壓縮機(jī)儲液器回油孔設(shè)置對空調(diào)性能影響分析

王喜成

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

0 引言

房間空調(diào)器是小型空氣調(diào)節(jié)裝置，通過模式切換實(shí)現(xiàn)制冷量、制熱量輸出。影響空調(diào)設(shè)備能力輸出的影響因素很多，葉務(wù)占[1]從空調(diào)用分流器個體差異方面闡述其對空調(diào)性能一致性的影響，王喜成[2]從分流器結(jié)構(gòu)及擺放方式闡述對換熱器性能的影響，楊強(qiáng)、戴立生[3]則闡述了蒸發(fā)器親水性對空調(diào)性能的影響。以上研究從影響換熱器換熱量的因素出發(fā)進(jìn)行多方面論證，并提出了有效的改善措施。崔嵩、孟亞鵬等[4]研究了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與回油率對空調(diào)性能的影響，張永亮、眭敏[5]研究了滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)裝配間隙對空調(diào)性能一致性的影響。以上研究從壓縮機(jī)吐油、結(jié)構(gòu)裝配方面說明了影響因素。郭宋、洪宇峰等[6]從可靠性方面闡述了儲液器回油孔的重要性及設(shè)置要點(diǎn)，但未涉及回油孔設(shè)置對性能的影響。壓縮機(jī)的泵體零件氣缸、滾子等之間的配合面是制冷劑泄露的主要通道，通過潤滑油進(jìn)行密封和冷卻，如果潤滑油的密封性能變差，必然導(dǎo)致泄漏量增加，進(jìn)而影響空調(diào)制冷、制熱的性能輸出。文章通過對產(chǎn)品開發(fā)中遇到的問題進(jìn)行闡述、分析、以及優(yōu)化方案的驗(yàn)證，展現(xiàn)了回油孔的設(shè)置對空調(diào)性能的影響，為空調(diào)開發(fā)過程中同類問題的解決提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 性能異常現(xiàn)象

1.1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)配置如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)配置Table 1 Experimental prototype configuration

1.2 壓縮機(jī)儲液器回油孔

回油孔距離儲液器底面距離為標(biāo)記為H，如圖1 所示，未優(yōu)化前H=38mm。

圖1 壓縮機(jī)回油孔示意圖Fig.1 Schematic diagram of the compressor oil return hole

1.3 測試數(shù)據(jù)及測試現(xiàn)象

壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table 2 Compressor structure data

在室內(nèi)20℃/12℃，室外2℃/1℃工況下，以135Hz 運(yùn)行時(shí)，制熱量達(dá)不到5000W 的目標(biāo)要求，主要變現(xiàn)為制熱周期內(nèi)，排氣溫度高，開機(jī)的初期和末期室外機(jī)盤管溫度降低較大，運(yùn)行后期的制熱衰減量大，制熱量測試數(shù)據(jù)如表3 所示。測試峰值制熱量滿足目標(biāo)值（6100W），但周期平均制熱量偏低目標(biāo)值約455W，進(jìn)入化霜前制熱量僅4546W，相比峰值制熱量衰減約26.2%，運(yùn)行中后期制熱量衰減嚴(yán)重是導(dǎo)致制熱量低的主要原因。

表3 制熱量測試數(shù)據(jù)Table 3 Heating test data

樣機(jī)運(yùn)行過程中的關(guān)鍵參數(shù)排氣溫度、室外換熱器盤管溫度、電子膨脹閥開度變化如圖2、圖3所示。

圖2 排氣溫度、室外機(jī)盤管溫度變化圖Fig.2 Exhaust temperature,outdoor unit coil temperature change diagram

圖3 排氣溫度、膨脹閥開度變化圖Fig.3 Discharge temperature,expansion valve opening change chart

圖2 中樣機(jī)的排氣溫度上升的速度快，且幅度較開發(fā)經(jīng)驗(yàn)值（85℃左右）偏大約10℃，同時(shí)樣機(jī)的室外機(jī)盤管溫度在開機(jī)的前幾分鐘以及運(yùn)行周期的后期都有出現(xiàn)大幅降低。由于控制上是通過目標(biāo)排氣調(diào)節(jié)膨脹閥開度，樣機(jī)排氣偏高引起電子膨脹閥開度較開發(fā)經(jīng)驗(yàn)值偏大約40B，如圖3 顯示，節(jié)流變?nèi)踹M(jìn)而引起室外側(cè)換熱溫差減小，制熱量變低。

2 問題分析

2.1 理論推導(dǎo)

從上述現(xiàn)象推導(dǎo)出以下結(jié)論：

（1）機(jī)組以設(shè)置的目標(biāo)排氣溫度（85℃）為目標(biāo)進(jìn)行電子膨脹閥調(diào)節(jié)，直至接近目標(biāo)值，由于排氣偏高的幅度較大，所以運(yùn)行中膨脹閥一直開大，符合控制邏輯要求。

（2）排氣高可能的原因有：①吸氣比容大導(dǎo)致經(jīng)壓縮后排氣溫度高或者目標(biāo)排氣本身設(shè)置偏高不合理；②由于電機(jī)靠排氣和潤滑油流動冷卻，排氣的質(zhì)量流量變低，導(dǎo)致排氣溫度偏高。本次采用證偽法進(jìn)行推導(dǎo)排除，假設(shè)是第一種原因?qū)е屡艢飧撸敲磸睦碚撋现v，通過開大膨脹閥或者增加制冷劑量，又或者降低目標(biāo)排氣值可以有效改善制冷劑流量，進(jìn)而降低排氣溫度，提升制熱量。但是經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，開大膨脹閥開度、降低目標(biāo)排氣值以及增加制冷劑量，均沒有明顯改善，制熱量測試數(shù)據(jù)如表4、表5 所示，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不符合理論推導(dǎo)，假設(shè)不成立。

表4 調(diào)整膨脹閥開度及降低目標(biāo)排氣后制熱量測試數(shù)據(jù)Table 4 Adjust the expansion valve opening and reduce the heat generation test data after the target exhaust

表5 增加制冷劑量后制熱量測試數(shù)據(jù)Table 5 Heating test data after increasing the refrigerant dose

假設(shè)是第二種原因，結(jié)合膨脹閥開大和增加制冷劑量的影響因素排除，那么有可能是制冷劑泄露引起的實(shí)際的有效排量降低引起排氣偏高。究竟是什么因素導(dǎo)致的泄露呢？壓縮機(jī)滾子與法蘭、氣缸內(nèi)壁間隙是制冷劑泄露的主要通道，而配合面通過潤滑油進(jìn)行密封，如果潤滑油的溫度較高或者油量不夠，就會降低油膜厚度及潤滑油的流動性，進(jìn)而降低潤滑油的密封效果，導(dǎo)致泄露增加和排氣溫度升高。壓縮機(jī)的回油路徑主要有機(jī)內(nèi)回油、吸氣制冷劑混合帶油和壓縮機(jī)儲液器內(nèi)通過回油孔的回油，壓縮機(jī)的回油孔設(shè)置過高會增加回油的難度，再加上高頻下奔油量增多，可能會出現(xiàn)回油量不足問題，引起潤滑及密封效果變差，同時(shí)高頻運(yùn)行下壓縮機(jī)的運(yùn)行壓力比增大，加劇了泄露，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象符合理論推導(dǎo)，假設(shè)成立。

2.2 優(yōu)化驗(yàn)證

根據(jù)上述推導(dǎo)，優(yōu)化后回油孔高度H=18mm。理論上講，由于低頻下壓縮機(jī)的奔油量少，且儲液器內(nèi)容易匯聚較多的制冷劑，由于制冷劑的密度大于潤滑油的密度，降低回油孔高度后，液態(tài)制冷劑更容易優(yōu)先從回油孔進(jìn)入壓縮機(jī)泵體，降低泵體及排氣溫度。因此，在低頻下，優(yōu)化前、優(yōu)化后在同等條件下要達(dá)到同一目標(biāo)排氣，優(yōu)化后膨脹閥的開度相比優(yōu)化前要小一些，而且由于進(jìn)入泵體的制冷劑量增加，壓縮機(jī)做功也會有所上升。因此在驗(yàn)證方案上，設(shè)計(jì)了高頻（低溫制熱量）和低頻下的性能驗(yàn)證（中間制冷量/中間制熱量）。

優(yōu)化前排氣溫度高，如果僅調(diào)整回油孔位置，膨脹閥初始開度及目標(biāo)排氣值不變條件下，優(yōu)化后排氣溫度上升速度、初期抽吸導(dǎo)致的室外機(jī)盤管溫度降低幅度都會有所減小，但是目標(biāo)最優(yōu)排氣設(shè)置偏高，會導(dǎo)致運(yùn)行過程中膨脹閥開度不斷減小，低壓降低，造成運(yùn)行過程中結(jié)霜速度加快，引起制熱衰減快，如圖4 所示。

圖4 回油孔優(yōu)化前后運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)對比Fig.4 Comparison of key parameters of operation before and after oil return hole optimization

理論上分析，壓縮機(jī)潤滑油量增加后，可以更好的冷卻泵體和密封間隙，最優(yōu)排氣溫度會降低。基于此，對目標(biāo)排氣進(jìn)行下調(diào)，實(shí)際測試制熱量確有大幅提升，調(diào)整初始開度及目標(biāo)排氣后制熱量測試數(shù)據(jù)如表6 所示。

表6 調(diào)整初始開度及目標(biāo)排氣后制熱量測試數(shù)據(jù)Table 6 Adjust the initial opening and the heat generation test data after the target exhaustt

回油孔優(yōu)化及降低目標(biāo)排氣后，實(shí)際測試制熱量4895W，較優(yōu)化前制熱量增加349W，化霜前制熱量衰減率從26.2%降低至8%，運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)對比如圖5 所示。

圖5 回油孔優(yōu)化及降低目標(biāo)排氣后運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)Fig.5 The return hole optimizes and reduces the key parameters of operation after the target exhaust

從圖5 可以看出，增大初始開度且降低目標(biāo)排氣后，運(yùn)行過程中室外機(jī)盤管溫度的穩(wěn)定性變好，沒有出現(xiàn)大的波動。

低頻下（中間制冷量/中間制熱量）的驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表7 所示。數(shù)據(jù)趨勢符合預(yù)期推導(dǎo)，從側(cè)面佐證了壓縮機(jī)缺油對空調(diào)性能的影響的理論分析的正確性。

表7 優(yōu)化后低頻性能測試數(shù)據(jù)Table 7 Optimized low-frequency performance test data

3 總結(jié)

壓縮機(jī)作為空調(diào)系統(tǒng)的主要核心部件，決定著制冷空調(diào)系統(tǒng)的性能和使用壽命，壓縮機(jī)中的潤滑油主要起到潤滑、冷卻和密封等作用。壓縮機(jī)運(yùn)行最怕的是缺油，缺油一方面對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部件的磨損、電機(jī)的溫升退磁都會帶來不可逆的損傷，另一方面密封性和流動性變差，會引起制冷劑泄露增大及泵體的冷卻效果變差，排氣溫度升高，大大降低壓縮機(jī)的容積效率，增加能耗，對空調(diào)的性能輸出產(chǎn)生較大的影響。一般在出現(xiàn)壓縮機(jī)部分缺油（缺油量不至于引起旋轉(zhuǎn)部件卡死）時(shí)，外在表征上較開發(fā)經(jīng)驗(yàn)往往是性能輸出較大下降、排氣溫度較大升高，因此在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中，遇到上述的異常特征時(shí)，除了核查導(dǎo)致上述現(xiàn)象的節(jié)流裝置是否堵塞、制冷劑充注量是否充足外，壓縮機(jī)的回油效果確認(rèn)也不可忽視。

壓縮機(jī)的回油主要包括機(jī)內(nèi)循環(huán)回油和空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)回油。其中在空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)回油中，儲液器回油孔的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，要充分結(jié)合高頻回油效果、低頻回液效果進(jìn)行綜合評估。