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STUDY ON THE METHOD FOR BALANCING OIL IN MULTI-COMPRESSORS AIR CONDITIONING SYSTEM | |||
| 摘要 保证冷冻油源源不断地返回压缩机是制冷系统设计中最重要的课题之一。针对现有技术中存在的缺点，开发了一种低成本的多台制冷压缩机自动均油回路，它不仅生产制造容易，维修、更换配件方便，而且对压缩机安装无任何特殊要求。理论分析了此自动均油回路对变频空调系统回油性能的影响，实验结果表明：此自控装置性能可靠、可用于大、中型变容量制冷系统。 关键词:压缩机，均油，毛细管 ABSTRACT It is one of the most important problems to assure lubricating il of returning to the compressors all the time. An automatically balancing oil loop in multi-compressors system is invented to make up the deficiency of technologies used before. It has such advantages as low cost， easy manufactur， freely exchanging parts etc. And it has no special requirement to the setting position of compressors. The influence on the performance of variable refrigerant volume air conditioning system is analyzed in theory. And the experiment results show that this device has reliable performance and can be used in large and medium systems. KEYWORDS:compressor; balancing oil; capillary | |||
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符号说明
图1 多台制冷压缩机均油自控装置原理图 | |||
在压缩机吸收、排气压力差的作用下，液态冷冻油通过毛细管自动地从油分离器返回压缩机吸气管，或从富油压缩机高压壳体内流向欠油压缩机吸气管内。当油面低于毛细管出口时，高压制冷剂蒸气将会经毛细管旁通至压缩机吸气管，过多的高压气体返回压缩机将造成系统的制冷能力下降，压缩机排气温度升高，所以毛细管的内径和长度的确定至关重要。由于回油毛细管内流动的介质是冷冻油或高压制冷剂蒸气，均属于单相流动。但因流动介质与外部空气进行对流换热，使介质沿流方向温度逐渐降低，且油和制冷剂蒸气的密度和粘度随温度变化显著，故不可忽视换热对流动的影响。
对毛细管内介质单相流动建模之前作如下的假设：（1）介质流动为一维流动；（2）在管路流动断面上物性均一；（3）物性仅沿流动方向上发生变化；（4）不考虑重力对流动的影响。故：
质量守恒方程：
动量守恒方程：
能量守恒方程：
若油分离器的毛细管设置在其内部，那么油与制冷剂蒸气的温度变化很小，而将毛细管设置在外部的室外机机箱内，则因油与制冷剂蒸气与外界空气换热引起温度降低，对介质粘度和密度有较大的影响。
4 计算
制冷剂蒸气被压缩时，也会带走一部分油，制冷剂的带油量很大程度取决于压缩机结构。对于全封闭压缩机而言，文献[3]指出，油在排气中的质量百分比不超过百分之零点几；比利时列日大学通过不同实验方法研究了压缩机排气的带油量，实验表明，油在排气中的质量百分比为1%～2%，且各种测试方法的误差率在20%～30%以内[4]。当压缩机容量变化时，其排气量和带油量变化时，其排气量和带油量均随之变化。本文对两台压缩机并联使用的自动均油回路所采用的毛细管进行了理论分析，并通过了实验验证了其应用效果。
4．1 压缩机参数
在计算和实验中，采用了两台压缩机，其一为变频压缩机，另一台为定速压缩机。其参数见表1。
表1 压缩机参数
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变频压缩机 |
定速压缩机 |
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活塞排量Vh/(mL/rev) |
23.3 |
41.6 |
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频率f/Hz |
15-120 |
50 |
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充油量Goil/mL |
600 |
1350 |
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机体高度/mm |
312.5 |
374.3 |
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机体直径/mm |
129.6 |
158 |
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制冷剂种类 |
HCFC22 | |
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冷冻油种类 |
SUNISO 4GSD-T | |
4．2 回油毛细管尺寸与可变因素的关系
以油在排气中的质量百分比1.5%为基准，计算在压缩机频率、吸排气压差和毛细管内径、入口油温度变化时欲将排气带油完全返回所必需的毛细管长度，其结果如图2所示。当压缩机频率、吸排气压差和毛细管内径为定值时，随着入口油温的升高，毛细管长度剧增，这主要是由于油在高温时粘度急剧降低所致；当其它因素不变时，压缩机频率降低，还油量相应减少，其毛细管长度减小；当压差或毛细管内径增大，在返回相同质量的油时所需毛细管亦将增长。
图2 各因素变化时所必需的毛细管长度
一旦选定毛细管的几何尺寸（如图2（b）中的线），压缩机在实际运行中能否顺利返油将取决于毛细管入口油温和压缩机频率于吸排气压力差。在线以下的区域不能顺利返油，多余的油将存贮在油分离器或另一台压缩机的贮油包内，若将油分离器的回油毛细管放置在其内部，将有利于压缩机顺利返油。反之，在线以上的区域则能顺利返油，但毛细管相对于带油量所需长度短，故将会有部分排气夹带着油滴经此毛细管一同返回压缩机回气管，由于有部分排气被旁通返回，将会造成制冷系统能力下降。故合理选用毛细管几何尺寸至关重要。
当毛细管长度小于带油量所需长度时，部分排气将夹带着油滴返回压缩机。如果假想油与制冷剂蒸气间歇返回，则以制冷剂蒸气单相返回时的旁通率如图3所示。从图中可以看出，高低压差越大、压缩机频率越低、压缩机排气温度越高或毛细管短短，其旁通率越大；在压差小于1.3Mpa、压缩机高频运行时，其旁通率随压差的变化有微小上升，但压差继续增大时，旁通率有明显上升趋势。
图3 回油毛细管的排气旁通率
4．4 应用效果
在空调用制冷装置中，压缩机运行时其油温通常高于60℃，工作压差为（1.0～2.0）Mpa。从图2中的数据看，在油分离器内部及两台压缩机之间均选用内径为1.5mm，长度为3.15m的毛细管作为回油自控装置的节流器使用时，系统运行的大部分能顺利返油。在返油的过程中，制冷剂蒸气与油呈气油两相状态在毛细管内部流动，由于存在临界流动现象，其排气旁通率应远远低于图3中的数据。
笔者在上述两台压缩机组成的变频一拖多空调系统中采用了此回油自控装置，实验中通过压缩机体上的油面镜观察油面变化情况，该装置能在压缩机的不同组合条件（①只开定速机，②不开定速机、变频机变频运行，③二者组合运行）下长时间、安全运行，使工作油面随时稳定在正常油位范围内。在室内负荷较小而压缩机长时间低频运行时，由于压差降低，油分离器及室内机内部的冷冻油不能顺利返回，需要在低频连续运行一段时间后进行高频短期运行，以保证系统安全回油。
5 结论
(1) 本文针对现有技术中存在的缺点，开发了一种低成本的多台制冷压缩机自动均油回路，它不仅生产制造容易，维修、更换配件方便，而且对压缩机安装无任何特殊要求。
(2) 建立毛细管内流动模型，计算并分析了此自动均油回路对变频空调系统回油性能，实验结果表明：此自控装置性能可靠，可用于大、中型变容量制冷系统。
(3) 由于顺利返油过程是一个气油两相流动过程，需仔细研究此流动过程以及排气旁通率，以便准确掌握回油毛细管对系统特性的影响。
参考文献
1 Mitsuo Ogawa etc. Multiple Air Conditioning System for Large Capacity. National Technical Report， 1995，47(5):507～510.
2 Kunie Seigami， Kouji Nagae. "W Multi System" for Building Airconditioning that Combined Plural Outdoor Units with Indoor Units for a Large Capacity. Refrigeration， 1995， 70(812): 628～632.
3 B.B.雅柯勃松著，王士华等译. 小型制冷机. 北京：机械工业出版社，1982：53～56.
4 Pimenta J. On the Suitability of Simple Methods for Fault Detection and Siagnosis. Laboratory Tests and On-Site Studies of Refrigeration System: [Doctor Thesis]. Belgium: Thermodynamic laboratory， University of Liege， 1995.