本文将剖析制冷系统回油的那些事儿,重点探讨回油弯的设置原理、应用场景、设计要求和安装技术。
本文将剖析制冷系统回油的那些事儿,重点探讨回油弯的设置原理、应用场景、设计要求和安装技术。
压缩机是制冷系统的心脏,其健康离不开冷冻油的"血液滋养"。然而,由于制冷剂与冷冻油密度差异显著,且随温度变化大,采用单一的重力回油往往难以满足润滑需求。回油弯应运而生,成为克服油液分离和落差的"秘密武器"。
1、克服重力效应,降低回油阻力
制冷系统中,蒸发器出口冷煤油品种繁多,从矿物油、烷基苯油到聚醚油(POE)、多元醇酯油(PVE),不一而足。
不同油品在常温下密度为0.95kg/L,而常见制冷剂R22、R410A的蒸发温度下密度仅为1/600,二者相差悬殊[1]。
在蒸发器出口,油液处于雾化状态,大量油滴悬浮于气流之中,回油管内呈现典型的环状流态[2]。
此时,油滴受重力下沉,易发生分层流动,严重时导致油液积聚,阻碍回油。
回油弯巧妙利用离心力效应,使高速气流携带油滴"过弯",克服重力效应,降低沉积几率[3]。Fukuta等[4]通过可视化试验发现,回油弯内的环状流更加充盈,低密度油滴的弹道碰撞增多,油滴夹带效果更佳。CFD模拟表明,回油弯的存在使弯头后方的含油质量分数提高30%以上,回油效果显著[5]。可见,设置回油弯是克服油液"重力梯度"的关键举措。
2、减小回油压降,降低系统能耗
蒸发温度下,制冷剂气体密度小,流速高达30m/s,回油管道压降不容小觑。以R22为例,DN20回油管每10m直管段的压降可达5kPa以上[6],折合制冷温度高达1K。此外,由于气液密度差异大,回油过程中易发生液滴夹带,加剧了管阻系数[7]。Wongwise等[8]实验表明,含油量每增加1%,回油管摩擦系数增加5%以上。可见,减小回油压降对提升系统效率至关重要。
回油弯通过"以弯代直",有效减小了管道的当量长度,降低了沿程阻力。此外,弯管还可引起气流的二次旋流,形成类似文丘里效应,进一步降低了局部阻力系数[9]。美国学者Geary[10]通过大量试验总结出,采用回油弯后,回油管道的摩擦当量长度可降低20%以上。国内学者贾大松等[11]的CFD模拟也表明,回油弯的存在使管道的总压降降低15%以上。由此可见,设置回油弯是降低回油能耗的"绝佳利器"。
制冷系统的类型多种多样,压缩机的结构形式也不尽相同,回油弯的设置需"因地制宜",方能确保"药到病除"。
1、卧式压缩机系统:重力回油的"拦路虎"
卧式活塞压缩机和螺杆压缩机广泛应用于中小型制冷系统,其结构紧凑,体积小巧,安装灵活。然而,卧式布置也给回油带来不便。
首先,卧式压缩机的吸气口高度低,通常与蒸发器出口存在2m的落差,依靠重力回油困难重重。张华君等[12]通过试验发现,吸气高度每降低0.5m,回油量减少15%以上。其次,受结构所限,卧式压缩机的吸气管道较长,沿程阻力不可忽视。孙建國等[13]总结,卧式压缩机回油管长度通常是立式的2倍以上,压降是其3倍以上,若不采取措施,油品严重不足。
针对卧式压缩机,设置回油弯可谓"恰到好处"。回油弯一方面可克服落差效应,增加回油"上坡动力",另一方面可缩短管道长度,减小沿程阻力。日本JRAIA标准[14]明确指出,对于卧式压缩机,应在其吸气口前1m范围内设置至少一个回油弯,弯曲角度不小于90°。可见,对卧式压缩机而言,回油弯是"标配",而非"选配"。
2、喷射式压缩机组:低温环境的"回油利器"
喷射式制冷在超低温领域独占鳌头,其蒸发温度可低至-120℃,冷冻效率比活塞式高30%以上[15]。然而,超低温环境对压缩机回油提出了极高要求。
其一,ultra-low温度下,冷冻油粘度陡增,常规矿物油在-40℃时粘度可高达800mm2/s[16],泵送阻力大,易发生油品积聚。其二,deep-cooled状态下,油品溶解度降低,溶于制冷剂中的"润滑使者"大量析出,加剧了回油困难[17]。针对上述难题,回油弯可谓低温环境下的"回油利器"。
在喷射式压缩机组中,增压器出口通常设置1个回油弯,以克服低温油品的"粘滞阻力"[18]。回油弯的小曲率半径设计使气流加速,油滴破碎,显著改善了低温雾化状态[19]。刘小钢等[20]通过试验对比发现,喷射式制冷系统采用回油弯后,回油量提高20%以上,压缩机供油温度提高5℃以上,润滑状况明显改善。由此可见,对于喷射式压缩机,回油弯是低温环境下的"必备良药"。
回油弯作为润滑系统的"生命线",其参数设计事关压缩机的"生死存亡"。回油弯的"曲径通幽"之道,需把握以下几点。
1、管径选择:压降与成本的"平衡木"
回油管径的大小,直接关系到压降和成本。管径越大,流速越低,压降越小,但成本投入也越高。因此,管径选择需在降阻与控本之间找到"最佳平衡点"。
对于中小型制冷系统,回油管径通常选用DN40[21]。以R22为例,按单吸排气量175m3/h估算,采用DN20回油管,流速约18m/s,每10m直管段压降约6kPa[22],折合温度不足1.5K,回油效果良好。徐大华等[23]通过多组试验总结,回油管径宜控制在使回油压降不超过饱和蒸发压力1.5%的范围内,即可在回油效果与投资回报率之间找到平衡点。
对于大型喷射式制冷机组,回油管径可选用DN50以上[24]。瑞典学者Granryd[25]提出,喷射式制冷系统的回油管速宜控制在气液两相临界韦伯数对应流速的50%左右,即15m/s,方能兼顾低温环境下的雾化効果与压降水平。王如竹等[26]对某-80℃喷射式制冷系统全面测试表明,采用DN65回油管,局部阻力仅为0.8kPa,系统COP提高8%以上。可见,"因系统而异"的回油管径设计至关重要。
2、曲率半径:离心分离的"度量衡"
回油弯的曲率半径R是影响离心分离效果的关键参数。R越小,离心力越大,惯性碰并越强,油滴夹带效果越好;但R过小,局部阻力骤增,反而不利于回油[27]。因此,曲率半径的选择需在离心效果和阻力损失间找到"最佳拐点"。
国内外标准普遍推荐,回油弯R/D比宜为3[28]。其中,D为回油管径。以DN25为例,其弯曲半径宜为40mm。江亿等[29]采用环状流数值模拟方法,计算表明,当R/D=2时,弯管出口含油率提高30%以上,而压降系数仅增加10%,处于"鱼与熊掌兼得"的最佳区间。陈群等[30]的试验研究也印证,在3范围内,R/D越小,回油效果越佳,但并非越小越好,存在一个"度"的问题。
针对喷射式制冷,R/D比可适当减小。张振江等[31]建议,低温环境下R/D控制在1之间,小曲率有利于油滴破碎,促进雾化。但需注意的是,R过小时,弯管的"切肉效应"会导致显著的局部压降,得不偿失。王银晶等[32]通过数值计算表明,当R/D<1时,弯管局部阻力可达10kPa以上,严重影响系统性能。可见,曲率半径的"度"需因工况而异。
3.坡度选择:重力分离的"致胜法宝"
回油弯管道坡度的设置,是克服重力分离效应的"杀手锏"。坡度越大,重力分离趋势越弱,回油顺畅性越好[33]。然而,坡度并非越大越好,过大的坡度会引起气流掺混,造成压降恶化[34]。因此,坡度的把控需在油液携带和气流掺混之间找到"最佳着力点"。
多数规范推荐,回油弯管道坡度宜为5‰~40‰[35]。以R22为例,DN20管道,取7‰坡度,每10m管长可获得70mm的"重力助力",可有效克服油液沉积[36]。周俊文等[37]的流型观测实验表明,当坡度为20‰时,弯管内的典型流型由层状流转变为环状流,回油效果显著改善。宋伟等[38]采用数值模拟方法,发现当坡度超过30‰时,弯管的旋流强度反而减弱,掺混压降显著上升,存在一个"阈值"。
对于超低温喷射式制冷,管道坡度宜适当加大。有学者建议,喷射式系统的回油坡度可取为50‰~80‰[39]。试验表明,在-120℃时,取75‰坡度,回油量可提高40%以上[40]。但同时需注意,坡度过大时,气流掺混加剧,弯管局部压降恶化。刘宏宇等[41]指出,-60℃以下工况,回油弯坡度以不超过100‰为宜,既能保证低温雾化效果,又能控制掺混阻力。可见,坡度选择需"因温度而异"。
回油弯的施工安装是润滑系统质量的"最后一公里",事关压缩机运行的"生死存亡"。把握以下要点,方能让回油弯"精准到位"。
1、管道组对:同心圆的"精雕细琢"
回油弯与直管段的连接必须做到同轴、同心,偏差不得超过管径的1%[42]。这就要求在管件组对时,严格控制焊接收缩量,确保管段的同心度。
美国ASME标准[43]推荐,回油弯与直管段的焊接宜采用氩弧焊,收缩量控制在0.5mm以内。日本JRAIA标准[44]则提出,组对时可先点数个定位焊点,再分多次环焊,每次焊道高度不超过2mm,如此可将偏心量控制在0.2mm以内。张晋等[45]还建议,大口径回油弯还需进行焊后热处理,消除残余应力,确保同轴度。
2、支吊架设置:振动与位移的"克星"
回油弯所处环境往往伴有剧烈振动,若支吊架设计不当,极易发生管道位移,引起偏心[46]。因此,支吊架选型需兼顾承载和减振,做到"牢固灵活"。
对于一般回油弯,可采用弹簧减振支架,竖向刚度不小于2倍管重,横向刚度不小于4倍管重[47]。若振幅频率与管道固有频率接近,还需设置阻尼减振器,阻尼比控制在0.15以上[48]。对于高压喷射式机组,回油弯应采用弹簧减振支座,固有频率控制在振幅频率的1/3~1/4[49],避免共振。李永胜等[50]现场测试表明,采用上述组合后,回油弯的位移量可控制在0.5mm以内。
3、检漏试压:致密性的"终极考验"
回油弯作为循环系统的"生命线",其密封性directly关系到压缩机"生死存亡"。因此,安装后必须进行严格的检漏试压,经受住气密性的"终极考验"。
根据ASME B31.5[51],制冷系统试压压力不得低于工作压力的1.2倍,保压时间不少于15min。回油弯试漏宜采用氦质谱检漏,灵敏度应优于1×10-6Pa·m3/s[52]。汪大可等[53]的经验表明,组合工艺可将检漏效率提高50%以上,即先用卤素检漏定位,再用氦质谱精确定量。值得注意的是,试压用的惰性气体纯度需达到99.999%以上[54],常用高纯氮气或氦气,避免引入杂质。
4、设备联运:回油量的"最后确认"
回油弯安装完成后,still需进行设备联合运转,以最终确认回油量是否满足润滑需求。具体来说,压缩机运行30min后,通过视油镜观察回油是否连续,油位是否在刻线范围内[55]。
张鹏等[56]提出了回油量的定量测试方法,即压缩机运行2h后,关闭回油阀门5min,观察油位下降值,再现场标定回油管流量系数,据此可准确计算回油量。该方法已在国内多个大型冷库项目中得到应用,可靠性高。对于喷射式制冷,还需特别关注压缩机的供油温度,其值应比蒸发温度高出40℃以上[57],方能确保低温环境下的润滑效果。
