1、第1 2 卷第2 期2012 年4 月剜痔铲室阑R E F R I G E R A T I O NA N DA I R - c 0 N D n 、1 0 N l N G1 8 2 1冷水机组的回油技术研究张为民D肖瑶瑶2 王恕清1 1 ，( 大连冰山集团有限公司设计研究院) 2 ( 烟台恒辉压力容器有限公司)摘要主要从取油位置、取油技巧和回油方法3 个方面对冷水机组的回油问题进行论述，并对冷水机组回油的3 种方式重力回油、引射器回油和直接回油进行详细分析。关键词冷水机组；重力回油；引射器回油；直接回油；螺杆式压缩机S t u d yo no i lr e t u r nt e c h n o
2、l o g yo fw a t e rc h i l l e rZ h a n gW e i m i n l X i a oY a o y a 0 2 W a n gS h u q i n g ”( R e s e a r c h & D e s i g nI n s t i t u t eo fD a l i a nB i n g s h a nG r o u pC o 。L t d )( Y a n t a iH e n g h u iP r e s s u r eV e s s e l sC o ，L t d )A B S T R A C TO i lr e t u r ni s s u
3、 ei sd i s c u s s e df r o mt h r e ea s p e c t so fo i lf e t c hp o s i t i o n ，o i lf e t c hs k i l l ，o i lr e t u r nm e t h o d ，a n dt h r e eo i lr e t u r ns t y l eo fo i lr e t u r nb yg r a v i t y ，o i lr e t u r nb ye _j e c t o ra n dd i r e c to i lr e t u r no fw a t e rc h i l
4、l e ra r ep a r t i c u l a r l ya n a l y z e d K E YW O R D Sw a t e rc h i l l e r ；o i lr e t u r nb yg r a v i t y ；o i lr e t u r nb ye j e c t o r ；d i r e c to i lr e t u r n ；s c r e wc o m p r e s s o r在配置螺杆式压缩机的满液式和降膜式冷水机组中，由于压缩机的排气含油量较大，即使有效率较高的油分离器，也不可避免地有少部分油随排气经过冷凝器进入蒸发器。如果压缩机排到蒸发器的油量
5、多于从蒸发器中回到压缩机的油量，机组运行一段时间后，压缩机就会产生油位过低故障报警停机，所以必须采取可靠的回油措施以保证机组的正常运行。而在冷水机组出现的所有故障中，有相当一部分与机组的回油处理不当有直接或间接的关系，且相当多的机组回油问题解决起来又非常棘手。通过检索与冷水机组回油相关的科技论文，发现对冷水机组的回油问题进行全面研究的相关文献较少。为提高冷水机组能效比和运行可靠性，有必要对冷水机组的回油问题展开系统、深入的研究。笔者所述冷水机组如无特殊说明均指配置螺杆式压缩机的满液式或降膜式冷水机组，干式冷水机组的回油问题相对简单，不专门讨论。1 冷水机组回油研究冷水机组的回油技术包括取油位置
6、、取油技巧和回油方法3 个方面的内容。本节将分别予以分析。1 1 取油位置在冷水机组运行时，虽然蒸发器内部制冷剂始终处于剧烈沸腾状态，但由于液态制冷剂汽化后都要向上升，因此蒸发器筒体内的气液混合物的整体运动趋势都是向上的。随着制冷剂汽化后被吸回压缩机，而润滑油的密度小于液态制冷剂( 如R 2 2 和R 1 3 4 a 等) 的密度，润滑油会在蒸发器内形成下稀上浓的浓度差异。不同的是，R 2 2 之类的制冷剂在较低温度下因与矿物润滑油互溶性较差而在靠近液面上部形成较明显的富油区，并且R 2 2 蒸发器中的富油区不但在机组不运行或机组停止时存在，就是在冷水机组运行过程中也是存在的；而R 1 3 4
7、 a 之类的制冷剂由于与酯类润滑油在低温下的互溶性良好而无法形成明显的富油区，只能自下而上形成大致均匀的浓度差，并且各点的润滑油浓度在停机一段时间后就趋于平衡。为了能取到浓度尽量高的润滑油，并适当考虑液位的波动，对于R 2 2 和R 1 3 4 a 冷水机组，蒸发器取油口的位置均设置于实际液面下1 5 0r n n a 左右是收稿日期：2 0 1 1 1 2 2 9作者简介：张为民。硕士研究生，高级工程师副院长，主要研究方向为螺杆式压缩机、翩冷剂替代及换热技术。万方数据第2 期张为民等：冷水机组的回油技术研究1 9比较合适的。有人曾做过将取油1 ：3 设在液面下2 0 0m m 以下的试验，结
8、果不是很理想，主要问题是排气温度降低较多，很明显是回油携带的制冷剂量过多所致。而回油孔的位置如果偏高，可能导致冷水机组部分负荷时无法回油。1 2 取油技巧为保证从蒸发器汲取的油一制冷剂混合物中油的浓度尽量高，可用一只延伸到两侧管板内壁的折弯钣金件( 挡油板) 将几根换热管包围，如图1 所示。这种结构主要有2 个作用：其一是通过该区域的液态制冷剂蒸发使油一制冷剂混合物中的润滑油浓度尽量高；其二是在蒸发器内含油量较多时，液面上会形成较多的泡沫，泡沫高于挡油板时就可较顺利地进入挡油板，而这些泡沫中的含油量较高。这样挡油板内的润滑油浓度可得到相当程度的提高，避免在取油的同时因为携带的液态制冷剂量过多影
9、响冷水机组制冷量和效率。挡油板的位置同样不宜过高，因为这样可能导致冷水机组在部分负荷时无法集油。布管f 入蒸发器图1 满液蒸发器取油示意图1 3 回油方法前2 节讨论了取油位置和取油技巧这2 个冷水机组回油的重要问题。本节将讨论如何才能将取到的油送回压缩机，也就是讨论回油的驱动力问题。按冷水机组回油的驱动力来分可分3 大类，分别是重力回油、引射器回油和直接回油。1 3 1 重力回油重力回油的一般做法是将蒸发器位置提高，再将富油液态制冷剂从蒸发器适当位置引出，借助高度差，使富油制冷剂向下流人一个回油热交换器，与来自冷凝器的高温液态制冷剂进行热交换，这样一方面可提高液态制冷剂的过冷度，有助于机组冷
10、量的提升，另一方面可将富油液态制冷剂中液态制冷剂蒸发，使之成为气态进入压缩机。其系统示意图如图2 所示。图中有部分阀没有注明具体名称，主要是因为这些阀有多种可能的搭配。这种回油方式也可称为热虹吸式回油。从制冷剂流量控制装置的角度来看，重力回油系统由于在蒸发器内取油的位置将会影响其回油的成功与否，而实际运转中的液位能否与之适应更是决定回油成功与否的关键。因此，液位的控制( 即制冷剂流量的控制) 便显得更加重要。与重力回油系统相匹配的制冷剂流量控制方法主要有用高压或低压浮球阀和以冷凝器或蒸发器液位传感器为控制信号的电子膨胀阀。另外，从蒸发器的回油量也要控制。否则进入回油换热器的混合液体过多将降低冷
11、水机组的制冷能力，也会因制冷剂无法完全蒸发而吸人压缩机引起液压缩。由于蒸发器与回油换热器的高度差是使油回流的动力，若在相同的管路摩擦损失下，高度差越大流量越大，所以一般的回油管路只需设置一个固定开度的角阀，只需在样机测试阶段调整角阀开度就能够满足机组正常运行所需的回油量。图2 重力回油示意图蒸发器的回油总是会含有或多或少的液态制冷剂，这些液态制冷剂因未能与换热管接触而未能带走水的热量，并且它进入压缩机经过电机腔后被电机绕组的散热汽化后会占用部分蒸发器回气所应占有的压缩机吸气体积。因此，回油中所含制冷剂越多，机组的制冷能力损失越严重。也就是说，回油并非越多越好，即保证冷水机组的运行过程中不失油并
12、且使回油所引起的制冷量损失最小的回油量应该等于压缩机排气经过油分后所携带的润滑油量。这样，根据质量守恒原理，不难推导出润滑油的质量平衡方程式而估算出实际所需的回油量。万方数据2 0剜洚市室谰第1 2 卷1 3 2 引射器回油引射器是一种利用高压高速的驱动流( 或称一次流) 去引射，抽吸另一种流体( 二次流) 的流体机械装置，其外形如图3 所示，引射器回油的冷水机组系统示意图如图4 所示。由图4 可知，白压缩机排气侧引出高压制冷剂蒸气进入引射器，由于引射器的特殊构造，此时即可将富含润滑油和液态制冷剂的混合液体从蒸发器的适当位置抽吸出来，再混合进入压缩机或吸气管。引射器回油的动力源即排气压力与吸气
13、压力的压差产生的抽吸怍用过样蒸发器的忙胃就无需再捉商嘣 只l湿旨段打敞段图3 引射器结构示意图圈4 引射器回油的冷水机组系统示意图由于该引射器一般利用压缩机排气作为驱动流，当外界温度较低时，主机开机较长时间高压也不易建立，此时引射器的驱动力就不足，引射效率就可能受影响，润滑油就很难回到压缩机，可能造成失油。而相同的问题也存在于重力回油系统，由于冬天气温较低，相对的液管温度也较低，尤其在低负荷的情况下，液管制冷剂流量也相应减小，此时回油中的液态制冷剂可能无法完全蒸发而被吸人压缩机，使得压缩机排气过热度降低，也容易失油。可利用旁通冷却水的方法维持一定的冷凝压力，从而克服上述困难。采用引射器回油的冷
14、水机组，除了在其动力源管路中设置电磁阀外，也可设一角阀，通过控制一次流流量调节所需的回油量。而在蒸发器的取油管路上，可设置一干燥过滤器防止蒸发器中可能存在的焊渣、铁锈随回油进入压缩机内部对压缩机造成损坏，另需设置视液镜以便观察回油状况。需要关注引射器回油对冷水机组性能的影响。首先，引射器并没有一台回油换热器把回油中的液态制冷剂蒸发出来，因此，要想不产生液压缩，只能依靠高温高焙值的一次流使其蒸发。以排气温度为7 0 ，饱和温度为4 0 ( 其焙值为4 4 3 4 9l 【I k g ) 和蒸发温度为4 为例( 制冷剂为R 2 2 ) ，若要避免液压缩，至少应使回油中的液态制冷剂蒸发成4 的饱和蒸
15、气( 4 饱和液态R 2 2 的焓值为2 0 4 7k J k g ，饱和气态R 2 2 的焓值为4 0 6 8k J k g ) ，根据一次流的放热量与回油中制冷剂吸热量相等可知工( 4 4 3 4 9 4 0 6 8 ) = Y X z ( 4 0 6 8 2 0 4 7 )可得z 25 5 X Y X 2式中：z 为一次流的流量( k g s ) 占压缩机排气量的百分比；Y 为回油的总量占排气量的百分比；z 为回油中液态制冷剂的含量百分比。代人一些数值试算后会发现，回油中液态制冷剂所占的比例越大，所需的一次流流量就越大。由于回油中的液态制冷剂已无制冷作用，所以采用引射器回油方法要比重力回
16、油系统多损失一些原本应用于制冷的制冷剂。如果回油系统的取油设计不当，则这种损失就会更加明显。所以，应尽量控制压缩机进人系统的润滑油量，可采取的办法有提高油分的效率等。引射器回油的动力源不但可用压缩机高压排气，而且可用冷凝器底部的高压液态制冷剂或一次油分底部的高压润滑油，甚至还可用吸气作为引射动力源，具体接管方式与图4 稍有不同，见图5 。它是利用蒸发器回气主管中内置的一个类似喷嘴的渐缩渐扩管实现的。当高速的蒸发器回气流经该渐缩渐扩管时，由于其流通截面积缩小，因而速度提升，此时回气部分静压转化为动压，静压万方数据第2 期张为民等：冷水机组的回油技术研究2 I降低以致在喉部( 渐缩渐扩管最窄处)
17、产生一个比蒸发器内部压力更低的压力，由于回油取自蒸发器筒体内部此时便有足够的压差将油一制冷剂混合物自蒸发器抽吸回来，然后混合物经过喉部与一次流混合后在渐扩管内减速，静压升高至渐缩渐扩管出口时压力升至蒸发压力，因流动摩擦阻力和引射流体的影响+ 此混合流体的速度有所降低，但已足够将管内的混合物带到回气主管中，最后回到压缩机。但如果回油完全是从蒸发器内引出，回油中的液态制冷剂恐怕就更容易导致液压缩了。不过这种方法因避免了高压制冷剂的损失，因而可有效地提高冷水机组效率，也不失为一种比较新颖的应用。引射器气管来自蒸发器的取油管图5 以吸气为动力源的引射器回油示意图1 3 3 直接回油直接回油，顾名思义，
18、不像前述2 种方式那样有驱动力，而是使制冷剂与润滑油的泡沫直接通过一些处理后吸入压缩机。因为压缩机一旦吸入过多泡沫将造成液压缩因此四油量的控制尤其重要。这种作法国内已有厂家尝试过，国外也有厂家采用此方法。因为这种方法较上述2 种方法简单，而且对机组的能力影响较少，因此也是一种比较有前途的回油方案。其系统示意图见图6 ，图6 中有部分阀没有注明具体名称，也是因为这些阀有多种搭配方式。图6 采用直接回油法的冷水机组系统示意图基本上，与它配合的制冷剂流量控制方式有节流孔板以及混合式节流等方式，但不管怎样，制冷剂的充注量及机组的冷凝器和蒸发器的相对位置都是比较重要的。以混合式节流为例，即在节流孔板之外
19、再加一只电子膨胀阀，它直接检测压缩机的排气温度，当压缩机吸入过多液态制冷剂时，其排气温度会下降，此时即为液位太高，制冷剂供过于求。若排气温度高，则液位下降应使蒸发器的供液量增加。这就是在节流孔板之外再加一套监控系统，更增加直接回油系统的可靠性。前2 种方法都存在浪费本该用于制冷的液态制冷剂的问题，引射回油还要消耗高压制冷剂的能量，如果用直接回油法，则上述损失都不会发生，可把压缩机的排气完全用于制冷。若再辅之以中间补气口以及良好的换热器设计，机组的性能可有较大的提高。直接回油的一大关键点就是要把过大的液滴隔离开，这需要对蒸发器包括挡液板在内的内部结构设计进行优化，在此不详细讨论。1 4 影响冷水
20、机组回油的其他因素对于满液或降膜式冷水机组而言，无论油分离器的分离效率多高，一般还是要采取适当方式回油。不过油分效率的提高，可相应减轻回油的负担，但排气阻力相应增大，压缩机功耗会上升，利弊得失还需设计者自己权衡。若采用直接回油法，不太适合用冷凝器侧液位控制，因为采用冷凝侧液位控制只关注冷凝器的液位而忽略r 蒸发器的液位，但直接回油法的效果却取决于蒸发器的液位，即使冷凝侧液位正常，低压侧仍有可能液位过低，这样就可能导致回油困难。2 结束语笔者对冷水机组回油相关的取油位置、取油技巧以及回油方法进行了讨论，并重点就回油方法进行详细论述。文中提到的多数观点均经过笔者或国内其他同行的验证，被证明是一种行之有效的回油方法。参考文献 1 王恕清。张德超，刘文静水源热泵机组的优化设计 J 3 制冷与空调。2 0 1 1 ，l I ( 5 ) ：3 0 3 5 2 - 1 彦启森，石文星。田长青空气调节用制冷技术 M I 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 4 E 3 3 _ 乇玉贵H F 0 1 “a 嫖杆冷水机组中满液式蒸发器回油设计讨论口 制冷技术，2 0 0 7 ( 5 ) ：1 6 - 1 7 制冷剂吸入管及回油管路万方数据
