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)，以其節(jié)能便捷制冷量大便于安裝等特點越來越受到用戶青睞[1]。由于多聯(lián)機具有系統(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，使壓縮機油量降低，最終可能導(dǎo)致壓縮機缺油磨損或卡缸而影響空調(diào)系統(tǒng)正常運行[2]。因此多聯(lián)機運行時，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。通過實驗分析總結(jié)出影響多聯(lián)機回油的因素[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)機正?；赜汀t對空調(diào)低頻運行狀態(tài)進行分析[5]，發(fā)現(xiàn)空調(diào)低頻運行時回油必要性不大，壓機機無磨損風(fēng)險。因此多聯(lián)機低頻運行時回油次數(shù)可適當降低，且可采用降頻方式進行回油?；赜兔毠苁强照{(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，因為不同制冷劑與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]，主毛細管與回油毛細管流量之比為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)機回油控制問題還未得到完全解決，多聯(lián)機回油的進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，采用理論分析和實驗的方法，對6P多聯(lián)機多工況場景下回油進入條件的判斷準確性及其優(yōu)化問題進行研究。

1 回油控制原理及方法

1.1 回油毛細管傳熱分析

空調(diào)系統(tǒng)制冷劑在冷凝器和蒸發(fā)器組件毛細管管中的流動為兩相流過程，已公開文獻對此的研究已非常完備和詳細[8]。但經(jīng)分析可知，當系統(tǒng)缺油時，從油分離器可能進入回油毛細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)致回油毛細管溫度發(fā)生變化。

現(xiàn)對回油毛細管中流體進行傳熱分析，毛細管中流體與外界傳熱示意圖如圖1所示。已知回油毛細管規(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)毛細管入口處流體溫度為t1、出口流體溫度為t2，油與毛細管內(nèi)壁的對流傳熱系數(shù)為h1，純制冷劑與毛細管內(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)從油分進入回油毛細管時流體溫度為90 ℃，即t1=90 ℃，查資料可知氣態(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 ℃。

當油分油位正?；赜晚樌麜r，即回油毛細管中流體為純油，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即為回油毛細管后端溫度，用符號Tout表示。當機組按額定制冷工況運行即室外側(cè)溫度35 ℃、室內(nèi)側(cè)溫度27 ℃時，單開一臺內(nèi)機，實驗測得，油分無油時Tout=77.3 ℃；油分油位正常回油順利時，Tout=56.3 ℃；兩種情況測得油溫相差21 ℃（實驗后文介紹）。而油分油位正常回油順利比系統(tǒng)缺油時Tout理論值高35 ℃左右，理論計算結(jié)果與實驗結(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)機是否需要進入回油狀態(tài)。

1.2 進入條件及回油控制

1.2.1 回油進入條件

通過大量實驗總結(jié)分析，可知多聯(lián)機系統(tǒng)排氣溫度、高壓溫度、低壓溫度對毛細管出口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，與毛細管出口Tout做比較，作為回油進入控制判定條件。

首先，通過對實驗數(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）、壓機排油特性、回油結(jié)束系統(tǒng)穩(wěn)定性等，通過提升壓縮機頻率提升冷媒流速，實現(xiàn)回油目的?；赜皖l率如表1所示。

表1 回油頻率

2 實驗介紹

2.1 測試焓差實驗室介紹

實驗所使用的焓差實驗室系統(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，通過測定實驗室溫濕度、風(fēng)量、壓力、壓差以及電氣性能等參數(shù)，進行空調(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、取樣盒、補水盒、取樣耙、取樣風(fēng)等組成，用來測量被試機進出風(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)機出風(fēng)量。計算所得焓差值與風(fēng)量乘積即可得出被測機的制冷量、制熱量。

2.2 多聯(lián)機系統(tǒng)

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

整個外機系統(tǒng)布置了3個溫度測點和2兩個壓力測點，布置位置如圖3所示。3個溫度測點分別為環(huán)溫測點O、除霜溫度測點P和油溫Toil測點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個壓力測點分別為高壓壓力測點Z1和低壓壓力測點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 實驗方法

實驗時采用手動排空壓縮機和油分油位的方法進行回油進入條件驗證。具體為，首先在壓縮機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。實驗時，當需要系統(tǒng)處于缺油狀態(tài)時則手動打開截至閥，將油排入多聯(lián)機管路系統(tǒng)中，并通過視液鏡觀察油分和壓縮機中油位情況，當兩者中均無油時就認為系統(tǒng)處于缺油狀態(tài)。實驗測試工況在表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“-”表示實驗時對該溫度未做要求。實驗時內(nèi)機負荷開25 %、50 %、100 %（全開）進行測試，實驗分為短連管（內(nèi)外機之間氣液管各5 m）和長連管（內(nèi)外機之間氣液管各150 m）兩種情況。

表2 6 HP平臺配置明細表

表3 實驗測試工況

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負荷時，擬合溫度Tj與實際毛細管出口溫度Tout一致性進行分析。測試時內(nèi)外機之間接管采用短連管方式，當機組運行狀態(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)機負荷分別開25 %、50 %、100 %時Δσ實驗結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，三種內(nèi)機開啟情況下，擬合溫度Tj與實際毛細管出口溫度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 回油進入條件控制方法有效性測試

3.2.1 油分有油時判定準確性測試

測試時內(nèi)外機之間接管采用短連管方式，實驗時記錄油溫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)機負荷開25 %、50 %、100 %時，Tout-(Tj-26)數(shù)值均大于0即Tout＞(Tj-26)，判定結(jié)果為機組不缺油，而此時機組處于油位正常狀態(tài)，因此判斷結(jié)果準確。

3.2.2 油分無油時判斷準確性測試

手動將油分油位排空，然后運行10 min，機組狀態(tài)穩(wěn)定后，記錄實驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄方法與4.1相同，整個實驗過程隨時觀察油分及壓機上油位視液鏡，確保數(shù)據(jù)記錄過程中機組處于缺油狀態(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。因為此時機組處于缺油狀態(tài)，所以應(yīng)有Tout＜(Tj-26)，即Tout-(Tj-26)小于0.由圖6可知，內(nèi)機負荷開25 %時，實驗數(shù)據(jù)均符合要求，判斷準確；而內(nèi)機負荷開50 %及100 %時，六個工況分別有兩個工況Tout-(Tj-26)值大于0，判斷準確性均分別只有66.7 %，機組存在缺油而不進入回油狀態(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，當機組缺油時，回油進入條件判斷結(jié)果與實際不符，需對回油進入條件進行優(yōu)化修正。根據(jù)上述測試結(jié)果，擬將回油進入條件修正如下：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確性進行驗證。

3.3.1 油分有油時判斷準確性驗證

進入條件修正后，分別進行短連管和長連管驗證測試。機組運行穩(wěn)定后，記錄實驗數(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)機開機負荷多少，進入條件均判斷準確。

3.3.2 油分無油時判斷準確性驗證

手動將油分油位排空，然后運行10 min，機組狀態(tài)穩(wěn)定后，記錄實驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法與3.1相同，整個實驗過程隨時觀察油分及壓機上油位視液鏡，確保數(shù)據(jù)記錄過程中機組處于缺油狀態(tài)。短連管和長連管實驗結(jié)果如圖9、圖10所示，由圖9、圖10可知，回油進入條件優(yōu)化后，當機組缺油時，回油進入條件判斷準確，準確率達100 %，比優(yōu)化前內(nèi)機開機負荷50 %、100 %時，判斷準確率均提高33 %以上，機組缺油而不進入回油狀態(tài)情況消失。

4 結(jié)論

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

1）不缺油時回油毛細管后端溫度比缺油時理論值高35 ℃左右，因此可以采用此點溫度判斷多聯(lián)機是否需進入回油狀態(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與實際毛細管出口溫度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)機系統(tǒng)回油判斷條件，多工況驗證時判斷基本準確，該回油控制方案完全可行；

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