多聯機制熱回油技術研究

宋培剛，劉合心

(國家節能環保制冷設備工程技術研究中心，珠海519070)

1 前言

由于多聯機通常會應用到長連接管和高落差的使用場合，潤滑油一旦隨著制冷劑排出壓縮機，進入制冷系統的管路及換熱器中，在很多情況下，不易重新回到壓縮機。所以，多聯機需要依靠一些措施，來保證其系統中的適量潤滑油很快回到壓縮機，從而保證壓縮機能夠正常潤滑運轉。其中，回油是保證多聯機系統潤滑油正常的主要措施之一。

制冷模式和制熱模式下，多聯機系統內的制冷劑狀態和流速不同，潤滑油在其中儲存的位置也不同。因此，多聯機制冷模式下回油和制熱模式下回油的機理需要進行分別評估，并區分對待。部分文獻中考慮到從室外換熱器過熱器到壓縮機吸氣口這部分管路較短，提出了制熱運行不用考慮回油，此種分析結論值得商榷［1］。相反，考慮制熱停機室內機和氣側長連接管等因素，制熱循環過程中回油比制冷回油更有必要。但是，目前的產品和資料顯示，制熱模式下回油大部分均采用的是轉到制冷模式下進行回油的。這種處理方式雖然提高了回油效果，但是存在影響制熱效果等問題。那么，如果制熱模式下的回油能采用四通閥不換向方式，可達到了既不影響制熱效果又使潤滑油返回壓縮機的目的。由此可見，制熱不換向回油課題是多聯機回油研究中極為重要的部分。

2 常見回油技術分析

2.1 制冷回油

制冷模式下，多聯機系統可劃分為以下部分，見圖1:(1)壓縮機排氣管到室外換熱器進管;(2)室外換熱器進管到室內電子膨脹閥前;(3)室內電子膨脹閥后到室內換熱器出管;(4)室內換熱器出管到壓縮機吸氣口。

在第一管路段部分，由于制冷劑是高溫高壓氣態，且潤滑油為霧狀物，兩者充分混合，并且此段管路流程較短，不會有貯存潤滑油的問題。在第二管路段部分，制冷劑在室外換熱器中冷凝成液態，潤滑油在液態制冷劑中的溶解度較大，故潤滑油可隨液態制冷劑一起流動，所以，此段管路貯存潤滑油的可能性也較小。在第三管路段部分，制冷劑在室內換熱器中蒸發，在逐漸相變的過程中，潤滑油與之逐步分離，潤滑油可能會貯存此處。在第四管路段部分，制冷劑與潤滑油狀態與第三部分類似，雖然氣態制冷劑的流速較快，但是分離出來的潤滑油在室內換熱器過熱器區貯存的可能性大。并且，此段管路較長，故這一部分管路內可能積存大量潤滑油。其中，汽液分離器內潤滑油的狀態和回油方式，與其本身結構關系密切，故不在此贅述。

綜上所述，在制冷模式下，較易貯存潤滑油的管路段主要有從室內電子膨脹閥后到室內換熱器出管、從室內換熱器出管到壓縮機吸氣口。其中，后者的貯油量可能較多。

圖1 多聯機系統簡圖

2.2 制熱回油

制熱模式下，多聯機系統可劃分為以下部分:(1)壓縮機排氣管到室內換熱器進管;(2)室內換熱器進管到室內電子膨脹閥前;(3)室內電子膨脹閥后到室外電子膨脹閥前;(4)室外電子膨脹閥后到壓縮機吸氣口。

在第一管路段部分，制冷劑是高溫高壓氣態。雖然潤滑油剛從壓縮機排出來后呈霧狀，能夠和制冷劑混合，但是由于此管路段管徑大且長，潤滑油在此段管路內貯存的幾率很大。在第二管路段部分，氣態制冷劑在其中逐漸冷凝，潤滑油與液態制冷劑相溶，因此在此段管路貯存潤滑油較少。但是停機室內換熱器內貯存潤滑油的可能性較大。在第三管路段部分的制冷劑大多為過冷液態，在一般情況下，潤滑油可被液態制冷劑帶走。在第四管路段部分，制冷劑在室外換熱器中蒸發相變，潤滑油與之逐步分離，潤滑油可能會貯存此處。

綜上所述，在制熱模式下，較易貯存潤滑油的管路段主要有從壓縮機排氣管到室內換熱器進管、停機室內換熱器、從室內換熱器出管到壓縮機吸氣口。其中，前兩者的貯油量可能較為突出。

2.3 常見制熱回油方式

從以上分析可見，與制冷循環相比，多聯機制熱循環過程中可能大量貯存潤滑油的管路段更多，更需要回油，以確保有充分量的潤滑油回到壓縮機，從而保證多聯機系統安全運行。

目前，多數多聯機產品在制熱運行時，回油均采用轉到制冷循環下進行。原因在于，相同室內外環境溫度下，制冷循環與制熱循環時，制冷劑在液管中流速相差不大，而在氣管中流速相差2～3倍［2］。再者，制冷循環時易貯存潤滑油的管段比制熱循環少。

但是，由于制熱回油過程中，四通閥需要換向，系統從制熱循環切換為制冷循環，室內換熱器切換為低壓側。同時，為了避免吹冷風，必須強制關閉室內風機。這種制熱回油方式存在兩個問題:(1)回油過程中，無法繼續為室內側供暖，舒適性降低，并且室內風機開停的過程中會產生間歇噪音;(2)此時的系統可靠性對室內電子膨脹閥依賴性較高，室內電子膨脹閥的開度會影響到回油效果和壓縮機吸氣狀態。若開度過小，制冷劑節流效果嚴重，與潤滑油分離，對回油不利;若開度過大，勢必蒸發不良，增加了壓縮機吸氣回液的風險。

3 不換向回油理論分析

3.1 主氣管制冷劑流速的計算

不同于普通一拖一空調，多聯機系統內機有多臺，冷媒在經過分歧管后分配到各個內機。在分歧管前的氣管段，即主氣管內冷媒尚未分配，系統穩定時，忽略回油毛細管內冷媒流量，可認為主氣管的質量流量和吸氣管道內冷媒質量流量相等:

吸氣管道內冷媒質量流量可由吸氣管內冷媒密度ρsuck和冷媒體積流量Vsuck確定，其中:

式中，Psuck，Tsuck，f，V 分別代表吸氣壓力、吸氣溫度、壓縮機頻率和壓縮機氣缸容積。壓縮機主氣管測試點冷媒密度ρmain可由主氣管溫度Tmain，主氣管壓力Pmain確定，即:

主氣管內冷媒體積流量Vmain可由式 (1)和式(4)確定:)

由式 (5)，結合主氣管內徑d即可計算主氣管內冷媒流速:

以名義制熱工況全開內機為例，計算某款6HP多聯機在不同頻率下主氣管內冷媒流速，計算結果如表1:

表1 冷媒流速計算結果

由表1可知當頻率較低時，主氣管內冷媒流速較低。相對于吸氣管段，經過壓縮機壓縮后排出的氣體密度較大，體積流量相對吸氣管道較小，而主氣管管徑較大，因而制熱時主氣管段內氣體流速相對于吸氣管道要小很多。當壓縮機頻率較小時，主氣管段由于流速較低，易于存油。

3.2 開機內機氣管內制冷劑流速計算

由于經過分歧管后冷媒將分配至各個內機，通過各內機的冷媒量不易直接測量到。這里通過測試某臺內機的換熱量Q確定其氣管內冷媒流速。計算過程見圖2。

制熱運行時室內機充當冷凝器的角色，不同于單元機，多聯機內機在制熱運行時可能存在部分內機開機，部分內機關機。為了保證系統冷媒的循環，停機內機的電子膨脹閥一般保持一定的開度，即關機內機管道內仍然存在冷媒的流動。表2為部分負荷時系統內冷媒流速的計算結果。

圖2 計算過程

表2 部分負荷時系統內冷媒流速的計算結果

由表2可知當單開2HP內機時，流經2HP機的冷媒質量流量占整個系統冷媒質量流量的79.17%，即流經其他三臺關機內機的冷媒流量為系統冷媒流量的20.83%。當運行2HP機+3HP機時，流經停開內機的冷媒流量僅為1－44.76% －53.46%=1.78%，停開內機冷媒流速必然很低。因此對于多聯機，制熱部分負荷運行時，停開內機氣管內冷媒流速很低，亦有可能存油。

3.3 各管路段回油措施

(1)壓縮機排氣管到室內換熱器進管:相對于吸氣管段，冷媒經過壓縮機壓縮后，密度較大，體積流量較小，主氣管段內流速較低。當壓縮機頻率較小時，主氣管段可能存油。針對該管段存油，若使用不換向回油可通過提升壓縮機頻率以提升冷媒流速來實現回油。

(2)室內換熱器進管到室內電子膨脹閥前:由于制熱運行時內機充當冷凝器角色，氣態冷媒在內機中冷凝為液態，液態冷媒中溶解部分潤滑油，對于該部分潤滑油可通過開大內機電子膨脹閥，放出換熱器中存有的液態冷媒實現回油。另外，由上面分析可知，制熱運行時停開內機氣管內流速很低，可能存油，對于該管段存油，可通過開大該內機電子膨脹閥開度的方法實現回油。

(3)室內電子膨脹閥后到室外電子膨脹閥前:該部分管段為中壓區，冷媒狀態為氣液兩相態向過冷態過渡。該部分管段中潤滑油溶解于液態冷媒中，潤滑油隨著液態冷媒的流動而實現回油。

(4)室外電子膨脹閥后到壓縮機吸氣口:冷媒經過室外機電子膨脹閥的節流在室外機換熱器內蒸發。在蒸發器過熱區當冷媒流速較低時亦有可能存油，對于該部分存油，可通過提高壓縮機頻率以加大冷媒流速實現回油。

4 制熱不換向實驗驗證

4.1 試驗臺搭建

試驗臺包括6HP多聯室外機一臺，室內機四臺，分別為兩臺1HP機、一臺2HP機和一臺3HP機。在壓縮機上布置視液鏡，觀察壓縮機內的潤滑油油面位置。在適當位置布置壓力和溫度測試點。

4.2 回油效果確認

名義制熱運行，回油前將壓縮機內潤滑油排出到主氣管內，為保證機組安全，將液位保持在壓縮機下視液鏡的一半。并將壓縮機設定較低頻率運行一段時間，壓縮機內油位未有上漲，即此時潤滑油不能隨冷媒流動有效回油。執行回油動作完成，約8min后壓縮機油位上漲至上視液鏡與下視液鏡之間，約20min后壓縮機油位上漲至上視液鏡滿。由此可以確認名義制熱工況下不換向回油可行。圖3為制熱回油后壓縮機油面變化圖。

圖3 制熱回油后壓縮機油面變化圖

4.3 回油高壓變化情況

由于制熱不換向回油過程中四通閥沒有掉電，室內換熱器一直充當冷凝器的角色，因此整個回油過程中內機保持供熱，換向回油時內機停止供熱的問題得到根本上的解決，用戶舒適性得到保證的同時，確保了壓縮機運行的可靠性。圖4是制熱不換向回油時系統高壓、低壓和排氣溫度的變化情況。

圖4 制熱回油后主要參數變化曲線

由圖4可知:回油過程中高壓由46℃逐漸上升，最高上升至53℃?；赜徒Y束后由于壓縮機輸出變化高壓逐漸下降至46℃?；赜瓦^程中高壓略有提升，回油的同時保證了制熱效果。

5 結論

(1)從理論上分析了多聯機制熱循環過程中可能大量貯存潤滑油的管路段更多，比制冷循環更需要回油，以確保有充分量的潤滑油回到壓縮機。

(2)名義制熱運行時，多聯機的主氣管內冷媒流速較低。當壓縮機頻率較小時，主氣管段由于流速較低，易于存油。

(3)名義制熱部分負荷運行時，多聯機的停開內機氣管內冷媒流速很低，亦有可能存油。

(4)對不同管路段，采用不同回油措施，可實現多聯機制熱不換向回油。實驗證明，此方案不僅能保證制熱回油效果，且可對室內持續供暖。

［1]招偉，薛京力，顧中平，等，一拖多空調制冷系統的回油及貯油試驗研究［J］.制冷學報，2002，(2):60－63

［2]涂虬，毛守博，國德防，等.多聯機空調系統壓縮機貯油量的影響因素分析與試驗研究［J］.制冷學報，2009，(8):14－19