润滑油作为压缩机的血液,对减少摩擦磨损、冷却降温、密封泄漏起着至关重要的作用。然而,在实际运行中,润滑油会随着制冷剂一起流动,如果不能及时有效地回到压缩机,就会导致压缩机油量不足,加剧磨损烧毁,降低制冷量和能效比。因此,在制冷系统的管路设计和安装时,必须高度重视压缩机回油问题,采取合理措施,确保润滑油的充分循环。本文将从五个方面,详细阐述压缩机回油管路的设计要点和优化策略。
润滑油作为压缩机的血液,对减少摩擦磨损、冷却降温、密封泄漏起着至关重要的作用。然而,在实际运行中,润滑油会随着制冷剂一起流动,如果不能及时有效地回到压缩机,就会导致压缩机油量不足,加剧磨损烧毁,降低制冷量和能效比。因此,在制冷系统的管路设计和安装时,必须高度重视压缩机回油问题,采取合理措施,确保润滑油的充分循环。本文将从五个方面,详细阐述压缩机回油管路的设计要点和优化策略。
润滑油能否顺利回到压缩机,首先取决于其在管路中的流动状态。根据两相流动理论,当油液比重较大、流速较低时,容易发生油液滞留和摆动,甚至逆向流动[1]。为了保证润滑油能连续稳定地回送,管路中油液流速应维持在临界值以上。
卞树森等[2]通过理论分析和试验测定,得出在蒸发温度50℃工况下,R22环路中油液临界流速的计算公式为:
V_c=0.128σ^0.25(ρ_l-ρ_g)^0.5/μ_l^0.25
式中V_c为临界流速(m/s),σ为表面张力(N/m),ρ_l为油液密度(kg/m3),ρ_g为气相制冷剂密度(kg/m3),μ_l为油液黏度(Pa·s)。该公式表明,临界流速随表面张力增大而增大,随油液密度和黏度的增大而减小。
在管路坡度方面,朱家琪等[3]研究发现,水平管道中临界流速随着坡度的增加先减小后增大,存在一个最小值。当坡度为0.5%~1%时,临界流速降至最低。因此,在设计过程中,应尽量避免长距离水平管路,必要时可将其设置成1%~3%的上坡或下坡,以减小临界流速需求。对于竖直管路,临界流速则随着管长的增加而显著降低。
对于大型或并联压缩机系统,仅靠单一的竖直回油管难以满足油液提升需求,需要在水平管路末端设置U型回油弯,利用气液两相流动的弯道效应,在弯头处形成液封油柱,借助气体冲击带动油液回升[4]。
刘志伟等[5]基于Fluent软件,模拟分析了R410A/POE环路中U型弯管半径、弯角、支管直径等参数对回油效果的影响规律。结果表明,随着弯管半径的增大,弯头处压降减小,回油量先增大后减小,存在最佳值。减小支管直径,可显著降低启动回油所需的临界流速。支管与水平管的夹角以45°为宜,回油效果最佳。
压缩机吸气管不仅要降低进气阻力,还要防止油液被气流带入气缸。吸气管道的直径、长度、型式都会影响油气分离效果。吸气管截面速度以4~8m/s为宜,管径不宜过小,否则阻力增大,压缩机吸气量不足[6]。吸气管以竖直或大角度向上布置为佳,与水平方向夹角不小于45°。
针对涡旋压缩机的进气沉积油回收难题,阎子兴等[7]提出了一种新型双吸气口结构。在吸气腔内设置隔板和小孔,形成主吸气口和副吸气口。主吸气口引入气液两相混合物,利用惯性碰撞实现油气预分离,沉积的油液再经副吸气口回到气缸。试验表明,该结构可将吸气含油量控制在1%以内,大幅改善压缩机润滑。
储油器是系统油量调节和平衡的重要部件,可避免压缩机在瞬时回油不足时发生润滑失效。储油器一般安装在压缩机吸气管附近,与其串联或并联。储油器容积以系统油量的1.2~1.5倍为宜[8],既要储备充足油量,又不宜过大,影响传热和占用空间。
储油器应具有良好的油气分离性能和回油控制能力。刘丙寅等[9]设计了一种旋流式储油器,内部填充多层螺旋片,利用离心力实现油气分离,底部设有U型集油管,利用气流脉冲抽吸油液。试验表明,该储油器油气分离效率可达98%以上,能根据系统需求自动调节回油量。
对于多台压缩机并联的大型系统,如何在压缩机之间实现油量均衡是一大难题。由于受到各压缩机自身性能、管路布置、使用工况等因素的影响,往往会出现个别压缩机回油过多或过少的失衡现象,长此以往,会损坏压缩机,降低系统效率[10]。
解决这一问题的有效途径,是采用集中回油和分配供油相结合的方式。在共用吸气管的下游设置集中回油分离器,将压缩机排出的油气混合物导入其中,利用重力和多级分离充分分离,在回油器底部汇集油液;同时在回油器顶部引出纯净气体,回送至各压缩机吸气口。集中分离的油液再经回油泵加压,通过节流装置平均分配给各压缩机[11]。美国学者Hwang等[12]基于该原理,设计了一种智能回油控制系统,采用电子膨胀阀分别控制各压缩机回油量,配合变频泵实时调节油压,可实现压缩机之间油量的动态平衡。
综上所述,压缩机回油管路设计是制冷系统中的一项关键技术,直接关系到压缩机的运行可靠性和使用寿命。在实际工程中,必须综合考虑润滑油的流动特性、管路的布置方式、气液两相流型态、油气分离机理等诸多因素,合理设计回油管径、坡度、U型弯、吸气口、储油器等关键部件,最大限度地减小油液阻力,促进油液回送,平衡多机回油。
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在满足制冷剂流速和充灌量需求的前提下,尽量减小回油管径,提高油液流速,降低临界值。
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回油立管段高度不宜过长,最好在20m以内。当高度超过30m时,应设置中间储油罐或回油泵。
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在立管与水平管的连接处,宜采用平滑过渡的弯头,尽量避免急剧变径和尖角,减少油液滞留。
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在水平管道末端设置U型回油弯时,弯管半径以水平管直径的1.5~2.5倍为宜,支管直径不小于水平管直径。
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在竖直回油立管的顶部和底部,应设置止回阀防止油液倒流。也可在制冷剂出口处加装微穿孔钎焊板换热器,利用制冷剂的气液相变带动油液流动。
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吸气管道应尽量缩短,减少弯头和变径,避免产生涡流和噪音。进入压缩机的油雾含量控制在1%以下。
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根据系统油量需求,合理确定储油器的容积。储油器液位计和油位计的量程应覆盖在5%~95%。
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并联压缩机系统可采用定压集中回油和定量均分控制相结合的方式。回油泵的流量和扬程应根据系统规模和工况可调。
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制冷剂的选择会影响油的溶解度和黏度,从而改变油液的流动性。应优先选用同油性好、温度滑移小的工质。
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压缩机的启动和停机过程会引起回油状态剧变。宜采取软启动、延时关断等措施,避免启动时液击和停机时倒油。
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在系统管路中设置视油镜和取油阀门,便于观察油位和取样分析,及时发现和处理油品劣化问题。
未来,随着新型压缩机和润滑油品的不断涌现,节能环保要求的日益提高,数字化、智能化技术的广泛应用,压缩机回油管路设计还大有潜力可挖。设计人员应积极学习和吸收相关领域的新理论、新方法,不断优化仿真模型和控制策略,在满足安全高效的同时,为用户提供更加灵活、舒适、节能的制冷系统。
