基于6σ的R290冷媒熱泵空調(diào)低溫制熱性能改善*

□ 胡小青 □ 余 豹 □ 嚴輝容 □ 張 杰

1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川德陽 618000 2.四川省沖壓發(fā)動機先進制造技術(shù)工程實驗室 四川德陽 618000 3.四川長虹空調(diào)有限公司 四川綿陽 621000

1 研究背景

制冷劑是空調(diào)中必不可少的工作介質(zhì),R290是一種新型環(huán)保節(jié)能制冷劑,與R22制冷劑的標準沸點、凝固點、臨界點等基本物理性質(zhì)都十分接近[1]。在節(jié)能、環(huán)保、適用范圍等方面,R290優(yōu)于R22,并且R290具有良好的材料相容特性。R290的汽化潛熱大約是R22的兩倍,因此,采用R290的制冷系統(tǒng)制冷循環(huán)量更小,制冷效率更高。由于R290在低溫時容易產(chǎn)生絮狀物,導(dǎo)致低溫制熱階段R290通過電子膨脹閥時絮狀物在閥內(nèi)累積,造成油堵,降低空調(diào)的功率和品質(zhì)。提高R290冷媒熱泵空調(diào)的低溫制熱性能,首先要解決電子膨脹閥內(nèi)的油堵問題。為了滿足人們越來越高的質(zhì)量和效益要求,精益6σ生產(chǎn)管理模式應(yīng)運而生[2]。6σ使用定義、測量、分析、改進、控制作為實施流程[3],在流程中加入防錯技術(shù)、快速換型技術(shù)等精益生產(chǎn)技術(shù),以及投入小收益大的精益哲理和精益生產(chǎn)快速解決問題的技巧、方法。在每一階段使用6σ和精益生產(chǎn)的各種工具,能夠有效提高R290冷媒熱泵空調(diào)的功率和品質(zhì)。

2 定義、測量

定義、測量是6σ項目實施的基礎(chǔ)步驟,也是決定項目成敗的步驟。6σ項目要求,在研究的過程中必須進行科學(xué)有效的測量,獲取的數(shù)據(jù)必須真實可靠,這樣才能針對性地分析問題,后續(xù)的改善、控制才能有效,進而使整個項目體現(xiàn)出價值[4-5]。隨著R290逐漸進入家用空調(diào)行業(yè),R290冷媒熱泵空調(diào)在低溫工況下壓縮機油溶解度增大。若環(huán)境溫度過低,油黏度增大,高壓側(cè)制冷劑不能克服電子膨脹閥的節(jié)流阻力,則會產(chǎn)生油堵現(xiàn)象[6]。R290冷媒熱泵空調(diào)低溫制熱油堵問題主要是指在室內(nèi)機工況溫度為15 ℃左右,室外機工況溫度為-5 ℃左右時,連續(xù)4 h運行后出現(xiàn)制熱異常。R290冷媒熱泵空調(diào)低溫制熱油堵功率如圖1所示,A線以左為正?；?A線以右的化霜過程中出現(xiàn)了空調(diào)機空轉(zhuǎn),功率降低,制熱異常。

▲圖1 R290冷媒熱泵空調(diào)低溫制熱油堵功率

油堵時的溫度見表1,功率為1 111.1 kW。通過表1數(shù)據(jù)可以看出,A線以右的化霜過程中,電子膨脹閥中部溫度達到-54.8 ℃,低于壓縮機油的傾點,壓縮機油凝固,阻塞制冷劑流動?？照{(diào)化霜過程中,功率由正常時的1 500 kW降低至1 111.1 kW。

表1 油堵時溫度 ℃

3 分析

在精益6σ生產(chǎn)管理的分析階段,主要通過收集測量階段得到的影響較大的工序和因素,有針對性地進行數(shù)據(jù)分析,最終得出具體的關(guān)鍵因素[4]。魚骨圖概念將造成某項結(jié)果的諸多原因以系統(tǒng)圖的方式進行表達,體現(xiàn)出結(jié)果與原因之間的關(guān)系[7]。這一思維模式常被用于進行質(zhì)量分析或問題分析。R290冷媒熱泵空調(diào)低溫制熱異常魚骨圖分析如圖2所示。由圖2可知,最終導(dǎo)致問題的原因確定為五點:① 化霜過程中,室內(nèi)側(cè)蒸發(fā)器和長尺配管處于低溫狀態(tài),一般為-20 ℃以下,此時蒸發(fā)器內(nèi)部壓縮機油的黏度增大;② R290充注量小,約為R22的1/2,使壓縮機油的黏度增大,在管道內(nèi)流動較困難;③ 電子膨脹閥中部溫度達到-40 ℃,低于壓縮機油的傾點,壓縮機油凝固,阻塞制冷劑流動;④ 電子膨脹閥流量小,低溫時,若蒸發(fā)器內(nèi)的混合體變?yōu)樾鯛钗?則易在電子膨脹閥內(nèi)造成油堵;⑤ 室內(nèi)外機溫差太大,導(dǎo)致空調(diào)功率降低。

▲圖2 R290冷媒熱泵空調(diào)低溫制熱異常魚骨圖分析

以上是對可能造成R290冷媒熱泵空調(diào)低溫制熱異常原因的分析,以下針對R290冷媒熱泵空調(diào)工作原理進行分析。R290冷媒熱泵空調(diào)主要由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置組成[8],工作原理如圖3所示。壓縮機啟動運行,空調(diào)切換為制熱模式,當(dāng)系統(tǒng)檢測到室外冷凝器溫度低于設(shè)定的室外控制溫度時,進入化霜模式。在化霜模式下,空調(diào)中的四通閥切換為制冷模式,室內(nèi)外風(fēng)機處于停機狀態(tài)。壓縮機壓縮高溫氣態(tài)制冷劑,通過消聲器消除噪聲,經(jīng)四通閥至室外機的冷凝器,對冷凝器進行化霜,變?yōu)楦邷馗邏簹庖夯旌象w,經(jīng)電子膨脹閥后變?yōu)榈蜏氐蛪阂簯B(tài)制冷劑,經(jīng)截止閥、液管進入室內(nèi)的蒸發(fā)器。此時,低溫低壓液態(tài)制冷劑匯聚至蒸發(fā)器,完成化霜過程。在化霜過程中,室外機中的冷氣集中至室內(nèi)機,使蒸發(fā)器內(nèi)的溫度降低至-40 ℃以下,低于壓縮機油的傾點,壓縮機油凝固。若此時空調(diào)直接切換為制熱模式,則壓縮機壓縮高溫氣態(tài)制冷劑,后經(jīng)四通閥、截止閥、氣管至室內(nèi)機的蒸發(fā)器,與上述蒸發(fā)器內(nèi)的液態(tài)制冷劑混合。由于壓縮機剛啟動,進入蒸發(fā)器中的氣態(tài)制冷劑溫度并不高,而此時蒸發(fā)器中的溫度為-40 ℃,因此從蒸發(fā)器內(nèi)輸出的混合體變?yōu)樾鯛钗?經(jīng)截止閥后至電子膨脹閥。電子膨脹閥流量小,絮狀物在電子膨脹閥內(nèi)造成堵塞,使空調(diào)停機。

▲圖3 R290冷媒熱泵空調(diào)工作原理

4 改進

針對關(guān)鍵因子進行試驗設(shè)計改善,尋找最優(yōu)組合[5]?；袚Q為制熱期間,室外機內(nèi)的冷氣集中至室內(nèi)機,經(jīng)過電子膨脹閥后壓力減小,溫度過低,低于壓縮機油的傾點,電子膨脹閥的流量小,容易累積絮狀物,導(dǎo)致油堵。解決這一問題的關(guān)鍵是融化絮狀物。一是對電子膨脹閥控制流量。如獲取系統(tǒng)化霜后的各個溫度參數(shù),根據(jù)室內(nèi)溫差和室外溫差的大小,適時調(diào)整電子膨脹閥運行的開度,有效避免低溫化霜后電子膨脹閥油堵[9-11]。采用單一控制電子膨脹閥流量的方法,雖然有一定效果,但是效果不佳。二是在電子膨脹閥處設(shè)置加熱裝置,對電子膨脹閥油堵處加熱,融化絮狀物,解決低溫制熱油堵現(xiàn)象。這一方法雖然有效,但是在空調(diào)運行時不易操作。三是出現(xiàn)制熱異常后,停機2 min再啟動制熱,使室內(nèi)外機壓力平衡,使系統(tǒng)盡量接近初次啟動狀態(tài)[12]。這一方法雖然有效果,但是效果不明顯。若停機時間再長些,從理論上分析效果會更好,但是會降低用戶體驗度,存在被用戶投訴的風(fēng)險。筆者通過試驗設(shè)計的方法來提高R290冷媒熱泵空調(diào)低溫制熱性能,保證空調(diào)的品質(zhì)。

5 控制

5.1 試驗設(shè)計策劃

進行試驗設(shè)計之前,需要完成試驗設(shè)計策劃表,包括五方面。

(1) 問題描述。前文已描述。

(2) 試驗?zāi)繕?。避免電子膨脹閥處的油堵問題,防止壓縮機空轉(zhuǎn),提高低溫狀態(tài)下空調(diào)的制熱性能及品質(zhì)。

(3) 試施路線。對室內(nèi)機軟件進行優(yōu)化升級,化霜結(jié)束后由原來的不停機升級為停機1 min再啟動運行。啟動制熱模式時,需要將電子膨脹閥的流量控制在最大狀態(tài)。

(4) 試驗所需條件。需要兩臺樣機,工況溫度為室內(nèi)15 ℃、室外-5 ℃。試驗時間為連續(xù)工作十幾個周期,一個周期為45 min左右。

(5) 試驗判斷。需要判斷空調(diào)功率是否正常。

5.2 控制總方案

R290冷媒熱泵空調(diào)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示,包括通過系統(tǒng)總線連接的處理器、存儲器。其中,存儲器包含非易失性存儲介質(zhì)和內(nèi)存儲器。非易失性存儲介質(zhì)存儲有操作系統(tǒng),可存儲計算機程序。計算機程序被處理器執(zhí)行時,可實現(xiàn)R290冷媒熱泵空調(diào)控制方法。正常制熱中,當(dāng)檢測到室外溫度過低需要化霜時,進入化霜模式,并檢測空調(diào)化霜是否完成。當(dāng)檢測到化霜完成時,控制空調(diào)停機1 min,重啟空調(diào),進入正常制熱模式,同時將電子膨脹閥流量調(diào)控至最大狀態(tài)。

5.3 化霜結(jié)束后停機控制

在冬季較冷的地區(qū),室外溫度一般都低于冰點?？照{(diào)室外機中的冷凝器在制熱過程中,由于蒸發(fā)吸熱過程很容易造成結(jié)霜,甚至結(jié)冰。如結(jié)霜后不及時清除,會導(dǎo)致空氣流動受阻,影響空調(diào)的制熱性能。由此可見,在制熱過程中,會伴隨化霜過程?；念l率與室外溫度有關(guān),室外溫度越低,化霜操作越頻繁。根據(jù)室外機中冷凝器的溫度是否達到設(shè)定溫度,判斷是否需要進行化霜。若沒有達到設(shè)定溫度,控制系統(tǒng)就會進入化霜模式。R290冷媒熱泵空調(diào)控制方法流程如圖5所示。

▲圖4 R29冷媒熱泵空調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

▲圖5 R290冷媒熱泵空調(diào)控制方法流程

在步驟104中,當(dāng)檢測到化霜完成時,控制空調(diào)停機1 min。

通常需要根據(jù)化霜時的壓縮機頻率、室外機電流大小及化霜時間來判斷化霜是否完成。當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)滿足預(yù)設(shè)條件時,則認定為化霜完成,并退出化霜模式。在原有技術(shù)中,此時直接開始進行制熱。而在優(yōu)化試驗中,空調(diào)需停機1 min,目的是使系統(tǒng)溫度平衡,即室內(nèi)機的冷氣和室外機的熱氣溫度平衡中和,從而提高室內(nèi)機中蒸發(fā)器內(nèi)低溫低壓液態(tài)制冷劑的溫度,降低開始制熱時壓縮機壓縮的高溫高壓氣態(tài)制冷劑進入蒸發(fā)器因溫度不高而形成絮狀物的風(fēng)險。

在步驟106中,重啟空調(diào),進入正常制熱模式。

完成室內(nèi)外熱平衡后,再進行制熱,經(jīng)壓縮機壓縮的高溫高壓氣態(tài)制冷劑雖然溫度不高,但是蒸發(fā)器中液態(tài)制冷劑已經(jīng)經(jīng)過熱平衡,溫度已經(jīng)回升至傾點以上,此時進行混合不易產(chǎn)生絮狀物,從蒸發(fā)器輸出的制冷劑也不易在電子膨脹閥中形成油堵,避免因油堵造成壓縮機空轉(zhuǎn)的問題。

5.4 電子膨脹閥流量控制

在優(yōu)化試驗中,將電子膨脹閥的流量控制在最大狀態(tài),且保持30 s,保證壓縮機油順利通過電子膨脹閥,進一步解決因油堵造成的壓縮機空轉(zhuǎn)問題。

重啟空調(diào)后的具體流程如圖6所示。在優(yōu)化試驗中,重啟空調(diào),進入正常制熱模式。

▲圖6 重啟空調(diào)具體流程

在步驟202中,重啟空調(diào)后,將電子膨脹閥調(diào)至預(yù)設(shè)位置并運行30 s。預(yù)設(shè)位置的步數(shù)大于初始位置的步數(shù),初始位置為正常制熱時的位置。

步數(shù)用于衡量電子膨脹閥閥門的開度,步數(shù)越大,開度越大,流量也越大。在重啟空調(diào)后,雖然蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑溫度已經(jīng)有所回升,但仍可能有產(chǎn)生絮狀物的風(fēng)險,因此控制電子膨脹閥至預(yù)設(shè)位置,以保證剛開始制熱時,液態(tài)制冷劑能夠順利通過電子膨脹閥而不形成油堵。經(jīng)過30 s后,蒸發(fā)器內(nèi)的溫度升高至無法形成絮狀物。

在步驟204中,將電子膨脹閥調(diào)回至初始位置,進入正常制熱模式。

經(jīng)過上述步驟后,蒸發(fā)器內(nèi)的溫度已在傾點之上,不會再形成絮狀物。此時將電子膨脹閥調(diào)回至初始位置,進入正常制熱模式。

經(jīng)過優(yōu)化試驗,進一步提高了R290冷媒熱泵空調(diào)的制熱效率,保證了空調(diào)的正常運行,防止壓縮機空轉(zhuǎn),并延長了壓縮機的使用壽命。

5.5 試驗結(jié)果分析

優(yōu)化試驗中化霜功率試驗結(jié)果如圖7所示。優(yōu)化試驗中,兩臺樣機在室內(nèi)工況溫度為15 ℃,室外工況溫度為-5 ℃下,啟動制熱模式連續(xù)工作十幾個周期,一個周期為45 min左右,化霜功率曲線呈現(xiàn)周期性變化?？照{(diào)功率正常,化霜正常,未出現(xiàn)油堵現(xiàn)象,證明了優(yōu)化方案有效可行。

6 結(jié)束語

筆者基于6σ對R290冷媒熱泵空調(diào)低溫制熱性能進行改善,采取對室內(nèi)機軟件進行優(yōu)化升級和調(diào)控電子膨脹閥流量相結(jié)合的方案,有效解決了R290冷媒熱泵空調(diào)在低溫制熱時的油堵問題,防止了壓縮機空轉(zhuǎn),提高了R290冷媒熱泵空調(diào)的品質(zhì),取得了良好效果,為改善同類可燃性冷媒熱泵空調(diào)的低溫制熱性能提供了參考。

▲圖7 優(yōu)化試驗中化霜功率試驗結(jié)果