多联机制热回油技术研究

2013-09-13宋培刚刘合心

制冷 2013年2期

宋培刚，刘合心

(国家节能环保制冷设备工程技术研究中心，珠海519070)

1 前言

由于多联机通常会应用到长连接管和高落差的使用场合，润滑油一旦随着制冷剂排出压缩机，进入制冷系统的管路及换热器中，在很多情况下，不易重新回到压缩机。所以，多联机需要依靠一些措施，来保证其系统中的适量润滑油很快回到压缩机，从而保证压缩机能够正常润滑运转。其中，回油是保证多联机系统润滑油正常的主要措施之一。

制冷模式和制热模式下，多联机系统内的制冷剂状态和流速不同，润滑油在其中储存的位置也不同。因此，多联机制冷模式下回油和制热模式下回油的机理需要进行分别评估，并区分对待。部分文献中考虑到从室外换热器过热器到压缩机吸气口这部分管路较短，提出了制热运行不用考虑回油，此种分析结论值得商榷［1］。相反，考虑制热停机室内机和气侧长连接管等因素，制热循环过程中回油比制冷回油更有必要。但是，目前的产品和资料显示，制热模式下回油大部分均采用的是转到制冷模式下进行回油的。这种处理方式虽然提高了回油效果，但是存在影响制热效果等问题。那么，如果制热模式下的回油能采用四通阀不换向方式，可达到了既不影响制热效果又使润滑油返回压缩机的目的。由此可见，制热不换向回油课题是多联机回油研究中极为重要的部分。

2 常见回油技术分析

2.1 制冷回油

制冷模式下，多联机系统可划分为以下部分，见图1:(1)压缩机排气管到室外换热器进管;(2)室外换热器进管到室内电子膨胀阀前;(3)室内电子膨胀阀后到室内换热器出管;(4)室内换热器出管到压缩机吸气口。

在第一管路段部分，由于制冷剂是高温高压气态，且润滑油为雾状物，两者充分混合，并且此段管路流程较短，不会有贮存润滑油的问题。在第二管路段部分，制冷剂在室外换热器中冷凝成液态，润滑油在液态制冷剂中的溶解度较大，故润滑油可随液态制冷剂一起流动，所以，此段管路贮存润滑油的可能性也较小。在第三管路段部分，制冷剂在室内换热器中蒸发，在逐渐相变的过程中，润滑油与之逐步分离，润滑油可能会贮存此处。在第四管路段部分，制冷剂与润滑油状态与第三部分类似，虽然气态制冷剂的流速较快，但是分离出来的润滑油在室内换热器过热器区贮存的可能性大。并且，此段管路较长，故这一部分管路内可能积存大量润滑油。其中，汽液分离器内润滑油的状态和回油方式，与其本身结构关系密切，故不在此赘述。

综上所述，在制冷模式下，较易贮存润滑油的管路段主要有从室内电子膨胀阀后到室内换热器出管、从室内换热器出管到压缩机吸气口。其中，后者的贮油量可能较多。

图1 多联机系统简图

2.2 制热回油

制热模式下，多联机系统可划分为以下部分:(1)压缩机排气管到室内换热器进管;(2)室内换热器进管到室内电子膨胀阀前;(3)室内电子膨胀阀后到室外电子膨胀阀前;(4)室外电子膨胀阀后到压缩机吸气口。

在第一管路段部分，制冷剂是高温高压气态。虽然润滑油刚从压缩机排出来后呈雾状，能够和制冷剂混合，但是由于此管路段管径大且长，润滑油在此段管路内贮存的几率很大。在第二管路段部分，气态制冷剂在其中逐渐冷凝，润滑油与液态制冷剂相溶，因此在此段管路贮存润滑油较少。但是停机室内换热器内贮存润滑油的可能性较大。在第三管路段部分的制冷剂大多为过冷液态，在一般情况下，润滑油可被液态制冷剂带走。在第四管路段部分，制冷剂在室外换热器中蒸发相变，润滑油与之逐步分离，润滑油可能会贮存此处。

综上所述，在制热模式下，较易贮存润滑油的管路段主要有从压缩机排气管到室内换热器进管、停机室内换热器、从室内换热器出管到压缩机吸气口。其中，前两者的贮油量可能较为突出。

2.3 常见制热回油方式

从以上分析可见，与制冷循环相比，多联机制热循环过程中可能大量贮存润滑油的管路段更多，更需要回油，以确保有充分量的润滑油回到压缩机，从而保证多联机系统安全运行。

目前，多数多联机产品在制热运行时，回油均采用转到制冷循环下进行。原因在于，相同室内外环境温度下，制冷循环与制热循环时，制冷剂在液管中流速相差不大，而在气管中流速相差2～3倍［2］。再者，制冷循环时易贮存润滑油的管段比制热循环少。

但是，由于制热回油过程中，四通阀需要换向，系统从制热循环切换为制冷循环，室内换热器切换为低压侧。同时，为了避免吹冷风，必须强制关闭室内风机。这种制热回油方式存在两个问题:(1)回油过程中，无法继续为室内侧供暖，舒适性降低，并且室内风机开停的过程中会产生间歇噪音;(2)此时的系统可靠性对室内电子膨胀阀依赖性较高，室内电子膨胀阀的开度会影响到回油效果和压缩机吸气状态。若开度过小，制冷剂节流效果严重，与润滑油分离，对回油不利;若开度过大，势必蒸发不良，增加了压缩机吸气回液的风险。

3 不换向回油理论分析

3.1 主气管制冷剂流速的计算

不同于普通一拖一空调，多联机系统内机有多台，冷媒在经过分歧管后分配到各个内机。在分歧管前的气管段，即主气管内冷媒尚未分配，系统稳定时，忽略回油毛细管内冷媒流量，可认为主气管的质量流量和吸气管道内冷媒质量流量相等:

吸气管道内冷媒质量流量可由吸气管内冷媒密度ρsuck和冷媒体积流量Vsuck确定，其中:

式中，Psuck，Tsuck，f，V 分别代表吸气压力、吸气温度、压缩机频率和压缩机气缸容积。压缩机主气管测试点冷媒密度ρmain可由主气管温度Tmain，主气管压力Pmain确定，即:

主气管内冷媒体积流量Vmain可由式 (1)和式(4)确定:)

由式 (5)，结合主气管内径d即可计算主气管内冷媒流速:

以名义制热工况全开内机为例，计算某款6HP多联机在不同频率下主气管内冷媒流速，计算结果如表1:

表1 冷媒流速计算结果

由表1可知当频率较低时，主气管内冷媒流速较低。相对于吸气管段，经过压缩机压缩后排出的气体密度较大，体积流量相对吸气管道较小，而主气管管径较大，因而制热时主气管段内气体流速相对于吸气管道要小很多。当压缩机频率较小时，主气管段由于流速较低，易于存油。

3.2 开机内机气管内制冷剂流速计算

由于经过分歧管后冷媒将分配至各个内机，通过各内机的冷媒量不易直接测量到。这里通过测试某台内机的换热量Q确定其气管内冷媒流速。计算过程见图2。

制热运行时室内机充当冷凝器的角色，不同于单元机，多联机内机在制热运行时可能存在部分内机开机，部分内机关机。为了保证系统冷媒的循环，停机内机的电子膨胀阀一般保持一定的开度，即关机内机管道内仍然存在冷媒的流动。表2为部分负荷时系统内冷媒流速的计算结果。

图2 计算过程

表2 部分负荷时系统内冷媒流速的计算结果

由表2可知当单开2HP内机时，流经2HP机的冷媒质量流量占整个系统冷媒质量流量的79.17%，即流经其他三台关机内机的冷媒流量为系统冷媒流量的20.83%。当运行2HP机+3HP机时，流经停开内机的冷媒流量仅为1－44.76% －53.46%=1.78%，停开内机冷媒流速必然很低。因此对于多联机，制热部分负荷运行时，停开内机气管内冷媒流速很低，亦有可能存油。

3.3 各管路段回油措施

(1)压缩机排气管到室内换热器进管:相对于吸气管段，冷媒经过压缩机压缩后，密度较大，体积流量较小，主气管段内流速较低。当压缩机频率较小时，主气管段可能存油。针对该管段存油，若使用不换向回油可通过提升压缩机频率以提升冷媒流速来实现回油。

(2)室内换热器进管到室内电子膨胀阀前:由于制热运行时内机充当冷凝器角色，气态冷媒在内机中冷凝为液态，液态冷媒中溶解部分润滑油，对于该部分润滑油可通过开大内机电子膨胀阀，放出换热器中存有的液态冷媒实现回油。另外，由上面分析可知，制热运行时停开内机气管内流速很低，可能存油，对于该管段存油，可通过开大该内机电子膨胀阀开度的方法实现回油。

(3)室内电子膨胀阀后到室外电子膨胀阀前:该部分管段为中压区，冷媒状态为气液两相态向过冷态过渡。该部分管段中润滑油溶解于液态冷媒中，润滑油随着液态冷媒的流动而实现回油。

(4)室外电子膨胀阀后到压缩机吸气口:冷媒经过室外机电子膨胀阀的节流在室外机换热器内蒸发。在蒸发器过热区当冷媒流速较低时亦有可能存油，对于该部分存油，可通过提高压缩机频率以加大冷媒流速实现回油。

4 制热不换向实验验证

4.1 试验台搭建

试验台包括6HP多联室外机一台，室内机四台，分别为两台1HP机、一台2HP机和一台3HP机。在压缩机上布置视液镜，观察压缩机内的润滑油油面位置。在适当位置布置压力和温度测试点。

4.2 回油效果确认

名义制热运行，回油前将压缩机内润滑油排出到主气管内，为保证机组安全，将液位保持在压缩机下视液镜的一半。并将压缩机设定较低频率运行一段时间，压缩机内油位未有上涨，即此时润滑油不能随冷媒流动有效回油。执行回油动作完成，约8min后压缩机油位上涨至上视液镜与下视液镜之间，约20min后压缩机油位上涨至上视液镜满。由此可以确认名义制热工况下不换向回油可行。图3为制热回油后压缩机油面变化图。