多聯(lián)機(jī)回油控制及優(yōu)化研究

劉合心 陳 華 趙永紅

（寧波奧克斯電氣股份有限公司 寧波 315100）

引言

隨著社會的發(fā)展，空調(diào)得到應(yīng)用廣泛，其中商用多聯(lián)式中央空調(diào)(以下簡稱多聯(lián)機(jī))，以其節(jié)能便捷制冷量大便于安裝等特點(diǎn)越來越受到用戶青睞[1]。由于多聯(lián)機(jī)具有系統(tǒng)管路長、落差大、分歧彎路多、制冷劑流速可變等特征，導(dǎo)致該系統(tǒng)會在某些情況下出現(xiàn)回油困難的故障情況，造成潤滑油量積聚在管路，使壓縮機(jī)油量降低，最終可能導(dǎo)致壓縮機(jī)缺油磨損或卡缸而影響空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行[2]。因此多聯(lián)機(jī)運(yùn)行時，其回油控制問題的妥善解決非常關(guān)鍵[3]。

對多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)回油問題的探究，在行業(yè)內(nèi)已受到越來越多的重視。通過實(shí)驗(yàn)分析總結(jié)出影響多聯(lián)機(jī)回油的因素[4]，并提出采用直通式油分離器及管路系統(tǒng)中增加回油彎等措施來保證多聯(lián)機(jī)正常回油。則對空調(diào)低頻運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析[5]，發(fā)現(xiàn)空調(diào)低頻運(yùn)行時回油必要性不大，壓機(jī)機(jī)無磨損風(fēng)險。因此多聯(lián)機(jī)低頻運(yùn)行時回油次數(shù)可適當(dāng)降低，且可采用降頻方式進(jìn)行回油?；赜兔?xì)管是空調(diào)系統(tǒng)回油支路上的重要部件，起到充分回油時防止冷媒泄漏到低壓段的作用，因?yàn)椴煌评鋭┡c冷凍油的溶解性不同，所以不同制冷劑種類的空調(diào)系統(tǒng)的回油問題也略有不同。研究R410A制冷系統(tǒng)特性[6,7]，主毛細(xì)管與回油毛細(xì)管流量之比為5.5 %時能較好地滿足制冷系統(tǒng)回油需求。

綜上，目前關(guān)于多聯(lián)機(jī)回油控制問題還未得到完全解決，多聯(lián)機(jī)回油的進(jìn)入條件控制方法及對其的優(yōu)化研究還未見相關(guān)研究成果。因此本文針對以上問題，采用理論分析和實(shí)驗(yàn)的方法，對6P多聯(lián)機(jī)多工況場景下回油進(jìn)入條件的判斷準(zhǔn)確性及其優(yōu)化問題進(jìn)行研究。

1 回油控制原理及方法

1.1 回油毛細(xì)管傳熱分析

空調(diào)系統(tǒng)制冷劑在冷凝器和蒸發(fā)器組件毛細(xì)管管中的流動為兩相流過程，已公開文獻(xiàn)對此的研究已非常完備和詳細(xì)[8]。但經(jīng)分析可知，當(dāng)系統(tǒng)缺油時，從油分離器可能進(jìn)入回油毛細(xì)管的制冷劑處于過熱狀態(tài)，不可能有閃蒸情況出現(xiàn)從而導(dǎo)致回油毛細(xì)管溫度發(fā)生變化。

現(xiàn)對回油毛細(xì)管中流體進(jìn)行傳熱分析，毛細(xì)管中流體與外界傳熱示意圖如圖1所示。已知回油毛細(xì)管規(guī)格可通過壓差和排油量計算得到[10]，因此確定16 P平臺上所用毛細(xì)管規(guī)格為內(nèi)徑d=1.3 mm、厚度δcu=0.65 mm、長度L=800 mm。假設(shè)毛細(xì)管入口處流體溫度為t1、出口流體溫度為t2，油與毛細(xì)管內(nèi)壁的對流傳熱系數(shù)為h1，純制冷劑與毛細(xì)管內(nèi)壁的對流傳熱系數(shù)為h3，銅管壁導(dǎo)熱系數(shù)為λcu，毛細(xì)管與空氣對流傳熱系數(shù)為h2，環(huán)境溫度為t。

取t1與t2的算數(shù)平均數(shù)t0作為毛細(xì)管內(nèi)流體與外界環(huán)境的換熱溫度，即

由傅里葉定律可知，毛細(xì)管中流體與管外側(cè)空氣換熱量為：

式中：

h—系統(tǒng)總的傳熱系數(shù)；

A—毛細(xì)管內(nèi)表面積。

由管內(nèi)流體熱力狀態(tài)變化可知：

式中：

CV—管內(nèi)流體定容比熱；

ρ—流體密度；

V—毛細(xì)管內(nèi)流體體積，即：

由式（1）、（2）、（3）、（4）推導(dǎo)可得：

環(huán)境溫度取t=35 ℃。假設(shè)從油分進(jìn)入回油毛細(xì)管時流體溫度為90 ℃，即t1=90 ℃，查資料可知?dú)鈶B(tài)R410A流速為15 m/s時銅管內(nèi)流動按降溫冷凝假設(shè)，h1=5 000 W/(m2·K)，CVR=1 131 J/(kg·K)，ρR=40.45 kg/m3，空氣自然對流外掠銅管時，h2=15 W/(m2·K)，λcu=401 W/(m2·K)，一般類壓機(jī)油 h3=1 590 W/(m2·K)，CV油=1 870 J/(kg·K)，ρ油=852 kg/m3（參數(shù)可能有出入，只作估算使用）。

油分無油時，此時回油毛細(xì)管中是制冷劑氣體，可知

將上述參數(shù)及式（6）代入公式（5），可求得t2=53.1 ℃。

當(dāng)油分油位正?；赜晚樌麜r，即回油毛細(xì)管中流體為純油，可知

將上述參數(shù)及式（7）代入公式（3），可求得t2=88.4 ℃。

溫度t2即為回油毛細(xì)管后端溫度，用符號Tout表示。當(dāng)機(jī)組按額定制冷工況運(yùn)行即室外側(cè)溫度35 ℃、室內(nèi)側(cè)溫度27 ℃時，單開一臺內(nèi)機(jī)，實(shí)驗(yàn)測得，油分無油時Tout=77.3 ℃；油分油位正?；赜晚樌麜r，Tout=56.3 ℃；兩種情況測得油溫相差21 ℃（實(shí)驗(yàn)后文介紹）。而油分油位正?；赜晚樌认到y(tǒng)缺油時Tout理論值高35 ℃左右，理論計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。由上述分析可知，系統(tǒng)缺油和不缺油時Tout值相差很大，因此可以采用Tout判斷變頻多聯(lián)機(jī)是否需要進(jìn)入回油狀態(tài)。

1.2 進(jìn)入條件及回油控制

1.2.1 回油進(jìn)入條件

通過大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)分析，可知多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)排氣溫度、高壓溫度、低壓溫度對毛細(xì)管出口Tout溫度影響較大，這三個參數(shù)可在一定程度上反應(yīng)Tout。因此擬通過排氣溫度、吸氣溫度、高壓溫度、低壓溫度采用三元一次公式擬合出溫度Tj，然后以Tj為基準(zhǔn)，與毛細(xì)管出口Tout做比較，作為回油進(jìn)入控制判定條件。

首先，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)，暫定擬合公式如下：

式中：

Td—排氣溫度；

Ts—吸氣溫度；

Pd—高壓溫度；

Ps—低壓溫度。

擬暫定回油進(jìn)入條件如下：連續(xù)5 min，Tout＜（Tj-26），即判定系統(tǒng)缺油。

1.2.2 回油控制方法

結(jié)合冷媒流速（≥6 m/s）、壓機(jī)排油特性、回油結(jié)束系統(tǒng)穩(wěn)定性等，通過提升壓縮機(jī)頻率提升冷媒流速，實(shí)現(xiàn)回油目的?；赜皖l率如表1所示。

表1 回油頻率

2 實(shí)驗(yàn)介紹

2.1 測試焓差實(shí)驗(yàn)室介紹

實(shí)驗(yàn)所使用的焓差實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)圖如圖2所示，主要有室外側(cè)測試間和室內(nèi)側(cè)測試間兩個測試間，通過測定實(shí)驗(yàn)室溫濕度、風(fēng)量、壓力、壓差以及電氣性能等參數(shù)，進(jìn)行空調(diào)器制冷量、制熱量及其它各種性能的測試。主要部件功能如下：溫濕度測定器由取樣風(fēng)機(jī)、取樣盒、補(bǔ)水盒、取樣耙、取樣風(fēng)等組成，用來測量被試機(jī)進(jìn)出風(fēng)干、濕球溫度，從而計算焓差值；微差壓計測量風(fēng)量箱壓力；風(fēng)量測定裝置包含噴嘴、差壓計等主要是用來測定被測室內(nèi)機(jī)出風(fēng)量。計算所得焓差值與風(fēng)量乘積即可得出被測機(jī)的制冷量、制熱量。

2.2 多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)

多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)采用的是“一拖四”的模式（即一臺額定制冷量16 kW外機(jī)帶4臺額定冷量4 kW內(nèi)機(jī)運(yùn)行），具體如圖3所示。該多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行方式是：制冷運(yùn)行時，制冷劑從壓縮機(jī)B排出，進(jìn)入油分離器C潤滑油分離回收，經(jīng)四通閥D后進(jìn)入冷凝器G冷凝放熱，然后經(jīng)套管換熱器H過冷，之后經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流降壓后由分液頭V分配后進(jìn)入內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器換熱氣化，在集氣管U中匯集后，經(jīng)四通閥D進(jìn)入氣液分離器A，最后回到壓縮機(jī)B完成整個制冷循環(huán)；制熱運(yùn)行時，制冷劑由壓縮機(jī)B排出，進(jìn)入油分C，然后經(jīng)四通閥D后，進(jìn)入室內(nèi)側(cè)由集氣管U分配后進(jìn)入內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器換熱，經(jīng)分液頭V、套管換熱器H，進(jìn)入冷凝器G換熱，然后經(jīng)四通閥D進(jìn)入氣液分離器A，最后回到壓縮機(jī)B完成整個制熱循環(huán)。

整個外機(jī)系統(tǒng)布置了3個溫度測點(diǎn)和2兩個壓力測點(diǎn)，布置位置如圖3所示。3個溫度測點(diǎn)分別為環(huán)溫測點(diǎn)O、除霜溫度測點(diǎn)P和油溫Toil測點(diǎn)W。溫度的測量采用的是T型熱電偶，測量范圍為-50～150 ℃測量誤差為±0.5 ℃。2個壓力測點(diǎn)分別為高壓壓力測點(diǎn)Z1和低壓壓力測點(diǎn)Z2。壓力的測量選用的是型號為35CP02的壓敏式壓力傳感器，其測量量程范圍為0～5 MPa，測量誤差為±0.01 MPa。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)時采用手動排空壓縮機(jī)和油分油位的方法進(jìn)行回油進(jìn)入條件驗(yàn)證。具體為，首先在壓縮機(jī)底部和油分離器上均安裝帶刻度的視液鏡，用以觀察記錄部件里油位情況，然后在壓縮機(jī)和油分離器底部均焊接與管路系統(tǒng)相通的帶截止閥排油支路，支路為直徑6.35 mm的銅管。實(shí)驗(yàn)時，當(dāng)需要系統(tǒng)處于缺油狀態(tài)時則手動打開截至閥，將油排入多聯(lián)機(jī)管路系統(tǒng)中，并通過視液鏡觀察油分和壓縮機(jī)中油位情況，當(dāng)兩者中均無油時就認(rèn)為系統(tǒng)處于缺油狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)測試工況在表3中給出，制冷和制熱各三個工況，工況格式為“干球溫度/濕球溫度”，表中“-”表示實(shí)驗(yàn)時對該溫度未做要求。實(shí)驗(yàn)時內(nèi)機(jī)負(fù)荷開25 %、50 %、100 %（全開）進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)分為短連管（內(nèi)外機(jī)之間氣液管各5 m）和長連管（內(nèi)外機(jī)之間氣液管各150 m）兩種情況。

表2 6 HP平臺配置明細(xì)表

表3 實(shí)驗(yàn)測試工況

3 結(jié)果與分析

3.1 Tj與Tout一致性分析

首先，對各工況下不同開機(jī)負(fù)荷時，擬合溫度Tj與實(shí)際毛細(xì)管出口溫度Tout一致性進(jìn)行分析。測試時內(nèi)外機(jī)之間接管采用短連管方式，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定后，每隔5 min，統(tǒng)計一次油溫Tout和擬合溫度Tj，共統(tǒng)計3組數(shù)據(jù)，以3組數(shù)據(jù)平均值作為Tout和Tj真實(shí)數(shù)據(jù)。引入偏差概念，用符號Δσ表示，用來衡量Tj與Tout的偏差情況，其計算公式如下：

內(nèi)機(jī)負(fù)荷分別開25 %、50 %、100 %時Δσ實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，三種內(nèi)機(jī)開啟情況下，擬合溫度Tj與實(shí)際毛細(xì)管出口溫度Tout偏差范圍均在7 %以內(nèi)，兩者一致性好，溫度Tj擬合公式合理。

3.2 回油進(jìn)入條件控制方法有效性測試

3.2.1 油分有油時判定準(zhǔn)確性測試

測試時內(nèi)外機(jī)之間接管采用短連管方式，實(shí)驗(yàn)時記錄油溫Tout和擬合溫度Tj，數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法與4.1中相同，然后計算Tout-(Tj-26)數(shù)值，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，內(nèi)機(jī)負(fù)荷開25 %、50 %、100 %時，Tout-(Tj-26)數(shù)值均大于0即Tout＞(Tj-26)，判定結(jié)果為機(jī)組不缺油，而此時機(jī)組處于油位正常狀態(tài)，因此判斷結(jié)果準(zhǔn)確。

3.2.2 油分無油時判斷準(zhǔn)確性測試

手動將油分油位排空，然后運(yùn)行10 min，機(jī)組狀態(tài)穩(wěn)定后，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄方法與4.1相同，整個實(shí)驗(yàn)過程隨時觀察油分及壓機(jī)上油位視液鏡，確保數(shù)據(jù)記錄過程中機(jī)組處于缺油狀態(tài)。統(tǒng)計油溫Tout、擬合溫度Tj，并計算Tout-(Tj-26)數(shù)值，測試數(shù)據(jù)如圖6所示。因?yàn)榇藭r機(jī)組處于缺油狀態(tài)，所以應(yīng)有Tout＜(Tj-26)，即Tout-(Tj-26)小于0.由圖6可知，內(nèi)機(jī)負(fù)荷開25 %時，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合要求，判斷準(zhǔn)確；而內(nèi)機(jī)負(fù)荷開50 %及100 %時，六個工況分別有兩個工況Tout-(Tj-26)值大于0，判斷準(zhǔn)確性均分別只有66.7 %，機(jī)組存在缺油而不進(jìn)入回油狀態(tài)風(fēng)險。

3.3 回油控制優(yōu)化

由上述測試結(jié)果可知，Tj與Tout一致性好，Tj擬合公式不需要修改。但是，部分工況下，當(dāng)機(jī)組缺油時，回油進(jìn)入條件判斷結(jié)果與實(shí)際不符，需對回油進(jìn)入條件進(jìn)行優(yōu)化修正。根據(jù)上述測試結(jié)果，擬將回油進(jìn)入條件修正如下：連續(xù)5 min，Tout＜(Tj-30)時，判定系統(tǒng)缺油。下面對修正后條件準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3.1 油分有油時判斷準(zhǔn)確性驗(yàn)證

進(jìn)入條件修正后，分別進(jìn)行短連管和長連管驗(yàn)證測試。機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法與3.1相同。短連管和長連管Tout-(Tj-30)數(shù)值如圖7、圖8所示，由圖7、圖8可知，進(jìn)入條件修正后正常油位時，短連管和長連管測試，無論內(nèi)機(jī)開機(jī)負(fù)荷多少，進(jìn)入條件均判斷準(zhǔn)確。

3.3.2 油分無油時判斷準(zhǔn)確性驗(yàn)證

手動將油分油位排空，然后運(yùn)行10 min，機(jī)組狀態(tài)穩(wěn)定后，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法與3.1相同，整個實(shí)驗(yàn)過程隨時觀察油分及壓機(jī)上油位視液鏡，確保數(shù)據(jù)記錄過程中機(jī)組處于缺油狀態(tài)。短連管和長連管實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9、圖10所示，由圖9、圖10可知，回油進(jìn)入條件優(yōu)化后，當(dāng)機(jī)組缺油時，回油進(jìn)入條件判斷準(zhǔn)確，準(zhǔn)確率達(dá)100 %，比優(yōu)化前內(nèi)機(jī)開機(jī)負(fù)荷50 %、100 %時，判斷準(zhǔn)確率均提高33 %以上，機(jī)組缺油而不進(jìn)入回油狀態(tài)情況消失。

4 結(jié)論

本文通過理論分析和實(shí)驗(yàn)的方法，給出了根據(jù)回油毛細(xì)管后端溫度判斷多聯(lián)機(jī)是否缺油的依據(jù)，同時以6 P多聯(lián)機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺，對多聯(lián)機(jī)的回油進(jìn)入條件控制方法及其優(yōu)化進(jìn)行了研究。結(jié)論如下：

1）不缺油時回油毛細(xì)管后端溫度比缺油時理論值高35 ℃左右，因此可以采用此點(diǎn)溫度判斷多聯(lián)機(jī)是否需進(jìn)入回油狀態(tài)；

2）以排氣溫度、高壓溫度、低壓溫度三個參數(shù)通過三元一次方程擬合得到的擬合溫度Tj與實(shí)際毛細(xì)管出口溫度Tout，偏差在7 %以內(nèi)，兩者一致性好；

3）擬合溫度Tj結(jié)合油溫Tout組成的多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)回油判斷條件，多工況驗(yàn)證時判斷基本準(zhǔn)確，該回油控制方案完全可行；

4）進(jìn)入條件優(yōu)化后比優(yōu)化前，內(nèi)機(jī)負(fù)荷開50 %和100 %時對缺油的判斷準(zhǔn)確性均提高33 %以上，回油有效性得到提高，機(jī)組無缺油而不回油風(fēng)險。