1、回油设计的主要因素
影响制冷系统回油设计的因素较多,大致可归纳为以下几类:
(1)油的品质选型:
润滑油的粘度、倾点等热物性参数直接影响其低温工况下的动态阻尼特性与热氧化稳定性，其中：低温动力粘度（ASTM D445）决定冷启动阶段的油膜建立能力（值越低冷启动越顺畅），倾点（ASTM D97）表征最低流动温度（需比环境温度低5-7℃），闪点（ASTM D92）反映高温热稳定性（需高于系统最高温度20-30℃），酸值（ASTM D664）则关联化学稳定性（酸值>2.0mgKOH/g会加速油泥生成）。这些参数协同作用影响油膜承载能力（DIN 51350标准）及系统内油循环效率（如回油速率需>1.5m/s）。
(2)含油量控制:
制冷系统油量需精准控制在安全阈值内：压缩机曲轴箱油位应维持在视油镜1/4-3/4范围，既防止油泵空转导致润滑失效（油位低于最低油位线100-150mm时需紧急补油），又避免过量油（>循环倍率8-10次/小时）引发油分离器效率下降（分离效率每降低10%压降增加15%）。含油量受压缩机类型（如喷油螺杆油分效率需达99.9%）、制冷剂相溶性（如R134a与POE油互溶性优于NH3）及工况参数（蒸发温度每降10℃油粘度增大约200%）共同影响，需通过油压差监测（维持1.4-3.5bar）和定期油质分析（酸值>2.0mgKOH/g需更换）实现动态调控。
(3)油气分离:
制冷系统油量需精准控制在安全阈值内：压缩机曲轴箱油位应维持在视油镜1/4-3/4范围，既防止油泵空转导致润滑失效（油位低于最低油位线100-150mm时需紧急补油），又避免过量油（>循环倍率8-10次/小时）引发油分离器效率下降（分离效率每降低10%压降增加15%）。含油量受压缩机类型（如喷油螺杆油分效率需达99.9%）、制冷剂相溶性（如R134a与POE油互溶性优于NH3）及工况参数（蒸发温度每降10℃油粘度增大约200%）共同影响，需通过油压差监测（维持1.4-3.5bar）和定期油质分析（酸值>2.0mgKOH/g需更换）实现动态调控。
(4)回油管路:
连接油分离器与压缩机的回油管,其管径大小、敷设方式、倾斜角度等参数直接影响回油阻力和回油速度。管径过小会增大油气两相流动压降,导致回油不畅;管径过大又会增加油滞留量,延长回油周期。
(5)辅助回油装置:
在低温工况或系统堵油严重时,仅靠冷凝器内油的重力流动难以实现及时回油,需要设置气驱动回油器或机械式油泵等专门装置,确保压缩机最小启动油位和安全运行油位。
2、回油不良的故障表现
当上述因素未得到合理设计时,会引发一系列回油故障,主要表现为:
(1)压缩机缺油:
由于回油管堵塞、油分离效率低、辅助回油失效等原因,会导致大量油滞留在系统内,压缩机得不到及时补油,出现低油位运转,严重时将引起轴承烧瓦、活塞抱缸等机械故障。同时,缺油还会引起气缸过热,加速油的氧化劣变,恶化润滑效果。
(2)热力性能衰减:
过量的油进入系统后,会吸附在换热管内壁上,形成油垢,增加传热阻力,降低换热系数。据统计,换热器内每积聚1%的油量,就会使制冷量下降3%~5%。此外,过多的油还会堵塞毛细管和膨胀阀,影响节流特性,导致蒸发压力升高,供液不足。
(3)压缩机振动噪声:
压缩机缺油时,往复部件间的摩擦副失去油膜保护作用,直接干摩擦而产生剧烈振动和尖锐噪声。同时,活塞与气缸之间的密封间隙增大,使高压气体泄漏到低压腔,出现排气量下降、压缩比升高的现象。
(4)油泡沫:
当回油过多或含油量过高时,曲轴箱内充满油雾,经搅拌形成大量油泡沫,溢出油气分离器而被带入系统,加剧油的迁移流失。油泡沫还会堵塞吸气过滤器,影响压缩机进气,引起吸气压力脉动。
1、油品选型与含油量动态匹配
润滑油的选型是压缩机设计的首要环节,应根据压缩机类型、制冷剂种类、蒸发温度等因素,优选热稳定性好、低温流动性佳、与材料相容性好的油品,如矿物油、烷基苯油、聚羧酸酯油(POE)等。
对于活塞式制冷压缩机,低温环境下粘度宜控制在15mm2/s,便于在曲轴箱内形成稳定的高压油雾,随气流进入气缸进行有效润滑。对于螺杆压缩机,常采用粘度较高的油品,在45mm2/s之间,便于在啮合腔内形成厚实均匀的油膜,封堵泄漏间隙。
含油量的控制需兼顾回油性能与制冷效率,压缩机排气含油量宜控制在1wt%以内[18]。传统的经验值法根据蒸发温度和冷凝温度选择含油量范围,但难以适应负荷的动态变化。因此,应建立基于压缩机排气温度的在线优化控制模型,实时调节喷油压力和喷嘴直径,动态匹配油气比,实现含油量的自适应控制。
具体步骤如下:
(1)在压缩机排气口和曲轴箱内安装温度传感器,测量排气温度和油温;
(2)根据压缩机型谱,确定在不同工况下安全油位对应的含油量范围;
(3)选择霍尔传感器测量曲轴转速,并结合排量计算压缩机的实时流量;
(4)假定排气比容随温度线性变化,推导出排气含油量与排气温度的关系式;
(5)构建PID控制模型,输入为排气温度和含油量,输出为喷油压力和喷嘴PWM占空比;
(6)在线修正PID参数,实现含油量的动态反馈控制。
经试验,该方法可实现排气含油量在0.3%~0.8%之间动态调节,压缩机的排气温度波动小于5K,油位稳定在安全范围内。
2、油气分离强化与回油管路优化
常用的离心式油气分离器可分为旋流型、叶轮型和导流型三种,均利用强制旋转实现油滴的离心分离。油气分离效率的关键是控制进气速度和强化旋流作用。
就进气速度而言,太低则分离不彻底,太高则带液严重。经验表明,当雷诺数控制在4000~8000时,分离效率最佳。因此,分离器入口截面积Ai应按下式选择:
Ai=Qg/vi
式中,Qg为压缩机排气量,vi为最佳分离速度,可取6~8m/s。
就强化旋流而言,可通过增大切向进气角度、延长旋流通道、设置二次分离装置等措施实现。对于旋流型分离器,切向进气角度宜取60°;对于叶轮型分离器,叶轮直径与壳体直径之比宜为0.6;对于导流型分离器,导流板倾角宜为45°~60°[21]。在此基础上,还可在分离腔内设置折流板、聚油盘等二次分离装置,捕集夹带的细小油滴,提高分离效率。
分离后的油品通过回油管自动回到压缩机,其设计需兼顾管径匹配、管路布置、倾斜角度等因素。管径应依据回油量Ql和流速vl选择,可按下式计算:
dl=(4Ql/πvl)0.5
式中,dl为回油管内径,Ql取压缩机额定排气量的1%,vl取0.5~1.5m/s。
回油管路应尽量减少弯头和水平段,以降低局部阻力和油滞留。宜采用大半径弯管,弯头数量不宜超过3个。当管路长度超过10m时,应设置至少1%的倾斜坡度,便于油的重力流动[22]。此外,还应对回油管进行可靠的保温设计,避免冷凝结露引起管路堵塞。
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