高落差長配管安裝形式對空調(diào)系統(tǒng)的影響

文/徐亮、張蕾、米廷燦 上海日立電器有限公司 (201206)

一、引言

家用空調(diào)器在室內(nèi)外機(jī)高差較大，配管長度較長的安裝條件下，對空調(diào)系統(tǒng)性能有一定的影響。目前，國內(nèi)主要空調(diào)廠商對家用空調(diào)器在室內(nèi)外機(jī)安裝高差和連接配管長度方面沒有統(tǒng)一的限制，類似可供參考的試驗結(jié)果及分析比較少。故本文通過實際安裝的空調(diào)器進(jìn)行試驗分析。

本文重點介紹空調(diào)器在高落差長配管的安裝形式下，管路壓損對空調(diào)系統(tǒng)的影響，并且提出相應(yīng)的對策。同時介紹高落差長配管安裝情況下的壓縮機(jī)回油及壓縮機(jī)啟動現(xiàn)象分析。

二、高落差長配管安裝形式對空調(diào)系統(tǒng)的影響

空調(diào)器的高落差長配管有兩種安裝形式:室外機(jī)在下、室內(nèi)機(jī)在上和室外機(jī)在上、室內(nèi)機(jī)在下。對上述兩種安裝形式對空調(diào)系統(tǒng)的影響及相應(yīng)的對策歸納如表1所示。

表1

三、高落差長配管安裝形式下空調(diào)器的試驗

這次進(jìn)行高落差長配管試驗的空調(diào)器有兩臺:分別為室外機(jī)低置和室外機(jī)高置兩種形式。圖1為上述兩臺空調(diào)器連接管路的溫度、壓力測壓點布置示意。

進(jìn)行試驗的空調(diào)器均選取為3.8kW定速柜機(jī)，壓縮機(jī)選用3.8kW滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)。

圖1 試驗空調(diào)器安裝示意

根據(jù)3.8kW定速柜機(jī)的安裝要求，室外機(jī)高置形式的空調(diào)器:每隔一定的高度設(shè)置一回油彎，保證空調(diào)器停機(jī)后啟動瞬間，壓縮機(jī)能吸到足夠的潤滑油，而不至于發(fā)生缺油咬缸現(xiàn)象。

同時確定其加液量:一定管長（20m）以內(nèi)不需增加制冷機(jī)；該長度以外的，按照每米增加120g制冷劑的要求添加冷媒量。

以上內(nèi)容見表2所列。

表2

四、高落差長配管安裝形式下空調(diào)器試驗結(jié)果分析

高落差長配管安裝形式下的兩臺3.8kW空調(diào)器:室外機(jī)低置和室外機(jī)高置兩種形式，分別安裝在不同地點進(jìn)行壽命考核。

上述兩臺高落差長配管安裝形式下空調(diào)器的制冷運(yùn)行工況，室外工況條件:28～37℃，兩臺空調(diào)器運(yùn)行時間為5月份～8月份。表3為制冷運(yùn)行的一些數(shù)據(jù)測試結(jié)果，數(shù)據(jù)采集點位置見圖1所示。

以下分析制冷工況下，室內(nèi)外機(jī)連接的管路壓損。

1.通過lgP－h(huán)圖分析制冷工況壓損對空調(diào)系統(tǒng)影響

室外機(jī)在下、室內(nèi)機(jī)在上的高低落差長配管試驗中，上下連接管的管路壓損是系統(tǒng)中的主要壓損。制冷工況下，由于上下連接管路大落差，管路較長，受重力影響的壓損占上下管路壓損的絕大部分，該壓損使蒸發(fā)壓力大幅下降（見表3），進(jìn)一步使蒸發(fā)溫度下降，壓縮機(jī)吸氣比容u1上升，制冷劑單位容積制冷能力 下降。同時，在高落差長配管試驗中，一般會通過多增加制冷劑來保證空調(diào)器冷量，這就使壓縮機(jī)排氣壓力上升。

圖2 lgP-h圖

壓縮機(jī)單位容積制冷能力 ，因比容u1增大，h1-h4減小，故單位容積制冷能力qu下降。同時壓縮機(jī)排氣壓力上升，空調(diào)系統(tǒng)冷凝壓力上升，壓縮機(jī)功耗wc= h2'-h1'增加，壓縮機(jī)制冷能效比下降。

故空調(diào)系統(tǒng)制冷量和能效比同樣下降，空調(diào)器整體制冷性能下降。

2.高落差長配管安裝形式對空調(diào)系統(tǒng)影響

(1) 空調(diào)器實際運(yùn)行中管路大壓損對空調(diào)系統(tǒng)的影響

① 室內(nèi)外機(jī)安裝形式不同，管路壓損影響程度不同。

表3

由于制冷機(jī)流向不同，液態(tài)制冷機(jī)受重力影響的重力壓損對管路壓損的作用不同。由上述數(shù)據(jù)推算，室外機(jī)低置安裝形式的高落差長配管空調(diào)系統(tǒng)的豎直管路每米平均壓損較室外機(jī)高置安裝形式的高落差長配管空調(diào)系統(tǒng)的豎直管路每米平均壓損大，前者的豎直管每米平均壓損為0.016MPa/m，而后者為0.009MPa/m，相對小些。

由此可知，室外機(jī)低置安裝形式的高落差長配管空調(diào)系統(tǒng)可適當(dāng)?shù)亟档桶惭b高度，減輕壓縮機(jī)排氣壓力的負(fù)擔(dān)。

② 管路大壓損使壓縮機(jī)運(yùn)行條件苛刻

高落差長配管安裝形式的空調(diào)器，由于配管較長，高度相差較大，為了保證空調(diào)器的制冷量，一般會多增加制冷機(jī)，這就使壓縮機(jī)排氣壓力升高，在惡劣（超高溫氣候）工況下，空調(diào)系統(tǒng)易發(fā)生頻繁保護(hù)停機(jī)現(xiàn)象。

同時，高落差長配管試驗中，由于配管較長，管路大壓損使壓縮機(jī)吸氣壓力、吸氣溫度較低，室外機(jī)高置安裝形式的高落差長配管試驗中，室內(nèi)外機(jī)連接管路較長（45～50m），管路壓損較大:液管平均壓損為0.007MPa/m，氣管平均壓損為0.0018MPa/m，壓縮機(jī)吸氣平均壓力為0.36MPa（絕對壓力），吸氣平均溫度為-4℃。過低的吸氣溫度，不利于壓縮機(jī)長期運(yùn)轉(zhuǎn)，并且使空調(diào)系統(tǒng)整體性能下降。

高落差長配管試驗中的壓縮機(jī)壓比較大（排氣壓力較高、吸氣壓力較低），增加壓縮機(jī)的設(shè)計成本。表3中，室外機(jī)高置形式的空調(diào)器制冷運(yùn)行，壓縮機(jī)壓比達(dá)5.1。

其解決方法為:

(a) 提高壓縮機(jī)可靠性設(shè)計

壓縮機(jī)設(shè)計中，適當(dāng)提高壓縮機(jī)的耐高壓能力。同時在滿足壓縮機(jī)的高壓比情況下，充分考慮壓縮機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計等。

在設(shè)計中，可參考以下關(guān)系式:空調(diào)過負(fù)荷工況下的排氣壓力（焓差室測得） ＋每米落差平均壓損×落差高度值＋每米水平平均壓損×水平配管長度（焓差室測試以外新增加的水平配管長度）≤壓縮機(jī)設(shè)計的過負(fù)荷壓力。

(b) 適當(dāng)放大空調(diào)器室外側(cè)換熱器的面積

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計過程中，適當(dāng)放大室外側(cè)換熱器面積，在一定范圍內(nèi)可降低壓縮機(jī)排氣壓力。

(2) 室外機(jī)低置安裝形式的高落差長配管空調(diào)器易發(fā)生冷媒侵入現(xiàn)象

室外機(jī)在下，室內(nèi)機(jī)在上，空調(diào)器制冷運(yùn)行停機(jī)后，未進(jìn)入室內(nèi)蒸發(fā)器的液體氟利昂流入處于低位的室外機(jī)換熱器。由于高低落差大（13～15m），長配管內(nèi)的液體氟利昂較多，在重力影響下，大量液態(tài)氟利昂進(jìn)入壓縮機(jī)腔體，發(fā)生冷媒侵入現(xiàn)象，壓縮機(jī)啟動時易造成液擊現(xiàn)象。

防止啟動瞬間液擊現(xiàn)象的方法為:

(a) 壓縮機(jī)配置電加熱帶

空調(diào)器停機(jī)開啟前，對壓縮機(jī)殼底進(jìn)行預(yù)熱，使壓縮機(jī)腔體內(nèi)的液態(tài)氟利昂能氣化為氣態(tài)氟利昂，避免啟動瞬間的液擊現(xiàn)象。

(b) 空調(diào)系統(tǒng)添加輔助儲液器

可考慮在室外換熱器（冷凝器）出口節(jié)流裝置后加設(shè)一輔助儲液器。停機(jī)后，長配管液管內(nèi)未來得及蒸發(fā)的液態(tài)氟利昂可倒流入輔助儲液器，防止進(jìn)入壓縮機(jī)腔體內(nèi)造成液擊現(xiàn)象，見圖3（a）。

同時也可考慮在壓縮機(jī)吸氣儲液器前加設(shè)一輔助儲液器。停機(jī)后，回氣管內(nèi)大量液態(tài)氟利昂可流入輔助儲液器，而不是進(jìn)入壓縮機(jī)腔體造成積液，可防止壓縮機(jī)啟動時的因積液而造成的液擊現(xiàn)象發(fā)生,見圖3（b）。

圖3 添加輔助儲液器示意

在高落差長配管、室外機(jī)低置安裝形式的試驗中，觀察到視鏡壓縮機(jī)在啟動前的油液分層現(xiàn)象。

分析壓縮機(jī)腔體內(nèi)啟動前的油液分層原因:空調(diào)器長時間停機(jī)，隨著夜間溫度的降低，氣態(tài)氟利昂冷凝為液體狀態(tài)，大量液體氟利昂與冷凍油互溶，積聚在壓縮機(jī)腔體下部。常溫狀態(tài)（20℃）下，氟利昂密度1.21×103kg/m3大于冷凍油密度0.92×103kg/m3，長時間的停置，使油液逐漸發(fā)生分層現(xiàn)象。

壓縮機(jī)腔體內(nèi)發(fā)生油、液發(fā)生分層現(xiàn)象后，壓縮機(jī)再次啟動時因液擊缺油而堵轉(zhuǎn)（集塵圈高度的位置是液態(tài)氟利昂，油泵上的是液態(tài)氟利昂，而不是油），該種現(xiàn)象對壓縮機(jī)可靠性危害較大。

故對于較大的空調(diào)系統(tǒng)（充液量較多、配管長度較長的空調(diào)系統(tǒng)），壓縮機(jī)宜配置電加熱既可防止壓縮機(jī)啟動瞬間的液擊現(xiàn)象，又可防止壓縮機(jī)腔體內(nèi)油液分層現(xiàn)象的發(fā)生。

(3) 室外機(jī)高置形式的高落差長配管空調(diào)系統(tǒng)回油較苛刻

制冷運(yùn)行工況，因室外機(jī)位于高位，室內(nèi)機(jī)向高位的室外機(jī)上行回氣需克服大落差造成的重力壓損，回油較困難。

室外機(jī)高置安裝形式下，改善壓縮機(jī)回油困難的方法:

(a) 壓縮機(jī)排氣側(cè)加設(shè)油分離器，減少潤滑油在空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)；

(b) 空調(diào)系統(tǒng)定期進(jìn)行回油操作；

(c) 壓縮機(jī)吸氣管盡量設(shè)置成“粗、大、低”的形式，保障啟動供油；

(d) 室內(nèi)外機(jī)豎向的連接管每隔一定的高度設(shè)置一回油彎。室外機(jī)高置的安裝形式中，豎向連接管每隔10m設(shè)置一折彎半徑為50～150mm的S形回油彎。同時在室外機(jī)進(jìn)管處，同樣設(shè)置一折彎半徑為50～150mm的U形回油彎，保障壓縮機(jī)啟動瞬間能吸到充分的潤滑油，壓縮機(jī)能正常啟動運(yùn)轉(zhuǎn)。

上述室外機(jī)低置和室外機(jī)高置兩種安裝形式下的高落差長配管試驗中，空調(diào)系統(tǒng)回油情況良好，運(yùn)轉(zhuǎn)至今無回油不良現(xiàn)象發(fā)生（壓縮機(jī)咬缸現(xiàn)象）。

五、小結(jié)

1.高落差長配管試驗管路壓損情況

總的來說，高落差長配管試驗中管路壓損較大，壓縮機(jī)吸氣壓力、吸氣溫度過低，壓縮機(jī)壓比上升，空調(diào)系統(tǒng)性能下降。

(1) 室外機(jī)低置安裝形式的高落差長配管試驗中，制冷工況下的重力壓損對豎直管路壓損是遞增作用，對空調(diào)系統(tǒng)影響較大，制熱工況下的重力壓損對豎直管路壓損是遞減作用，對空調(diào)系統(tǒng)影響相對較小。

(2) 室外機(jī)高置安裝形式的高落差長配管試驗中，制熱工況下的重力壓損對空調(diào)系統(tǒng)影響較大，制冷工況下的重力壓損對空調(diào)系統(tǒng)影響相對較小。

2.高落差長配管試驗液擊情況

高落差長配管安裝形式的空調(diào)器，長時間停機(jī)后的啟動瞬間易發(fā)生壓縮機(jī)液擊現(xiàn)象。

(1) 吸氣側(cè)添加大容量的輔助儲液器可減輕液擊現(xiàn)象的發(fā)生。

(2) 壓縮機(jī)配置電加熱可防止壓縮機(jī)腔體內(nèi)油液分層現(xiàn)象發(fā)生，同時也可減輕壓縮機(jī)啟動瞬間液擊現(xiàn)象的發(fā)生。

3.高落差長配管試驗空調(diào)系統(tǒng)回油情況

室外機(jī)高置安裝形式的高落差長配管空調(diào)器回油相對較困難。

在豎直安裝管路較長的情況下，宜每隔一定的高度（10m左右）設(shè)置一回油彎，保證壓縮機(jī)啟動瞬間的供油情況。