大容量定速空調機油分離器設計必要性的分析研究

梁愛云+孫祥斌

摘 要：為保證空調壓縮機的正常運轉，系統中必須有充足的冷凍油保障壓縮機潤滑，否則壓縮機會發生嚴重磨損和過熱而損壞。因此在進行制冷系統循環設計時，需要考慮系統潤滑油能否順利返回壓縮機，是否需要追加油分離器保證回油。該論文基于流體力學基本原理，建立回油模型，根據潤滑油的凈體積流量為零和制冷劑蒸汽速度與油氣界面速度的關系，獲得制冷劑蒸汽的最小回油速度，并與系統實際運行時制冷劑最小蒸汽速度做比較，計算得出空調機在進行系統設計時是否需要追加油分離器進行回油。

關鍵詞：潤滑油 回油模型 最小回油速度 制冷劑蒸汽速度

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（c）-0028-03

空調系統運行時，壓縮機的一部分潤滑油溶于制冷劑中進入冷凝器、蒸發器等部件，如果有較多的潤滑油積存到系統部件而不能回到壓縮機的話，壓縮機將會因缺油而不能正常工作[1]。

對于大容量定速空調機而言，長配管時室內外機組的連接管路長，回油是比較困難的。但設計簡單、成本低廉一直是定速空調機的特點及優點，若單從試驗驗證確認回油可靠性問題，會浪費大量的人力物力資源，因此設計之初考慮系統回油問題是非常有必要的。

該研究是根據流體力學基本原理，建立回油模型。在極限情況下，當制冷劑蒸汽帶動上升的潤滑油體積流量等于由于重力作用導致下降的潤滑油體積流量，即潤滑油凈體積流量為零時，得出最小回油速度。另外通過回油模型在吸氣管中的應用得出實際運行時最小制冷劑蒸汽速度，與計算得出的最小回油速度做比較，確認產品設計是否滿足回油要求。

1 回油模型

1.1 制冷、制熱循環中制冷劑狀態與冷凍油的分布情況

壓縮機在運轉時，制冷劑的排氣溫度較高，部分冷凍油被汽化隨制冷劑氣體進入制冷系統。此外，壓縮機的高速氣流也易把冷凍油帶入制冷系統，進入冷凝器、蒸發器以及相應的管路，如果無法順利回到壓縮機將影響壓縮機可靠性。因此研究系統中制冷劑狀態與冷凍油的分布情況是研究回油問題的前提，也是回油模型建立的基礎。

制冷循環時，從壓縮機到室外機這一段管路中流動的是高溫高壓的高速制冷劑氣體。此時冷凍油呈現霧狀，和制冷劑蒸汽很好地混合在一起，且流速大、流程短，這一段管路中存儲的冷凍油很少。在室外機中，制冷劑由氣態冷凝成高溫液體，冷凍油也由氣態冷凝成液態，但這段管路流速還是很大的，因此從室外機到室內機這段管路也不會存油。液態制冷劑在室內機中逐漸蒸發，在室內機出口，制冷劑變成有一定過熱度的低溫低壓氣體，因為溫度較低，所以大部分冷凍油仍是液態。從室內機的過熱區到氣液分離器，這一段管路中冷媒低速流動，冷凍油的流動阻力較大，因此這一段管路中積存大量的冷凍油。在氣液分離器中，潤滑油和制冷劑通過吸氣管上的回油孔進入吸氣管，回到壓縮機。

制熱時從壓縮機排氣口到室內機這一段管路中流動的是高溫高壓的高速制冷劑氣體。此時冷凍油成霧狀，兩者很好地混合在一起，這一段管路上很少積存冷凍油。在室內機中，高溫高壓的氣體逐漸冷凝成高溫液體，冷凍油也冷凝成液態，這段管路制冷劑流速還是較高，因此積存的冷凍油也很少。液態制冷劑在室外機蒸發成低溫低壓氣體，而大部分的冷凍油仍是液態，從過熱區開始管路中流動的是低溫低速氣體，但由于管路很短，所以積存的潤滑油量不大，對整個系統影響較小。

1.2 影響回油的其他因素

（1）氣、液管管徑。

如果系統中連接管的管徑選用過大，在相同負荷和制冷劑量的情況下，管路中制冷劑流速就小，這樣會降低制冷劑的帶油能力，使回油更困難。

（2）制冷劑灌注量。

如果制冷劑灌注量過大，則系統中冷凍油會被稀釋，分布在系統中的潤滑油量就大，也影響系統回油。

（3）安裝。

設計時應盡量減小連接管的長度，避免彎頭和硬性彎頭。這樣可以降低回油阻力，減少管路中存油的地方。

綜上，制冷循環中從室內機過熱區到壓縮機這段管路易存油，是回油的關鍵所在，應該在制冷循環中建立回油模型。同時在獲取最小回油速度時，應結合實際考慮氣、液管管徑、制冷劑充灌量和安裝等影響因素。

1.3 回油模型建立

1.3.1 最不利回油截面的選取

該研究是基于8HP、10HP定速空調機來分析研究的，以判斷大容量定速空調機是否滿足回油要求。以8HP定速空調機為例進行說明，圖1為某一8HP定速空調機的系統循環結構圖。

根據1.1節分析，壓縮機回油困難主要發生在制冷運轉時蒸發器過熱區到壓縮機這一段管路中，同時若蒸發器的位置低于壓縮機且制冷劑流速低的情況下，回油將更加困難。該研究暫不考慮蒸發器與壓縮機的位置，僅從室外機系統循環結構進行分析研究。圖示8HP系統結構圖中連接氣分和壓縮機的吸氣管中有一段垂直管，在該垂直管中，潤滑油在重力的影響下不易隨制冷劑夾帶通過。CREMASCH[2]等研究表明，在同樣工況條件下，垂直管中潤滑油的積存量比水平管高50%，因此選取圖1示出位置即吸氣管進入壓縮機最后一個垂直管的末端作為最不利回油截面。

1.3.2 回油物理模型建立

以圖1中標識的最不利截面為研究對象，考慮蒸發器與壓縮機之間的垂直吸氣管路，潤滑油克服重力的影響隨制冷劑蒸汽向上運動，圖2為潤滑油在管內壁隨制冷劑運動的示意圖。

從實際計算的結果得出，制冷系統實際冷媒最小流速高于理論最小回油速度，即8HP定速空調機在現有結構設計下能夠滿足回油要求，不需要另外追加油分離器設計。

8HP定速空調機經實際試驗驗證結果也得出，在沒有回油措施的情況下，系統在不同工況、不同冷媒充注量、不同配管長度下均滿足回油要求，進一步驗證了理論分析的結果。

3 結語

該文通過選取系統中最不利回油截面及運行工況作為研究對象，建立回油模型方程組，獲得理論最小回油速度的計算公式，同時將理論最小回油速度與實際運行時制冷劑最小流速作比較，以確定現有系統設計能否滿足回油要求，通過實際計算8HP定速空調機驗證了最小回油速度在大容量定速空調機中應用的可行性。將回油問題置于空調設計之初分析確認，尤其對定速空調機而言，利于簡化系統設計和成本降低。

參考文獻

[1] 楊傳波，張薇，郭漪，等.制冷系統含油量對壓縮機工作性能影響的理論分析和試驗研究[J].制冷學報，2005，26（2）：19-23.

[2] CREMASCHI L.Experimental and theretical investigation of oil retention in vapor compression systems[D].Maryland：CEEE，Unibersity of Maryland，College Paark，2004.

[3] 張平，丁國良.制冷劑蒸汽最小回油速度模型及在垂直吸氣管設計中的應用[J].機械工程學報，2008，44（4）：179-183.