多聯(lián)機(jī)低溫啟動初期回油毛細(xì)管凍結(jié)試驗(yàn)研究

引言

空調(diào)渦旋壓縮機(jī)中冷凍油的作用主要體現(xiàn)在以下6個方面:

(1)潤滑,減小壓縮機(jī)運(yùn)行摩擦和磨損程度,從而延長壓縮機(jī)的使用壽命:

(2)密封,防止動渦旋盤和定渦旋盤之間氣體泄漏,提高冷量:

(3)抗腐蝕、防銹,防止系統(tǒng)殘留的水分產(chǎn)生銹蝕:

(4)冷卻,冷凍油在壓縮機(jī)各運(yùn)動部件間潤滑時,可帶走工作過程中所產(chǎn)生的熱量,使得各運(yùn)動部件保持較低的溫度,防止摩擦所產(chǎn)生的高熱化,從而提高壓縮機(jī)的效率和使用的可靠性:

(5)清洗分散,除去滑動面的磨耗粉與碳化物:

(6)減振、卸荷,運(yùn)動部件在油膜上運(yùn)動,有緩沖作用,油膜還可將集中負(fù)荷均勻分布在配合面上,阻擋聲音傳遞,起降噪作用。

油的循環(huán):在空調(diào)系統(tǒng)中,壓縮機(jī)完成壓縮過程后,冷凍油隨高溫氣態(tài)制冷劑排出,隨后進(jìn)入油分離器進(jìn)行制冷劑、冷凍油分離,在壓差作用下油分離器底部冷凍油經(jīng)過回油毛細(xì)管回到回氣管、進(jìn)入壓縮機(jī),形成油路的主要循環(huán)過程:少量冷凍油隨著制冷劑進(jìn)入冷凝器、蒸發(fā)器換熱,伴隨制冷劑循環(huán)到氣液分離器、回到回氣管、進(jìn)入壓縮機(jī),形成油路的次要循環(huán)過程。

對于多聯(lián)機(jī)系統(tǒng),在低溫長時間斷電放置后首次上電運(yùn)行,壓縮機(jī)啟動初期,由于環(huán)境溫度低、壓縮機(jī)排氣溫度低,空調(diào)系統(tǒng)的高低壓差未有效建立,難以克服冷凍油在回油毛細(xì)管中的摩擦阻力,使得毛細(xì)管呈現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象,出現(xiàn)壓縮機(jī)回油短暫困難。針對以上現(xiàn)象,本文以FVC68D冷凍油為例[5],研究冷凍油的運(yùn)動粘度,基于流體力學(xué)計算回油毛細(xì)管壓降,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,尋求解決方案。

1回油毛細(xì)管凍結(jié)的理論基礎(chǔ)分析

1.1冷凍油運(yùn)動粘度

冷凍油FVC68D/制冷劑R410A的壓力一溫度一溶解度一運(yùn)動粘度關(guān)系如圖1所示。

由圖1分析,相同制冷劑溶解度條件下,溫度越低,冷凍油的運(yùn)動粘度越大:相同溫度條件下,制冷劑溶解度越大,冷凍油的運(yùn)動粘度越小。

在油分離器中,制冷劑和冷凍油分離,油中幾乎沒有制冷劑,制冷劑溶解度默認(rèn)為0%,查圖1得到FVC68D在40℃和100℃的運(yùn)動粘度。

低溫下,制冷劑難溶于冷凍油中,制冷劑密度比冷凍油密度大(0℃下,制冷劑密度為1.18kg/1,FVC68D冷凍油密度為0.938kg/1),低溫長時間放置后會出現(xiàn)分層,下層為液態(tài)制冷劑,上層為冷凍油,冷凍油中制冷劑的溶解度也取值為0%,查圖1得到FVC68D在-20℃的運(yùn)動粘度。

FVC68D在-20℃、40℃、100℃的運(yùn)動粘度對比如表1所示。

由摩擦理論可知,推動回油毛細(xì)管內(nèi)部的冷凍油循環(huán)需要克服相對運(yùn)動產(chǎn)生的粘性摩擦阻力,潤滑油的摩擦阻力可按照以下公式來計算:

式中:v為潤滑油的運(yùn)動粘度:s為接觸面積:u為速度:y為配合間隙之間的距離。

由公式可知,潤滑油的粘性摩擦阻力F與潤滑油的運(yùn)動粘度v成正比關(guān)系,潤滑油的運(yùn)動粘度v越大,潤滑油的粘性摩擦阻力F越大。結(jié)合表1,低溫長時間斷電放置后,回油毛細(xì)管內(nèi)部冷凍油的粘性摩擦阻力F比常溫下粘性摩擦阻力要大得多。

低溫長時間放置后,回油毛細(xì)管內(nèi)部的冷凍油運(yùn)動粘度較大,回油毛細(xì)管內(nèi)部的冷凍油的粘性摩擦阻力比較大,當(dāng)首次上電開機(jī)時,系統(tǒng)未能在短時間內(nèi)建立起良好的高低壓差來克服回油毛細(xì)管內(nèi)部的冷凍油的粘性摩擦阻力,從而無法推動冷凍油循環(huán)起來,呈現(xiàn)出冷凍油"凍結(jié)"現(xiàn)象。

1.析毛細(xì)管壓降分析

根據(jù)流體力學(xué)理論達(dá)西·魏斯巴赫公式,沿程阻力計算公式推導(dǎo)過程如下:

式中:AP為沿程阻力:入為沿程阻力系數(shù):1為管長:d為管徑:p為密度:g為斷面平均流速:.m為循環(huán)量:A為橫截面積。

把流速g替換,得到:

沿程阻力系數(shù)可通過經(jīng)驗(yàn)計算,入=15.7,替換得到:

由上述推導(dǎo)過程得到沿程阻力經(jīng)驗(yàn)計算公式如下:

式中:G為循環(huán)量:1為管長:d為管徑:den為密度。

由公式可知,毛細(xì)管壓降與長度成正比,與內(nèi)徑的五次方成反比。在某相同系統(tǒng)條件下,系統(tǒng)管路的循環(huán)量為26.7kg/h,密度為1020.7kg/m3,以內(nèi)徑1.2mm×長度600mm、內(nèi)徑1.2mm×長度900mm、內(nèi)徑1.6mm×長度600mm回油毛細(xì)管為例進(jìn)行阻力對比,計算結(jié)果如表2所示。

由表2可以計算得出:

(1)與毛細(xì)管2相比,毛細(xì)管1的壓損可降低33.33%,即將3.0mm×1.2mm×900mm的回油毛細(xì)管替換為3.0mm×1.2mmx600mm可明顯降低毛細(xì)管壓損。低溫長時間放置后,當(dāng)首次上電開機(jī)時,相同內(nèi)徑條件下,600mm長度毛細(xì)管的冷凍油凍結(jié)時間比900mm長度毛細(xì)管的冷凍油凍結(jié)時間理論上可以有效縮短。

(2)與毛細(xì)管1相比,毛細(xì)管3的壓損可降低76.27%,即將3.0mm×1.2mm×600mm的回油毛細(xì)管替換為3.0mm×1.6mm×600mm可顯著降低毛細(xì)管壓損。低溫長時間放置后,當(dāng)首次上電開機(jī)時,相同長度條件下,1.6mm內(nèi)徑毛細(xì)管的冷凍油凍結(jié)時間比1.2mm內(nèi)徑毛細(xì)管的冷凍油凍結(jié)時間理論上可以有效縮短。

2試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果分析

冷凍油運(yùn)動粘度可能直接影響壓縮機(jī)的潤滑效果,進(jìn)而影響壓縮機(jī)的可靠性,因此雖然根據(jù)前面的理論分析,冷凍油的運(yùn)動粘度對推動回油毛細(xì)管內(nèi)部的冷凍油循環(huán)需要克服相對運(yùn)動產(chǎn)生的粘性摩擦阻力影響很大,但使用低粘度標(biāo)號冷凍油涉及壓縮機(jī)可靠性風(fēng)險評估,本文沒有采用低粘度標(biāo)號冷凍油進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2.1試驗(yàn)驗(yàn)證方案

針對上一節(jié)理論分析的內(nèi)容,本文試驗(yàn)采用12匹多聯(lián)機(jī)外機(jī),分別使用內(nèi)徑1.2mm、長度900mm和內(nèi)徑1.2mm、長度600mm的回油毛細(xì)管,內(nèi)機(jī)配比100%,在-20℃環(huán)境溫度下斷電放置9h以上,啟動前確保壓縮機(jī)殼頂溫度與環(huán)境溫度的差值在2℃以內(nèi)(如不滿足此條件則需要延長斷電放置時間),回油毛細(xì)管上設(shè)置有溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時溫度采集,進(jìn)行毛細(xì)管凍結(jié)試驗(yàn)研究。

2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

測試結(jié)果如圖2、圖3所示。

回油毛細(xì)管凍結(jié)時間對比如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果顯示,600mm長度毛細(xì)管的冷凍油凍結(jié)時間比900mm長度毛細(xì)管的冷凍油凍結(jié)時間縮短了3min28s,縮減幅度達(dá)到54%,且600mm長度毛細(xì)管冷凍油解除凍結(jié)后油溫上升速度更快。試驗(yàn)結(jié)果與1.2中的理論分析趨勢相符合。冷凍油凍結(jié)時間縮短意味著壓縮機(jī)回油困難的時間縮短,壓縮機(jī)出現(xiàn)缺油運(yùn)行現(xiàn)象的風(fēng)險更低。

3結(jié)論

本文針對多聯(lián)機(jī)在低溫長時間放置后首次上電,壓縮機(jī)啟動初期回油毛細(xì)管凍結(jié)、回油困難的現(xiàn)象,以FVC68D冷凍油為例,研究冷凍油的運(yùn)動粘度,借助流體力學(xué)計算回油毛細(xì)管壓降,并通過12匹多聯(lián)機(jī)外機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)相同制冷劑溶解度條件下,溫度越低,冷凍油的運(yùn)動粘度越大:相同溫度條件下,制冷劑溶解度越大,冷凍油的運(yùn)動粘度越小。

(3)潤滑油的粘性摩擦阻力與潤滑油的運(yùn)動粘度成正比關(guān)系,潤滑油的運(yùn)動粘度越大,潤滑油的粘性摩擦阻力越大,所以低溫長時間斷電放置后,回油毛細(xì)管內(nèi)部冷凍油的粘性摩擦阻力F比較大。

(3)回油毛細(xì)管壓降與長度成正比,長度越大,回油毛細(xì)管壓降越大:回油毛細(xì)管壓降與內(nèi)徑的五次方成反比,內(nèi)徑越小,回油毛細(xì)管壓降越大。

(4)在多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)中,適當(dāng)縮短回油毛細(xì)管長度或使用內(nèi)徑更大的回油毛細(xì)管,可以有效縮短多聯(lián)機(jī)低溫長時間放置后啟動初期回油毛細(xì)管凍結(jié)的時間,壓縮機(jī)出現(xiàn)缺油運(yùn)行現(xiàn)象的風(fēng)險更低。