多聯(lián)機(jī)制熱回油技術(shù)研究

宋培剛，劉合心

(國家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，珠海519070)

1 前言

由于多聯(lián)機(jī)通常會(huì)應(yīng)用到長連接管和高落差的使用場(chǎng)合，潤滑油一旦隨著制冷劑排出壓縮機(jī)，進(jìn)入制冷系統(tǒng)的管路及換熱器中，在很多情況下，不易重新回到壓縮機(jī)。所以，多聯(lián)機(jī)需要依靠一些措施，來保證其系統(tǒng)中的適量潤滑油很快回到壓縮機(jī)，從而保證壓縮機(jī)能夠正常潤滑運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，回油是保證多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)潤滑油正常的主要措施之一。

制冷模式和制熱模式下，多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑狀態(tài)和流速不同，潤滑油在其中儲(chǔ)存的位置也不同。因此，多聯(lián)機(jī)制冷模式下回油和制熱模式下回油的機(jī)理需要進(jìn)行分別評(píng)估，并區(qū)分對(duì)待。部分文獻(xiàn)中考慮到從室外換熱器過熱器到壓縮機(jī)吸氣口這部分管路較短，提出了制熱運(yùn)行不用考慮回油，此種分析結(jié)論值得商榷［1］。相反，考慮制熱停機(jī)室內(nèi)機(jī)和氣側(cè)長連接管等因素，制熱循環(huán)過程中回油比制冷回油更有必要。但是，目前的產(chǎn)品和資料顯示，制熱模式下回油大部分均采用的是轉(zhuǎn)到制冷模式下進(jìn)行回油的。這種處理方式雖然提高了回油效果，但是存在影響制熱效果等問題。那么，如果制熱模式下的回油能采用四通閥不換向方式，可達(dá)到了既不影響制熱效果又使?jié)櫥头祷貕嚎s機(jī)的目的。由此可見，制熱不換向回油課題是多聯(lián)機(jī)回油研究中極為重要的部分。

2 常見回油技術(shù)分析

2.1 制冷回油

制冷模式下，多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)可劃分為以下部分，見圖1:(1)壓縮機(jī)排氣管到室外換熱器進(jìn)管;(2)室外換熱器進(jìn)管到室內(nèi)電子膨脹閥前;(3)室內(nèi)電子膨脹閥后到室內(nèi)換熱器出管;(4)室內(nèi)換熱器出管到壓縮機(jī)吸氣口。

在第一管路段部分，由于制冷劑是高溫高壓氣態(tài)，且潤滑油為霧狀物，兩者充分混合，并且此段管路流程較短，不會(huì)有貯存潤滑油的問題。在第二管路段部分，制冷劑在室外換熱器中冷凝成液態(tài)，潤滑油在液態(tài)制冷劑中的溶解度較大，故潤滑油可隨液態(tài)制冷劑一起流動(dòng)，所以，此段管路貯存潤滑油的可能性也較小。在第三管路段部分，制冷劑在室內(nèi)換熱器中蒸發(fā)，在逐漸相變的過程中，潤滑油與之逐步分離，潤滑油可能會(huì)貯存此處。在第四管路段部分，制冷劑與潤滑油狀態(tài)與第三部分類似，雖然氣態(tài)制冷劑的流速較快，但是分離出來的潤滑油在室內(nèi)換熱器過熱器區(qū)貯存的可能性大。并且，此段管路較長，故這一部分管路內(nèi)可能積存大量潤滑油。其中，汽液分離器內(nèi)潤滑油的狀態(tài)和回油方式，與其本身結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，故不在此贅述。

綜上所述，在制冷模式下，較易貯存潤滑油的管路段主要有從室內(nèi)電子膨脹閥后到室內(nèi)換熱器出管、從室內(nèi)換熱器出管到壓縮機(jī)吸氣口。其中，后者的貯油量可能較多。

圖1 多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)簡圖

2.2 制熱回油

制熱模式下，多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)可劃分為以下部分:(1)壓縮機(jī)排氣管到室內(nèi)換熱器進(jìn)管;(2)室內(nèi)換熱器進(jìn)管到室內(nèi)電子膨脹閥前;(3)室內(nèi)電子膨脹閥后到室外電子膨脹閥前;(4)室外電子膨脹閥后到壓縮機(jī)吸氣口。

在第一管路段部分，制冷劑是高溫高壓氣態(tài)。雖然潤滑油剛從壓縮機(jī)排出來后呈霧狀，能夠和制冷劑混合，但是由于此管路段管徑大且長，潤滑油在此段管路內(nèi)貯存的幾率很大。在第二管路段部分，氣態(tài)制冷劑在其中逐漸冷凝，潤滑油與液態(tài)制冷劑相溶，因此在此段管路貯存潤滑油較少。但是停機(jī)室內(nèi)換熱器內(nèi)貯存潤滑油的可能性較大。在第三管路段部分的制冷劑大多為過冷液態(tài)，在一般情況下，潤滑油可被液態(tài)制冷劑帶走。在第四管路段部分，制冷劑在室外換熱器中蒸發(fā)相變，潤滑油與之逐步分離，潤滑油可能會(huì)貯存此處。

綜上所述，在制熱模式下，較易貯存潤滑油的管路段主要有從壓縮機(jī)排氣管到室內(nèi)換熱器進(jìn)管、停機(jī)室內(nèi)換熱器、從室內(nèi)換熱器出管到壓縮機(jī)吸氣口。其中，前兩者的貯油量可能較為突出。

2.3 常見制熱回油方式

從以上分析可見，與制冷循環(huán)相比，多聯(lián)機(jī)制熱循環(huán)過程中可能大量貯存潤滑油的管路段更多，更需要回油，以確保有充分量的潤滑油回到壓縮機(jī)，從而保證多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)安全運(yùn)行。

目前，多數(shù)多聯(lián)機(jī)產(chǎn)品在制熱運(yùn)行時(shí)，回油均采用轉(zhuǎn)到制冷循環(huán)下進(jìn)行。原因在于，相同室內(nèi)外環(huán)境溫度下，制冷循環(huán)與制熱循環(huán)時(shí)，制冷劑在液管中流速相差不大，而在氣管中流速相差2～3倍［2］。再者，制冷循環(huán)時(shí)易貯存潤滑油的管段比制熱循環(huán)少。

但是，由于制熱回油過程中，四通閥需要換向，系統(tǒng)從制熱循環(huán)切換為制冷循環(huán)，室內(nèi)換熱器切換為低壓側(cè)。同時(shí)，為了避免吹冷風(fēng)，必須強(qiáng)制關(guān)閉室內(nèi)風(fēng)機(jī)。這種制熱回油方式存在兩個(gè)問題:(1)回油過程中，無法繼續(xù)為室內(nèi)側(cè)供暖，舒適性降低，并且室內(nèi)風(fēng)機(jī)開停的過程中會(huì)產(chǎn)生間歇噪音;(2)此時(shí)的系統(tǒng)可靠性對(duì)室內(nèi)電子膨脹閥依賴性較高，室內(nèi)電子膨脹閥的開度會(huì)影響到回油效果和壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)。若開度過小，制冷劑節(jié)流效果嚴(yán)重，與潤滑油分離，對(duì)回油不利;若開度過大，勢(shì)必蒸發(fā)不良，增加了壓縮機(jī)吸氣回液的風(fēng)險(xiǎn)。

3 不換向回油理論分析

3.1 主氣管制冷劑流速的計(jì)算

不同于普通一拖一空調(diào)，多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)機(jī)有多臺(tái)，冷媒在經(jīng)過分歧管后分配到各個(gè)內(nèi)機(jī)。在分歧管前的氣管段，即主氣管內(nèi)冷媒尚未分配，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，忽略回油毛細(xì)管內(nèi)冷媒流量，可認(rèn)為主氣管的質(zhì)量流量和吸氣管道內(nèi)冷媒質(zhì)量流量相等:

吸氣管道內(nèi)冷媒質(zhì)量流量可由吸氣管內(nèi)冷媒密度ρsuck和冷媒體積流量Vsuck確定，其中:

式中，Psuck，Tsuck，f，V 分別代表吸氣壓力、吸氣溫度、壓縮機(jī)頻率和壓縮機(jī)氣缸容積。壓縮機(jī)主氣管測(cè)試點(diǎn)冷媒密度ρmain可由主氣管溫度Tmain，主氣管壓力Pmain確定，即:

主氣管內(nèi)冷媒體積流量Vmain可由式 (1)和式(4)確定:)

由式 (5)，結(jié)合主氣管內(nèi)徑d即可計(jì)算主氣管內(nèi)冷媒流速:

以名義制熱工況全開內(nèi)機(jī)為例，計(jì)算某款6HP多聯(lián)機(jī)在不同頻率下主氣管內(nèi)冷媒流速，計(jì)算結(jié)果如表1:

表1 冷媒流速計(jì)算結(jié)果

由表1可知當(dāng)頻率較低時(shí)，主氣管內(nèi)冷媒流速較低。相對(duì)于吸氣管段，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后排出的氣體密度較大，體積流量相對(duì)吸氣管道較小，而主氣管管徑較大，因而制熱時(shí)主氣管段內(nèi)氣體流速相對(duì)于吸氣管道要小很多。當(dāng)壓縮機(jī)頻率較小時(shí)，主氣管段由于流速較低，易于存油。

3.2 開機(jī)內(nèi)機(jī)氣管內(nèi)制冷劑流速計(jì)算

由于經(jīng)過分歧管后冷媒將分配至各個(gè)內(nèi)機(jī)，通過各內(nèi)機(jī)的冷媒量不易直接測(cè)量到。這里通過測(cè)試某臺(tái)內(nèi)機(jī)的換熱量Q確定其氣管內(nèi)冷媒流速。計(jì)算過程見圖2。

制熱運(yùn)行時(shí)室內(nèi)機(jī)充當(dāng)冷凝器的角色，不同于單元機(jī)，多聯(lián)機(jī)內(nèi)機(jī)在制熱運(yùn)行時(shí)可能存在部分內(nèi)機(jī)開機(jī)，部分內(nèi)機(jī)關(guān)機(jī)。為了保證系統(tǒng)冷媒的循環(huán)，停機(jī)內(nèi)機(jī)的電子膨脹閥一般保持一定的開度，即關(guān)機(jī)內(nèi)機(jī)管道內(nèi)仍然存在冷媒的流動(dòng)。表2為部分負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)內(nèi)冷媒流速的計(jì)算結(jié)果。

圖2 計(jì)算過程

表2 部分負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)內(nèi)冷媒流速的計(jì)算結(jié)果

由表2可知當(dāng)單開2HP內(nèi)機(jī)時(shí)，流經(jīng)2HP機(jī)的冷媒質(zhì)量流量占整個(gè)系統(tǒng)冷媒質(zhì)量流量的79.17%，即流經(jīng)其他三臺(tái)關(guān)機(jī)內(nèi)機(jī)的冷媒流量為系統(tǒng)冷媒流量的20.83%。當(dāng)運(yùn)行2HP機(jī)+3HP機(jī)時(shí)，流經(jīng)停開內(nèi)機(jī)的冷媒流量僅為1－44.76% －53.46%=1.78%，停開內(nèi)機(jī)冷媒流速必然很低。因此對(duì)于多聯(lián)機(jī)，制熱部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，停開內(nèi)機(jī)氣管內(nèi)冷媒流速很低，亦有可能存油。

3.3 各管路段回油措施

(1)壓縮機(jī)排氣管到室內(nèi)換熱器進(jìn)管:相對(duì)于吸氣管段，冷媒經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后，密度較大，體積流量較小，主氣管段內(nèi)流速較低。當(dāng)壓縮機(jī)頻率較小時(shí)，主氣管段可能存油。針對(duì)該管段存油，若使用不換向回油可通過提升壓縮機(jī)頻率以提升冷媒流速來實(shí)現(xiàn)回油。

(2)室內(nèi)換熱器進(jìn)管到室內(nèi)電子膨脹閥前:由于制熱運(yùn)行時(shí)內(nèi)機(jī)充當(dāng)冷凝器角色，氣態(tài)冷媒在內(nèi)機(jī)中冷凝為液態(tài)，液態(tài)冷媒中溶解部分潤滑油，對(duì)于該部分潤滑油可通過開大內(nèi)機(jī)電子膨脹閥，放出換熱器中存有的液態(tài)冷媒實(shí)現(xiàn)回油。另外，由上面分析可知，制熱運(yùn)行時(shí)停開內(nèi)機(jī)氣管內(nèi)流速很低，可能存油，對(duì)于該管段存油，可通過開大該內(nèi)機(jī)電子膨脹閥開度的方法實(shí)現(xiàn)回油。

(3)室內(nèi)電子膨脹閥后到室外電子膨脹閥前:該部分管段為中壓區(qū)，冷媒狀態(tài)為氣液兩相態(tài)向過冷態(tài)過渡。該部分管段中潤滑油溶解于液態(tài)冷媒中，潤滑油隨著液態(tài)冷媒的流動(dòng)而實(shí)現(xiàn)回油。

(4)室外電子膨脹閥后到壓縮機(jī)吸氣口:冷媒經(jīng)過室外機(jī)電子膨脹閥的節(jié)流在室外機(jī)換熱器內(nèi)蒸發(fā)。在蒸發(fā)器過熱區(qū)當(dāng)冷媒流速較低時(shí)亦有可能存油，對(duì)于該部分存油，可通過提高壓縮機(jī)頻率以加大冷媒流速實(shí)現(xiàn)回油。

4 制熱不換向?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)臺(tái)搭建

試驗(yàn)臺(tái)包括6HP多聯(lián)室外機(jī)一臺(tái)，室內(nèi)機(jī)四臺(tái)，分別為兩臺(tái)1HP機(jī)、一臺(tái)2HP機(jī)和一臺(tái)3HP機(jī)。在壓縮機(jī)上布置視液鏡，觀察壓縮機(jī)內(nèi)的潤滑油油面位置。在適當(dāng)位置布置壓力和溫度測(cè)試點(diǎn)。

4.2 回油效果確認(rèn)

名義制熱運(yùn)行，回油前將壓縮機(jī)內(nèi)潤滑油排出到主氣管內(nèi)，為保證機(jī)組安全，將液位保持在壓縮機(jī)下視液鏡的一半。并將壓縮機(jī)設(shè)定較低頻率運(yùn)行一段時(shí)間，壓縮機(jī)內(nèi)油位未有上漲，即此時(shí)潤滑油不能隨冷媒流動(dòng)有效回油。執(zhí)行回油動(dòng)作完成，約8min后壓縮機(jī)油位上漲至上視液鏡與下視液鏡之間，約20min后壓縮機(jī)油位上漲至上視液鏡滿。由此可以確認(rèn)名義制熱工況下不換向回油可行。圖3為制熱回油后壓縮機(jī)油面變化圖。

圖3 制熱回油后壓縮機(jī)油面變化圖

4.3 回油高壓變化情況

由于制熱不換向回油過程中四通閥沒有掉電，室內(nèi)換熱器一直充當(dāng)冷凝器的角色，因此整個(gè)回油過程中內(nèi)機(jī)保持供熱，換向回油時(shí)內(nèi)機(jī)停止供熱的問題得到根本上的解決，用戶舒適性得到保證的同時(shí)，確保了壓縮機(jī)運(yùn)行的可靠性。圖4是制熱不換向回油時(shí)系統(tǒng)高壓、低壓和排氣溫度的變化情況。

圖4 制熱回油后主要參數(shù)變化曲線

由圖4可知:回油過程中高壓由46℃逐漸上升，最高上升至53℃?；赜徒Y(jié)束后由于壓縮機(jī)輸出變化高壓逐漸下降至46℃?；赜瓦^程中高壓略有提升，回油的同時(shí)保證了制熱效果。

5 結(jié)論

(1)從理論上分析了多聯(lián)機(jī)制熱循環(huán)過程中可能大量貯存潤滑油的管路段更多，比制冷循環(huán)更需要回油，以確保有充分量的潤滑油回到壓縮機(jī)。

(2)名義制熱運(yùn)行時(shí)，多聯(lián)機(jī)的主氣管內(nèi)冷媒流速較低。當(dāng)壓縮機(jī)頻率較小時(shí)，主氣管段由于流速較低，易于存油。

(3)名義制熱部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，多聯(lián)機(jī)的停開內(nèi)機(jī)氣管內(nèi)冷媒流速很低，亦有可能存油。

(4)對(duì)不同管路段，采用不同回油措施，可實(shí)現(xiàn)多聯(lián)機(jī)制熱不換向回油。實(shí)驗(yàn)證明，此方案不僅能保證制熱回油效果，且可對(duì)室內(nèi)持續(xù)供暖。

［1]招偉，薛京力，顧中平，等，一拖多空調(diào)制冷系統(tǒng)的回油及貯油試驗(yàn)研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，2002，(2):60－63

［2]涂虬，毛守博，國德防，等.多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)貯油量的影響因素分析與試驗(yàn)研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，2009，(8):14－19