多聯(lián)機(jī)低溫啟動(dòng)初期回油毛細(xì)管凍結(jié)試驗(yàn)研究

摘要：多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)在低溫長(zhǎng)時(shí)間斷電放置后首次上電運(yùn)行，壓縮機(jī)啟動(dòng)初期，由于環(huán)境溫度低、壓縮機(jī)排氣溫度低，制冷系統(tǒng)的高低壓差未有效建立，難以克服冷凍油在回油毛細(xì)管中的摩擦阻力，使得毛細(xì)管呈現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，造成壓縮機(jī)回油短暫困難。針對(duì)以上問題，從冷凍油的運(yùn)動(dòng)粘度、基于流體力學(xué)的回油毛細(xì)管壓降計(jì)算出發(fā)進(jìn)行理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，溫度越低，冷凍油運(yùn)動(dòng)粘度越大，回油毛細(xì)管的摩擦阻力越大；適當(dāng)縮短回油毛細(xì)管長(zhǎng)度或者使用內(nèi)徑更大的回油毛細(xì)管，可以有效縮短多聯(lián)機(jī)低溫長(zhǎng)時(shí)間放置后啟動(dòng)初期回油毛細(xì)管凍結(jié)時(shí)間，壓縮機(jī)出現(xiàn)缺油運(yùn)行現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)更低。

關(guān)鍵詞：回油毛細(xì)管；冷凍油；運(yùn)動(dòng)粘度；凍結(jié)；壓降

中圖分類號(hào)：TH113.1 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " "文章編號(hào)：1671-0797（2023）02-0049-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.02.014

0 " "引言

空調(diào)渦旋壓縮機(jī)中冷凍油的作用主要體現(xiàn)在以下6個(gè)方面[1-2]：

（1）潤(rùn)滑，減小壓縮機(jī)運(yùn)行摩擦和磨損程度，從而延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命；

（2）密封，防止動(dòng)渦旋盤和定渦旋盤之間氣體泄漏，提高冷量；

（3）抗腐蝕、防銹，防止系統(tǒng)殘留的水分產(chǎn)生銹蝕；

（4）冷卻，冷凍油在壓縮機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件間潤(rùn)滑時(shí)，可帶走工作過程中所產(chǎn)生的熱量，使得各運(yùn)動(dòng)部件保持較低的溫度，防止摩擦所產(chǎn)生的高熱化，從而提高壓縮機(jī)的效率和使用的可靠性；

（5）清洗分散，除去滑動(dòng)面的磨耗粉與碳化物；

（6）減振、卸荷，運(yùn)動(dòng)部件在油膜上運(yùn)動(dòng)，有緩沖作用，油膜還可將集中負(fù)荷均勻分布在配合面上，阻擋聲音傳遞，起降噪作用。

油的循環(huán)：在空調(diào)系統(tǒng)中，壓縮機(jī)完成壓縮過程后，冷凍油隨高溫氣態(tài)制冷劑排出，隨后進(jìn)入油分離器進(jìn)行制冷劑、冷凍油分離，在壓差作用下油分離器底部冷凍油經(jīng)過回油毛細(xì)管回到回氣管、進(jìn)入壓縮機(jī)，形成油路的主要循環(huán)過程；少量冷凍油隨著制冷劑進(jìn)入冷凝器、蒸發(fā)器換熱，伴隨制冷劑循環(huán)到氣液分離器、回到回氣管、進(jìn)入壓縮機(jī)，形成油路的次要循環(huán)過程[3-4]。

對(duì)于多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，在低溫長(zhǎng)時(shí)間斷電放置后首次上電運(yùn)行，壓縮機(jī)啟動(dòng)初期，由于環(huán)境溫度低、壓縮機(jī)排氣溫度低，空調(diào)系統(tǒng)的高低壓差未有效建立，難以克服冷凍油在回油毛細(xì)管中的摩擦阻力，使得毛細(xì)管呈現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，出現(xiàn)壓縮機(jī)回油短暫困難。針對(duì)以上現(xiàn)象，本文以FVC68D冷凍油為例[5]，研究冷凍油的運(yùn)動(dòng)粘度，基于流體力學(xué)計(jì)算回油毛細(xì)管壓降，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，尋求解決方案。

1 " "回油毛細(xì)管凍結(jié)的理論基礎(chǔ)分析

1.1 " "冷凍油運(yùn)動(dòng)粘度

冷凍油FVC68D/制冷劑R410A的壓力—溫度—溶解度—運(yùn)動(dòng)粘度關(guān)系如圖1所示。

由圖1分析，相同制冷劑溶解度條件下，溫度越低，冷凍油的運(yùn)動(dòng)粘度越大；相同溫度條件下，制冷劑溶解度越大，冷凍油的運(yùn)動(dòng)粘度越小。

在油分離器中，制冷劑和冷凍油分離，油中幾乎沒有制冷劑，制冷劑溶解度默認(rèn)為0%，查圖1得到FVC68D在40 ℃和100 ℃的運(yùn)動(dòng)粘度。

低溫下，制冷劑難溶于冷凍油中，制冷劑密度比冷凍油密度大（0 ℃下，制冷劑密度為1.18 kg/L，F(xiàn)VC68D冷凍油密度為0.938 kg/L），低溫長(zhǎng)時(shí)間放置后會(huì)出現(xiàn)分層，下層為液態(tài)制冷劑，上層為冷凍油，冷凍油中制冷劑的溶解度也取值為0%，查圖1得到FVC68D在-20 ℃的運(yùn)動(dòng)粘度。

FVC68D在-20 ℃、40 ℃、100 ℃的運(yùn)動(dòng)粘度對(duì)比如表1所示。

由摩擦理論可知，推動(dòng)回油毛細(xì)管內(nèi)部的冷凍油循環(huán)需要克服相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的粘性摩擦阻力，潤(rùn)滑油的摩擦阻力可按照以下公式來計(jì)算：

F=ν·S·■

式中：ν為潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)粘度；S為接觸面積；u為速度；y為配合間隙之間的距離。

由公式可知，潤(rùn)滑油的粘性摩擦阻力F與潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)粘度ν成正比關(guān)系，潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)粘度ν越大，潤(rùn)滑油的粘性摩擦阻力F越大。結(jié)合表1，低溫長(zhǎng)時(shí)間斷電放置后，回油毛細(xì)管內(nèi)部冷凍油的粘性摩擦阻力F比常溫下粘性摩擦阻力要大得多。

低溫長(zhǎng)時(shí)間放置后，回油毛細(xì)管內(nèi)部的冷凍油運(yùn)動(dòng)粘度較大，回油毛細(xì)管內(nèi)部的冷凍油的粘性摩擦阻力比較大，當(dāng)首次上電開機(jī)時(shí)，系統(tǒng)未能在短時(shí)間內(nèi)建立起良好的高低壓差來克服回油毛細(xì)管內(nèi)部的冷凍油的粘性摩擦阻力，從而無法推動(dòng)冷凍油循環(huán)起來，呈現(xiàn)出冷凍油“凍結(jié)”現(xiàn)象。

1.2 " "毛細(xì)管壓降分析

根據(jù)流體力學(xué)理論達(dá)西·魏斯巴赫公式[6]，沿程阻力計(jì)算公式推導(dǎo)過程如下：

式中：ΔP為沿程阻力；λ為沿程阻力系數(shù)；l為管長(zhǎng)；d為管徑；ρ為密度；v為斷面平均流速；qm為循環(huán)量；A為橫截面積。

把流速v替換，得到：

沿程阻力系數(shù)可通過經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，λ=15.7，替換得到：

由上述推導(dǎo)過程得到沿程阻力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下：

式中：G為循環(huán)量；l為管長(zhǎng)；d為管徑；den為密度。

由公式可知，毛細(xì)管壓降與長(zhǎng)度成正比，與內(nèi)徑的五次方成反比。在某相同系統(tǒng)條件下，系統(tǒng)管路的循環(huán)量為26.7 kg/h，密度為1 020.7 kg/m3，以內(nèi)徑1.2 mm×長(zhǎng)度600 mm、內(nèi)徑1.2 mm×長(zhǎng)度900 mm、內(nèi)徑1.6 mm×

長(zhǎng)度600 mm回油毛細(xì)管為例進(jìn)行阻力對(duì)比，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可以計(jì)算得出：

（1）與毛細(xì)管2相比，毛細(xì)管1的壓損可降低33.33%，即將3.0 mm×1.2 mm×900 mm的回油毛細(xì)管替換為3.0 mm×1.2 mm×600 mm可明顯降低毛細(xì)管壓損。低溫長(zhǎng)時(shí)間放置后，當(dāng)首次上電開機(jī)時(shí)，相同內(nèi)徑條件下，600 mm長(zhǎng)度毛細(xì)管的冷凍油凍結(jié)時(shí)間比900 mm長(zhǎng)度毛細(xì)管的冷凍油凍結(jié)時(shí)間理論上可以有效縮短。

（2）與毛細(xì)管1相比，毛細(xì)管3的壓損可降低76.27%，即將3.0 mm×1.2 mm×600 mm的回油毛細(xì)管替換為3.0 mm×1.6 mm×600 mm可顯著降低毛細(xì)管壓損。低溫長(zhǎng)時(shí)間放置后，當(dāng)首次上電開機(jī)時(shí)，相同長(zhǎng)度條件下，1.6 mm內(nèi)徑毛細(xì)管的冷凍油凍結(jié)時(shí)間比1.2 mm內(nèi)徑毛細(xì)管的冷凍油凍結(jié)時(shí)間理論上可以有效縮短。

2 " "試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果分析

冷凍油運(yùn)動(dòng)粘度可能直接影響壓縮機(jī)的潤(rùn)滑效果，進(jìn)而影響壓縮機(jī)的可靠性，因此雖然根據(jù)前面的理論分析，冷凍油的運(yùn)動(dòng)粘度對(duì)推動(dòng)回油毛細(xì)管內(nèi)部的冷凍油循環(huán)需要克服相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的粘性摩擦阻力影響很大，但使用低粘度標(biāo)號(hào)冷凍油涉及壓縮機(jī)可靠性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，本文沒有采用低粘度標(biāo)號(hào)冷凍油進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2.1 " "試驗(yàn)驗(yàn)證方案

針對(duì)上一節(jié)理論分析的內(nèi)容，本文試驗(yàn)采用12匹多聯(lián)機(jī)外機(jī)，分別使用內(nèi)徑1.2 mm、長(zhǎng)度900 mm和內(nèi)徑1.2 mm、長(zhǎng)度600 mm的回油毛細(xì)管，內(nèi)機(jī)配比100%，在-20 ℃環(huán)境溫度下斷電放置9 h以上，啟動(dòng)前確保壓縮機(jī)殼頂溫度與環(huán)境溫度的差值在2 ℃以內(nèi)（如不滿足此條件則需要延長(zhǎng)斷電放置時(shí)間），回油毛細(xì)管上設(shè)置有溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度采集，進(jìn)行毛細(xì)管凍結(jié)試驗(yàn)研究。

2.2 " "試驗(yàn)結(jié)果與分析

測(cè)試結(jié)果如圖2、圖3所示。

回油毛細(xì)管凍結(jié)時(shí)間對(duì)比如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，600 mm長(zhǎng)度毛細(xì)管的冷凍油凍結(jié)時(shí)間比900 mm長(zhǎng)度毛細(xì)管的冷凍油凍結(jié)時(shí)間縮短了3 min 28 s，縮減幅度達(dá)到54%，且600 mm長(zhǎng)度毛細(xì)管冷凍油解除凍結(jié)后油溫上升速度更快。試驗(yàn)結(jié)果與1.2中的理論分析趨勢(shì)相符合。冷凍油凍結(jié)時(shí)間縮短意味著壓縮機(jī)回油困難的時(shí)間縮短，壓縮機(jī)出現(xiàn)缺油運(yùn)行現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)更低。

3 " "結(jié)論

本文針對(duì)多聯(lián)機(jī)在低溫長(zhǎng)時(shí)間放置后首次上電，壓縮機(jī)啟動(dòng)初期回油毛細(xì)管凍結(jié)、回油困難的現(xiàn)象，以FVC68D冷凍油為例，研究冷凍油的運(yùn)動(dòng)粘度，借助流體力學(xué)計(jì)算回油毛細(xì)管壓降，并通過12匹多聯(lián)機(jī)外機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）相同制冷劑溶解度條件下，溫度越低，冷凍油的運(yùn)動(dòng)粘度越大；相同溫度條件下，制冷劑溶解度越大，冷凍油的運(yùn)動(dòng)粘度越小。

（2）潤(rùn)滑油的粘性摩擦阻力與潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)粘度成正比關(guān)系，潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)粘度越大，潤(rùn)滑油的粘性摩擦阻力越大，所以低溫長(zhǎng)時(shí)間斷電放置后，回油毛細(xì)管內(nèi)部冷凍油的粘性摩擦阻力F比較大。

（3）回油毛細(xì)管壓降與長(zhǎng)度成正比，長(zhǎng)度越大，回油毛細(xì)管壓降越大；回油毛細(xì)管壓降與內(nèi)徑的五次方成反比，內(nèi)徑越小，回油毛細(xì)管壓降越大。

（4）在多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)中，適當(dāng)縮短回油毛細(xì)管長(zhǎng)度或使用內(nèi)徑更大的回油毛細(xì)管，可以有效縮短多聯(lián)機(jī)低溫長(zhǎng)時(shí)間放置后啟動(dòng)初期回油毛細(xì)管凍結(jié)的時(shí)間，壓縮機(jī)出現(xiàn)缺油運(yùn)行現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)更低。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 龍小丹，廖熠.旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)用冷凍油低粘度化探討和研究[C]//2011年中國(guó)家用電器技術(shù)大會(huì)論文集，2011：338-341.

[2] 楊傳波，張薇，郭漪，等.制冷系統(tǒng)含油量對(duì)制冷壓縮機(jī)工作性能影響的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2005，26（2）：19-23.

[3] 劉群波，宋培剛，黃春，等.變頻空調(diào)系統(tǒng)油分離器回油毛細(xì)管匹配新思路[J].日用電器，2014（2）：41-42.

[4] 侯麗峰，秦憲，趙攀，等.回油毛細(xì)管在R32商用空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用及可靠性研究[C]//2020年中國(guó)家用電器技術(shù)大會(huì)論文集，2020：453-455.

[5] 王凱明，白生軍，王燕，等.R410A制冷劑用冷凍機(jī)油的研制[J].制冷與空調(diào)，2020，20（10）：34-36.

[6] 黃生云，劉亮，盛曉康，等.冷水局部阻力系數(shù)淺析計(jì)算[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2017，36（12）：70-73.

收稿日期：2022-09-06

作者簡(jiǎn)介：孫常權(quán)（1981—），男，天津人，工程師，研究方向：制冷空調(diào)。