基于6σ的R290冷媒熱泵空調低溫制熱性能改善*

□ 胡小青 □ 余 豹 □ 嚴輝容 □ 張 杰

1.四川工程職業技術學院 四川德陽 618000 2.四川省沖壓發動機先進制造技術工程實驗室 四川德陽 618000 3.四川長虹空調有限公司 四川綿陽 621000

1 研究背景

制冷劑是空調中必不可少的工作介質,R290是一種新型環保節能制冷劑,與R22制冷劑的標準沸點、凝固點、臨界點等基本物理性質都十分接近[1]。在節能、環保、適用范圍等方面,R290優于R22,并且R290具有良好的材料相容特性。R290的汽化潛熱大約是R22的兩倍,因此,采用R290的制冷系統制冷循環量更小,制冷效率更高。由于R290在低溫時容易產生絮狀物,導致低溫制熱階段R290通過電子膨脹閥時絮狀物在閥內累積,造成油堵,降低空調的功率和品質。提高R290冷媒熱泵空調的低溫制熱性能,首先要解決電子膨脹閥內的油堵問題。為了滿足人們越來越高的質量和效益要求,精益6σ生產管理模式應運而生[2]。6σ使用定義、測量、分析、改進、控制作為實施流程[3],在流程中加入防錯技術、快速換型技術等精益生產技術,以及投入小收益大的精益哲理和精益生產快速解決問題的技巧、方法。在每一階段使用6σ和精益生產的各種工具,能夠有效提高R290冷媒熱泵空調的功率和品質。

2 定義、測量

定義、測量是6σ項目實施的基礎步驟,也是決定項目成敗的步驟。6σ項目要求,在研究的過程中必須進行科學有效的測量,獲取的數據必須真實可靠,這樣才能針對性地分析問題,后續的改善、控制才能有效,進而使整個項目體現出價值[4-5]。隨著R290逐漸進入家用空調行業,R290冷媒熱泵空調在低溫工況下壓縮機油溶解度增大。若環境溫度過低,油黏度增大,高壓側制冷劑不能克服電子膨脹閥的節流阻力,則會產生油堵現象[6]。R290冷媒熱泵空調低溫制熱油堵問題主要是指在室內機工況溫度為15 ℃左右,室外機工況溫度為-5 ℃左右時,連續4 h運行后出現制熱異常。R290冷媒熱泵空調低溫制熱油堵功率如圖1所示,A線以左為正常化霜,A線以右的化霜過程中出現了空調機空轉,功率降低,制熱異常。

▲圖1 R290冷媒熱泵空調低溫制熱油堵功率

油堵時的溫度見表1,功率為1 111.1 kW。通過表1數據可以看出,A線以右的化霜過程中,電子膨脹閥中部溫度達到-54.8 ℃,低于壓縮機油的傾點,壓縮機油凝固,阻塞制冷劑流動。空調化霜過程中,功率由正常時的1 500 kW降低至1 111.1 kW。

表1 油堵時溫度 ℃

3 分析

在精益6σ生產管理的分析階段,主要通過收集測量階段得到的影響較大的工序和因素,有針對性地進行數據分析,最終得出具體的關鍵因素[4]。魚骨圖概念將造成某項結果的諸多原因以系統圖的方式進行表達,體現出結果與原因之間的關系[7]。這一思維模式常被用于進行質量分析或問題分析。R290冷媒熱泵空調低溫制熱異常魚骨圖分析如圖2所示。由圖2可知,最終導致問題的原因確定為五點:① 化霜過程中,室內側蒸發器和長尺配管處于低溫狀態,一般為-20 ℃以下,此時蒸發器內部壓縮機油的黏度增大;② R290充注量小,約為R22的1/2,使壓縮機油的黏度增大,在管道內流動較困難;③ 電子膨脹閥中部溫度達到-40 ℃,低于壓縮機油的傾點,壓縮機油凝固,阻塞制冷劑流動;④ 電子膨脹閥流量小,低溫時,若蒸發器內的混合體變為絮狀物,則易在電子膨脹閥內造成油堵;⑤ 室內外機溫差太大,導致空調功率降低。

▲圖2 R290冷媒熱泵空調低溫制熱異常魚骨圖分析

以上是對可能造成R290冷媒熱泵空調低溫制熱異常原因的分析,以下針對R290冷媒熱泵空調工作原理進行分析。R290冷媒熱泵空調主要由壓縮機、冷凝器、蒸發器、節流裝置組成[8],工作原理如圖3所示。壓縮機啟動運行,空調切換為制熱模式,當系統檢測到室外冷凝器溫度低于設定的室外控制溫度時,進入化霜模式。在化霜模式下,空調中的四通閥切換為制冷模式,室內外風機處于停機狀態。壓縮機壓縮高溫氣態制冷劑,通過消聲器消除噪聲,經四通閥至室外機的冷凝器,對冷凝器進行化霜,變為高溫高壓氣液混合體,經電子膨脹閥后變為低溫低壓液態制冷劑,經截止閥、液管進入室內的蒸發器。此時,低溫低壓液態制冷劑匯聚至蒸發器,完成化霜過程。在化霜過程中,室外機中的冷氣集中至室內機,使蒸發器內的溫度降低至-40 ℃以下,低于壓縮機油的傾點,壓縮機油凝固。若此時空調直接切換為制熱模式,則壓縮機壓縮高溫氣態制冷劑,后經四通閥、截止閥、氣管至室內機的蒸發器,與上述蒸發器內的液態制冷劑混合。由于壓縮機剛啟動,進入蒸發器中的氣態制冷劑溫度并不高,而此時蒸發器中的溫度為-40 ℃,因此從蒸發器內輸出的混合體變為絮狀物,經截止閥后至電子膨脹閥。電子膨脹閥流量小,絮狀物在電子膨脹閥內造成堵塞,使空調停機。

▲圖3 R290冷媒熱泵空調工作原理

4 改進

針對關鍵因子進行試驗設計改善,尋找最優組合[5]。化霜切換為制熱期間,室外機內的冷氣集中至室內機,經過電子膨脹閥后壓力減小,溫度過低,低于壓縮機油的傾點,電子膨脹閥的流量小,容易累積絮狀物,導致油堵。解決這一問題的關鍵是融化絮狀物。一是對電子膨脹閥控制流量。如獲取系統化霜后的各個溫度參數,根據室內溫差和室外溫差的大小,適時調整電子膨脹閥運行的開度,有效避免低溫化霜后電子膨脹閥油堵[9-11]。采用單一控制電子膨脹閥流量的方法,雖然有一定效果,但是效果不佳。二是在電子膨脹閥處設置加熱裝置,對電子膨脹閥油堵處加熱,融化絮狀物,解決低溫制熱油堵現象。這一方法雖然有效,但是在空調運行時不易操作。三是出現制熱異常后,停機2 min再啟動制熱,使室內外機壓力平衡,使系統盡量接近初次啟動狀態[12]。這一方法雖然有效果,但是效果不明顯。若停機時間再長些,從理論上分析效果會更好,但是會降低用戶體驗度,存在被用戶投訴的風險。筆者通過試驗設計的方法來提高R290冷媒熱泵空調低溫制熱性能,保證空調的品質。

5 控制

5.1 試驗設計策劃

進行試驗設計之前,需要完成試驗設計策劃表,包括五方面。

(1) 問題描述。前文已描述。

(2) 試驗目標。避免電子膨脹閥處的油堵問題,防止壓縮機空轉,提高低溫狀態下空調的制熱性能及品質。

(3) 試施路線。對室內機軟件進行優化升級,化霜結束后由原來的不停機升級為停機1 min再啟動運行。啟動制熱模式時,需要將電子膨脹閥的流量控制在最大狀態。

(4) 試驗所需條件。需要兩臺樣機,工況溫度為室內15 ℃、室外-5 ℃。試驗時間為連續工作十幾個周期,一個周期為45 min左右。

(5) 試驗判斷。需要判斷空調功率是否正常。

5.2 控制總方案

R290冷媒熱泵空調的內部結構如圖4所示,包括通過系統總線連接的處理器、存儲器。其中,存儲器包含非易失性存儲介質和內存儲器。非易失性存儲介質存儲有操作系統,可存儲計算機程序。計算機程序被處理器執行時,可實現R290冷媒熱泵空調控制方法。正常制熱中,當檢測到室外溫度過低需要化霜時,進入化霜模式,并檢測空調化霜是否完成。當檢測到化霜完成時,控制空調停機1 min,重啟空調,進入正常制熱模式,同時將電子膨脹閥流量調控至最大狀態。

5.3 化霜結束后停機控制

在冬季較冷的地區,室外溫度一般都低于冰點。空調室外機中的冷凝器在制熱過程中,由于蒸發吸熱過程很容易造成結霜,甚至結冰。如結霜后不及時清除,會導致空氣流動受阻,影響空調的制熱性能。由此可見,在制熱過程中,會伴隨化霜過程。化霜的頻率與室外溫度有關,室外溫度越低,化霜操作越頻繁。根據室外機中冷凝器的溫度是否達到設定溫度,判斷是否需要進行化霜。若沒有達到設定溫度,控制系統就會進入化霜模式。R290冷媒熱泵空調控制方法流程如圖5所示。

▲圖4 R29冷媒熱泵空調內部結構

▲圖5 R290冷媒熱泵空調控制方法流程

在步驟104中,當檢測到化霜完成時,控制空調停機1 min。

通常需要根據化霜時的壓縮機頻率、室外機電流大小及化霜時間來判斷化霜是否完成。當檢測到的數據滿足預設條件時,則認定為化霜完成,并退出化霜模式。在原有技術中,此時直接開始進行制熱。而在優化試驗中,空調需停機1 min,目的是使系統溫度平衡,即室內機的冷氣和室外機的熱氣溫度平衡中和,從而提高室內機中蒸發器內低溫低壓液態制冷劑的溫度,降低開始制熱時壓縮機壓縮的高溫高壓氣態制冷劑進入蒸發器因溫度不高而形成絮狀物的風險。

在步驟106中,重啟空調,進入正常制熱模式。

完成室內外熱平衡后,再進行制熱,經壓縮機壓縮的高溫高壓氣態制冷劑雖然溫度不高,但是蒸發器中液態制冷劑已經經過熱平衡,溫度已經回升至傾點以上,此時進行混合不易產生絮狀物,從蒸發器輸出的制冷劑也不易在電子膨脹閥中形成油堵,避免因油堵造成壓縮機空轉的問題。

5.4 電子膨脹閥流量控制

在優化試驗中,將電子膨脹閥的流量控制在最大狀態,且保持30 s,保證壓縮機油順利通過電子膨脹閥,進一步解決因油堵造成的壓縮機空轉問題。

重啟空調后的具體流程如圖6所示。在優化試驗中,重啟空調,進入正常制熱模式。

▲圖6 重啟空調具體流程

在步驟202中,重啟空調后,將電子膨脹閥調至預設位置并運行30 s。預設位置的步數大于初始位置的步數,初始位置為正常制熱時的位置。

步數用于衡量電子膨脹閥閥門的開度,步數越大,開度越大,流量也越大。在重啟空調后,雖然蒸發器內的制冷劑溫度已經有所回升,但仍可能有產生絮狀物的風險,因此控制電子膨脹閥至預設位置,以保證剛開始制熱時,液態制冷劑能夠順利通過電子膨脹閥而不形成油堵。經過30 s后,蒸發器內的溫度升高至無法形成絮狀物。

在步驟204中,將電子膨脹閥調回至初始位置,進入正常制熱模式。

經過上述步驟后,蒸發器內的溫度已在傾點之上,不會再形成絮狀物。此時將電子膨脹閥調回至初始位置,進入正常制熱模式。

經過優化試驗,進一步提高了R290冷媒熱泵空調的制熱效率,保證了空調的正常運行,防止壓縮機空轉,并延長了壓縮機的使用壽命。

5.5 試驗結果分析

優化試驗中化霜功率試驗結果如圖7所示。優化試驗中,兩臺樣機在室內工況溫度為15 ℃,室外工況溫度為-5 ℃下,啟動制熱模式連續工作十幾個周期,一個周期為45 min左右,化霜功率曲線呈現周期性變化。空調功率正常,化霜正常,未出現油堵現象,證明了優化方案有效可行。

6 結束語

筆者基于6σ對R290冷媒熱泵空調低溫制熱性能進行改善,采取對室內機軟件進行優化升級和調控電子膨脹閥流量相結合的方案,有效解決了R290冷媒熱泵空調在低溫制熱時的油堵問題,防止了壓縮機空轉,提高了R290冷媒熱泵空調的品質,取得了良好效果,為改善同類可燃性冷媒熱泵空調的低溫制熱性能提供了參考。

▲圖7 優化試驗中化霜功率試驗結果