滾動轉(zhuǎn)子式壓縮制冷系統(tǒng)潤滑油的流動

楊麗輝等

摘 要： 潤滑油的流動對制冷系統(tǒng)的性能和可靠性有重要影響.建立滾動轉(zhuǎn)子式壓縮系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺，觀測和研究膨脹閥出口和蒸發(fā)器出口制冷劑/油混合物的兩相流流型.結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在蒸發(fā)器出口處混合物的流動表現(xiàn)為“油漬”蠕動、“油膜”線狀流、“油膜”環(huán)狀流和霧狀濕蒸汽流等流型；在膨脹閥出口有液氣分相流和泡氣分相流等流型.在一定的運(yùn)行工況下，壓縮機(jī)正過熱度越小，“油膜”流動速度越快，越利于壓縮機(jī)回油；當(dāng)壓縮機(jī)排氣溫度等于冷凝溫度時(shí)，高含油量的液體節(jié)流后形成泡狀流，使得系統(tǒng)性能惡化甚至造成壓縮機(jī)損壞.

關(guān)鍵詞： 滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)； 潤滑油； 兩相流； 流型； 過熱度

中圖分類號： TB 652 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： The flow of lubricant oil is important for refrigeration performance and reliability.The rolling piston compression test stand was established，and the twophase flow patterns of refrigerant/oil mixture at the exit of expansion valve and evaporator were investigated.The research showed that there are creeping oil spots，oil film string flow，oil film annular flow，and mist refrigerant flow at the outlet of the evaporator.There are the liquidvapor flow and the forthvapor flow at the outlet of the expansion valve.Under certain operating conditions，the smaller the positive suction superheat，the faster “oil film” flows and the easier the oil returns to the compressor.When the discharge temperature equals to the condensing temperature，the liquid refrigerant with high oil concentration will form forth flow after throttling with expansion valves，which makes the system performance worse and even damages the compressor.

Key words： rolling piston compressor； lubricant oil； twophase flow； flow pattern； suction superheat

潤滑油在壓縮機(jī)的金屬部件之間形成液膜，用于潤滑和冷卻運(yùn)動部件，并降低壓縮過程中產(chǎn)生的噪音.在蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)中，潤滑油的存在是不可避免的，總有一部分潤滑油隨壓縮機(jī)排氣進(jìn)入制冷系統(tǒng)，并影響換熱器中的流型、傳熱和壓降_[1].潤滑油的兩大屬性與制冷劑有很大差異，即飽和溫度和動力黏度.因此，制冷劑/油混合物的特性與純制冷劑的特性有很大差異，尤其是在蒸發(fā)器末端（過熱區(qū)），由于制冷劑沿程蒸發(fā)而使得混合物中油濃度逐漸增加.

潤滑油對壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)主要有兩個(gè)重要影響：① 葉片的旋轉(zhuǎn)或制冷劑蒸汽的流動作用引起制冷劑/油混合物的泡沫現(xiàn)象_[2]；② 從壓縮機(jī)排氣口排出的潤滑油量與壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件有關(guān)，排油量的多少又決定了系統(tǒng)的油循環(huán)率并影響到換熱器的性能_[2-3].

滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，又稱滾動活塞式壓縮機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能好等特點(diǎn)，是房間空調(diào)器最常用的機(jī)型_[4-5].韓磊等_[5]

和陶宏等_[6]研究了滾動轉(zhuǎn)子式壓縮系統(tǒng)的性能和兩相流型.結(jié)果表明，當(dāng)大量制冷劑液體返回到壓縮機(jī)時(shí)，將降低潤滑油黏度并對壓縮機(jī)造成損壞_[5].當(dāng)壓縮機(jī)排氣溫度等于冷凝溫度時(shí)，在膨脹閥出口存在泡氣分相流現(xiàn)象_[6]，但未找到流型發(fā)生變化的原因.潤滑油的流動對于系統(tǒng)部件的性能有重要影響，并關(guān)系到壓縮機(jī)運(yùn)行的可靠性.本文研究了當(dāng)壓縮機(jī)吸氣從過熱狀態(tài)變化到吸氣帶液狀態(tài)時(shí)，滾動轉(zhuǎn)子式制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器出口和膨脹閥出口處制冷劑/油混合物的流型，分析流型變化的原因，為此類系統(tǒng)的安全運(yùn)行和設(shè)計(jì)提供參考.

1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示.裝置總體結(jié)構(gòu)類似于一臺水冷冷水機(jī)組.壓縮機(jī)采用上海日立電氣的FG720CG1UY滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，自帶氣液分離器.蒸發(fā)器和冷凝器均為水循環(huán)系統(tǒng).制冷劑為R22，潤滑油為SUNISO 4GS，兩者的互溶性良好.采

用科氏力流量計(jì)測量制冷劑流量，精度為0.1%.流量計(jì)前安裝過冷器，控制制冷劑的過冷度.采用內(nèi)置式鉑電阻測量蒸發(fā)器出口和壓縮機(jī)排氣口的溫度，鉑電阻型號為上海儀表自動化公司W(wǎng)ZP系列，溫度偏差為為測量的溫度，單位為℃）.圖2為可視管結(jié)構(gòu)圖.采用對夾法蘭夾緊石英玻璃管，端面采用聚四氟乙烯墊片密封.石英玻璃管尺寸為Φ22 mm ×7 mm，長度為80 mm.

2滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的排油機(jī)制

壓縮機(jī)的排油量決定了系統(tǒng)的油循環(huán)率，并間接影響了換熱器性能.滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)排油的主要來源為：從蒸發(fā)器出來的制冷劑攜帶部分潤滑油，并通過集液器噴入壓縮腔內(nèi)；壓縮機(jī)油池內(nèi)的潤滑油在壓力差的作用下通過轉(zhuǎn)動部件間隙進(jìn)入壓縮腔體.滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的排油機(jī)制如圖3所示.

當(dāng)壓縮機(jī)排氣過熱時(shí)，潤滑油將從氣相制冷劑中分離.通常情況下，大部分油滴由于自重滴落到油池，也有一部分潤滑油被電機(jī)腔反彈或吸收，只有少部分潤滑油通過電機(jī)間隙被高速流動的制冷劑氣體攜帶而進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)_[3，7]，所以通常系統(tǒng)油循環(huán)率是較低的.但在異常工作狀況下，也會出現(xiàn)潤滑油較嚴(yán)重的泡沫現(xiàn)象_[1]或系統(tǒng)油循環(huán)率高的現(xiàn)象_[3].

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

按照實(shí)驗(yàn)工況設(shè)定冷卻水和冷凍水出口溫度，手動調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度，從25 K的過熱度調(diào)節(jié)到壓縮機(jī)排氣溫度等于冷凝溫度，觀察和拍攝膨脹閥出口可視管1和蒸發(fā)器出口可視管2的制冷劑/油混合物的流動狀態(tài)，記錄系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù).

3.1蒸發(fā)器出口兩相流

圖4給出了蒸發(fā)器出口處制冷劑/潤滑油混合物的兩相流型.當(dāng)系統(tǒng)制冷劑流量小且過熱度大時(shí)，制冷劑氣體攜帶潤滑油的能力很弱，在管壁上僅有一些“油漬”蠕動，如圖4（a）所示.此時(shí)返回壓縮機(jī)的潤滑油很少，但同時(shí)壓縮機(jī)內(nèi)制冷劑的流速也很低，壓縮機(jī)的排油量也很小.因此，整個(gè)系統(tǒng)的潤滑油流動仍是平衡的，表現(xiàn)為壓縮機(jī)內(nèi)油位恒定，壓縮機(jī)排氣溫度穩(wěn)定.

隨著膨脹閥開度的增加，制冷劑流量增加，制冷劑攜帶潤滑油的能力增強(qiáng).在蒸發(fā)器出口的可視管2中形成了“油膜”線狀流，并貼壁螺旋流動，如圖4（b）所示.

當(dāng)繼續(xù)增加膨脹閥開度時(shí)，制冷劑攜帶更多的潤滑油離開蒸發(fā)器，線狀流逐漸匯集并發(fā)展成為環(huán)狀流，并呈波紋狀流動，如圖4（c）、（d）所示.

在蒸發(fā)器出口可視管2中觀察到的“油膜”都是無色透明的，而4GS潤滑油本身是淡黃色的，這是因?yàn)闈櫥椭腥芙饬艘欢ńM分的液體制冷劑，此處的“油膜”實(shí)際上是高含油量的制冷劑和潤滑油混合物.Zahn_[8]對干式蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的兩相流型進(jìn)行的觀測發(fā)現(xiàn)，在制冷劑完全蒸發(fā)區(qū)存在波紋狀流動的高沸點(diǎn)液膜，但并未了解該物質(zhì)的成分和形成原因.文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]顯示了在蒸發(fā)器末端存在貼壁流動的油和制冷劑混合物.蒸發(fā)過程中，低沸點(diǎn)的制冷劑首先蒸發(fā)，但總有一部分制冷劑殘留在潤滑油中無法完全蒸發(fā)，殘留的制冷劑稀釋了潤滑油使其看起來無色透明，但是混合物的黏度遠(yuǎn)高于純制冷劑，所以貼壁流動.

當(dāng)蒸發(fā)器出口過熱度低于最小穩(wěn)定過熱度時(shí)，制冷劑過熱度產(chǎn)生波動，“油膜”流動消失，形成霧狀濕蒸汽和過熱蒸汽交替流，即所謂的干式蒸發(fā)器振蕩現(xiàn)象_[8-9].繼續(xù)增加膨脹閥開度使制冷劑完全進(jìn)入兩相狀態(tài)，潤滑油則完全溶解在霧狀濕蒸汽中，蒸發(fā)器出口為穩(wěn)定的霧狀濕蒸汽流，如圖4（e）所示.

蒸發(fā)器出口“油膜”的流型與制冷劑流速和混合物黏度有關(guān)，而混合物的油濃度和黏度由蒸發(fā)器出口的壓力和溫度決定.

為了便于研究，當(dāng)蒸發(fā)器出口為兩相狀態(tài)時(shí)，定義了一個(gè)負(fù)過熱度TSH_[10]，即

式中：常數(shù)a₀和b₀僅由制冷劑類型決定，R22的這兩個(gè)參數(shù)分別為-2 395和8.074；P_e的單位為MPa，T_e的單位為K.

當(dāng)蒸發(fā)器出口制冷劑為兩相狀態(tài)時(shí)，無法計(jì)算油濃度，因?yàn)橐后wR22與4GS潤滑油完全互溶.

圖5為蒸發(fā)器出口流型變化趨勢.從圖5可看出，制冷劑流速隨蒸發(fā)器出口過熱度的降低而增加.這是因?yàn)檫^熱度越低，吸排氣壓比越小，從而壓縮機(jī)容積效率提升.隨著蒸發(fā)器出口過熱度的降低，“油膜”中的制冷劑含量增加.這是因?yàn)檫^熱度越低越不利于制冷劑和油分離.

當(dāng)蒸發(fā)器出口過熱度很大時(shí)，管壁上僅有“油漬”蠕動.這一方面是由于制冷劑流速小，另一方面是由于油濃度高，混合物黏度大.當(dāng)過熱度減小時(shí)，制冷劑流速增大且混合物油濃度降低，故“油膜”流速越來越快，并發(fā)展為貼壁線狀流和貼壁環(huán)狀流.當(dāng)蒸發(fā)器出口過熱度接近于0時(shí)，制冷劑流速的增加并不是很快，但“油膜”流動速度卻增加很快，這主要是因?yàn)榛旌衔锏挠蜐舛冉档蛯?dǎo)致黏度減小.由此可知，在制冷系統(tǒng)中，正過熱度越小，越有利于蒸發(fā)器內(nèi)的潤滑油返回壓縮機(jī).

3.2膨脹閥出口兩相流

制冷劑/油混合物經(jīng)膨脹閥節(jié)流后產(chǎn)生閃發(fā)氣體，在低流速時(shí)形成氣相在上、液相在下的分層流，在高流速時(shí)形成液環(huán)氣芯流_[2，6].當(dāng)壓縮機(jī)吸入大量液體制冷劑時(shí)，這些液體在壓縮過程中不能完全蒸發(fā)，以致排氣處于兩相狀態(tài).這時(shí)壓縮腔內(nèi)的潤滑油不能與液體制冷劑分離而被攜帶進(jìn)入系統(tǒng)，使得系統(tǒng)油循環(huán)率大大增加.高含油量的制冷劑在膨脹閥后節(jié)流，油的黏滯作用造成閃發(fā)蒸汽脫離液相較慢，從而發(fā)生起泡現(xiàn)象_[2]，可視管中的流型從透明的液氣分相流轉(zhuǎn)變?yōu)榕輾夥窒嗔?膨脹閥出口流型如圖6所示.如果油循環(huán)率特別大，在可視管1處可看到呈淺黃色的泡狀流.系統(tǒng)油循環(huán)率增加將使換熱器的傳熱惡化_[1-2]，傳熱溫差加大，蒸發(fā)器制冷量減小；同時(shí)大量的潤滑油離開壓縮機(jī)，且大量的制冷劑液滴滴落油池，將降低潤滑油的黏度，增加壓縮機(jī)磨損，因此應(yīng)避免制冷系統(tǒng)在此工況下運(yùn)行_[5].

4結(jié)論

制冷系統(tǒng)中潤滑油的流動對于系統(tǒng)的安全運(yùn)行和性能有重要影響.本文對滾動轉(zhuǎn)子式壓縮制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器和膨脹閥出口處的流型進(jìn)行可視化觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1） 蒸發(fā)器出口存在“油漬”蠕動、“油膜”線狀流、“油膜”環(huán)狀流和霧狀濕蒸汽流等流型.在一定運(yùn)行工況下，蒸發(fā)器出口的正過熱度越小，制冷劑流速越大且局部油濃度越低，蒸發(fā)器出口“油膜”流動速度越快，越有利于壓縮機(jī)回油.當(dāng)蒸發(fā)器出口處于兩相狀態(tài)時(shí)，潤滑油完全溶解于液體制冷劑中，“油膜”流動消失.

（2） 當(dāng)吸氣帶液嚴(yán)重以致壓縮機(jī)排氣為兩相狀態(tài)時(shí)，將有更多的潤滑油進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán).高含油量的混合物經(jīng)膨脹閥節(jié)流后將形成泡狀流，蒸發(fā)器傳熱效果惡化，系統(tǒng)性能降低，同時(shí)由于壓縮機(jī)內(nèi)潤滑油被制冷劑稀釋將加劇壓縮機(jī)磨損.

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