大容量定速空调机油分离器设计必要性的分析研究

梁爱云+孙祥斌

摘 要：为保证空调压缩机的正常运转，系统中必须有充足的冷冻油保障压缩机润滑，否则压缩机会发生严重磨损和过热而损坏。因此在进行制冷系统循环设计时，需要考虑系统润滑油能否顺利返回压缩机，是否需要追加油分离器保证回油。该论文基于流体力学基本原理，建立回油模型，根据润滑油的净体积流量为零和制冷剂蒸汽速度与油气界面速度的关系，获得制冷剂蒸汽的最小回油速度，并与系统实际运行时制冷剂最小蒸汽速度做比较，计算得出空调机在进行系统设计时是否需要追加油分离器进行回油。

关键词：润滑油 回油模型 最小回油速度 制冷剂蒸汽速度

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）06（c）-0028-03

空调系统运行时，压缩机的一部分润滑油溶于制冷剂中进入冷凝器、蒸发器等部件，如果有较多的润滑油积存到系统部件而不能回到压缩机的话，压缩机将会因缺油而不能正常工作[1]。

对于大容量定速空调机而言，长配管时室内外机组的连接管路长，回油是比较困难的。但设计简单、成本低廉一直是定速空调机的特点及优点，若单从试验验证确认回油可靠性问题，会浪费大量的人力物力资源，因此设计之初考虑系统回油问题是非常有必要的。

该研究是根据流体力学基本原理，建立回油模型。在极限情况下，当制冷剂蒸汽带动上升的润滑油体积流量等于由于重力作用导致下降的润滑油体积流量，即润滑油净体积流量为零时，得出最小回油速度。另外通过回油模型在吸气管中的应用得出实际运行时最小制冷剂蒸汽速度，与计算得出的最小回油速度做比较，确认产品设计是否满足回油要求。

1 回油模型

1.1 制冷、制热循环中制冷剂状态与冷冻油的分布情况

压缩机在运转时，制冷剂的排气温度较高，部分冷冻油被汽化随制冷剂气体进入制冷系统。此外，压缩机的高速气流也易把冷冻油带入制冷系统，进入冷凝器、蒸发器以及相应的管路，如果无法顺利回到压缩机将影响压缩机可靠性。因此研究系统中制冷剂状态与冷冻油的分布情况是研究回油问题的前提，也是回油模型建立的基础。

制冷循环时，从压缩机到室外机这一段管路中流动的是高温高压的高速制冷剂气体。此时冷冻油呈现雾状，和制冷剂蒸汽很好地混合在一起，且流速大、流程短，这一段管路中存储的冷冻油很少。在室外机中，制冷剂由气态冷凝成高温液体，冷冻油也由气态冷凝成液态，但这段管路流速还是很大的，因此从室外机到室内机这段管路也不会存油。液态制冷剂在室内机中逐渐蒸发，在室内机出口，制冷剂变成有一定过热度的低温低压气体，因为温度较低，所以大部分冷冻油仍是液态。从室内机的过热区到气液分离器，这一段管路中冷媒低速流动，冷冻油的流动阻力较大，因此这一段管路中积存大量的冷冻油。在气液分离器中，润滑油和制冷剂通过吸气管上的回油孔进入吸气管，回到压缩机。

制热时从压缩机排气口到室内机这一段管路中流动的是高温高压的高速制冷剂气体。此时冷冻油成雾状，两者很好地混合在一起，这一段管路上很少积存冷冻油。在室内机中，高温高压的气体逐渐冷凝成高温液体，冷冻油也冷凝成液态，这段管路制冷剂流速还是较高，因此积存的冷冻油也很少。液态制冷剂在室外机蒸发成低温低压气体，而大部分的冷冻油仍是液态，从过热区开始管路中流动的是低温低速气体，但由于管路很短，所以积存的润滑油量不大，对整个系统影响较小。

1.2 影响回油的其他因素

（1）气、液管管径。

如果系统中连接管的管径选用过大，在相同负荷和制冷剂量的情况下，管路中制冷剂流速就小，这样会降低制冷剂的带油能力，使回油更困难。

（2）制冷剂灌注量。

如果制冷剂灌注量过大，则系统中冷冻油会被稀释，分布在系统中的润滑油量就大，也影响系统回油。

（3）安装。

设计时应尽量减小连接管的长度，避免弯头和硬性弯头。这样可以降低回油阻力，减少管路中存油的地方。

综上，制冷循环中从室内机过热区到压缩机这段管路易存油，是回油的关键所在，应该在制冷循环中建立回油模型。同时在获取最小回油速度时，应结合实际考虑气、液管管径、制冷剂充灌量和安装等影响因素。

1.3 回油模型建立

1.3.1 最不利回油截面的选取

该研究是基于8HP、10HP定速空调机来分析研究的，以判断大容量定速空调机是否满足回油要求。以8HP定速空调机为例进行说明，图1为某一8HP定速空调机的系统循环结构图。

根据1.1节分析，压缩机回油困难主要发生在制冷运转时蒸发器过热区到压缩机这一段管路中，同时若蒸发器的位置低于压缩机且制冷剂流速低的情况下，回油将更加困难。该研究暂不考虑蒸发器与压缩机的位置，仅从室外机系统循环结构进行分析研究。图示8HP系统结构图中连接气分和压缩机的吸气管中有一段垂直管，在该垂直管中，润滑油在重力的影响下不易随制冷剂夹带通过。CREMASCH[2]等研究表明，在同样工况条件下，垂直管中润滑油的积存量比水平管高50%，因此选取图1示出位置即吸气管进入压缩机最后一个垂直管的末端作为最不利回油截面。

1.3.2 回油物理模型建立

以图1中标识的最不利截面为研究对象，考虑蒸发器与压缩机之间的垂直吸气管路，润滑油克服重力的影响随制冷剂蒸汽向上运动，图2为润滑油在管内壁随制冷剂运动的示意图。

从实际计算的结果得出，制冷系统实际冷媒最小流速高于理论最小回油速度，即8HP定速空调机在现有结构设计下能够满足回油要求，不需要另外追加油分离器设计。

8HP定速空调机经实际试验验证结果也得出，在没有回油措施的情况下，系统在不同工况、不同冷媒充注量、不同配管长度下均满足回油要求，进一步验证了理论分析的结果。

3 结语

该文通过选取系统中最不利回油截面及运行工况作为研究对象，建立回油模型方程组，获得理论最小回油速度的计算公式，同时将理论最小回油速度与实际运行时制冷剂最小流速作比较，以确定现有系统设计能否满足回油要求，通过实际计算8HP定速空调机验证了最小回油速度在大容量定速空调机中应用的可行性。将回油问题置于空调设计之初分析确认，尤其对定速空调机而言，利于简化系统设计和成本降低。

参考文献

[1] 杨传波，张薇，郭漪，等.制冷系统含油量对压缩机工作性能影响的理论分析和试验研究[J].制冷学报，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] 张平，丁国良.制冷剂蒸汽最小回油速度模型及在垂直吸气管设计中的应用[J].机械工程学报，2008，44（4）：179-183.