離器的回油毛細(xì)管放置在其內(nèi)部，將有利于壓縮機(jī)順利返油。反之，在線以上的區(qū)域則能順利返油，但毛細(xì)管相對(duì)于帶油量所需長(zhǎng)度短，故將會(huì)有部分排氣夾帶著油滴經(jīng)此毛細(xì)管一同返回壓縮機(jī)回氣管，由于有部分排氣被旁通返回，將會(huì)造成制冷系統(tǒng)能力下降。故合理選用毛細(xì)管幾何尺寸至關(guān)重要。

4．3制冷劑旁通率

當(dāng)毛細(xì)管長(zhǎng)度小于帶油量所需長(zhǎng)度時(shí)，部分排氣將夾帶著油滴返回壓縮機(jī)。如果假想油與制冷劑蒸氣間歇返回，則以制冷劑蒸氣單相返回時(shí)的旁通率如圖3所示。從圖中可以看出，高低壓差越大、壓縮機(jī)頻率越低、壓縮機(jī)排氣溫度越高或毛細(xì)管短短，其旁通率越大；在壓差小于1.3Mpa、壓縮機(jī)高頻運(yùn)行時(shí)，其旁通率隨壓差的變化有微小上升，但壓差繼續(xù)增大時(shí)，旁通率有明顯上升趨勢(shì)。

圖3回油毛細(xì)管的排氣旁通率

4．4應(yīng)用效果

在空調(diào)用制冷裝置中，壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)其油溫通常高于60℃，工作壓差為（1.0～2.0）Mpa。從圖2中的數(shù)據(jù)看，在油分離器內(nèi)部及兩臺(tái)壓縮機(jī)之間均選用內(nèi)徑為1.5mm，長(zhǎng)度為3.15m的毛細(xì)管作為回油自控裝置的節(jié)流器使用時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的大部分能順利返油。在返油的過(guò)程中，制冷劑蒸氣與油呈氣油兩相狀態(tài)在毛細(xì)管內(nèi)部流動(dòng)，由于存在臨界流動(dòng)現(xiàn)象，其排氣旁通率應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于圖3中的數(shù)據(jù)。

筆者在上述兩臺(tái)壓縮機(jī)組成的變頻一拖多空調(diào)系統(tǒng)中采用了此回油自控裝置，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)壓縮機(jī)體上的油面鏡觀察油面變化情況，該裝置能在壓縮機(jī)的不同組合條件（①只開定速機(jī)，②不開定速機(jī)、變頻機(jī)變頻運(yùn)行，③二者組合運(yùn)行）下長(zhǎng)時(shí)間、安全運(yùn)行，使工作油面隨時(shí)穩(wěn)定在正常油位范圍內(nèi)。在室內(nèi)負(fù)荷較小而壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低頻運(yùn)行時(shí)，由于壓差降低，油分離器及室內(nèi)機(jī)內(nèi)部的冷凍油不能順利返回，需要在低頻連續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后進(jìn)行高頻短期運(yùn)行，以保證系統(tǒng)安全回油。

5結(jié)論

(1)本文針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，開發(fā)了一種低成本的多臺(tái)制冷壓縮機(jī)自動(dòng)均油回路，它不僅生產(chǎn)制造容易，維修、更換配件方便，而且對(duì)壓縮機(jī)安裝無(wú)任何特殊要求。

(2)建立毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)模型，計(jì)算并分析了此自動(dòng)均油回路對(duì)變頻空調(diào)系統(tǒng)回油性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此自控裝置性能可靠，可用于大、中型變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng)。

(3)由于順利返油過(guò)程是一個(gè)氣油兩相流動(dòng)過(guò)程，需仔細(xì)研究此流動(dòng)過(guò)程以及排氣旁通率，以便準(zhǔn)確掌握回油毛細(xì)管對(duì)系統(tǒng)特性的影響。

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