基于流体力学的回油毛细管压降计算出发进行理论分析与实验验证

ABSTRACT

多联机系统在低温长时间断电放置后首次上电运行，压缩机启动初期，由于环境温度低、压缩机排气温度低，制冷系统的高低压差未有效建立，难以克服冷冻油在回油毛细管中的摩擦阻力，使得毛细管呈现冻结现象，造成压缩机回油短暂困难。针对以上问题，从冷冻油的运动粘度、基于流体力学的回油毛细管压降计算出发进行理论分析与实验验证。结果表明，温度越低，冷冻油运动粘度越大，回油毛细管的摩擦阻力越大；适当缩短回油毛细管长度或者使用内径更大的回油毛细管，可以有效缩短多联机低温长时间放置后启动初期回油毛细管冻结时间，压缩机出现缺油运行现象的风险更低。

关键词：

KEY WORDS

回油毛细管；冷冻油；运动粘度；冻结；压降

中图分类号：

TH113.1

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引言

JI DIAN XIN XI

空调涡旋压缩机中冷冻油的作用主要体现在以下6个方面[1-2]：

（1）润滑，减小压缩机运行摩擦和磨损程度，从而延长压缩机的使用寿命；

（2）密封，防止动涡旋盘和定涡旋盘之间气体泄漏，提高冷量；

（3）抗腐蚀、防锈，防止系统残留的水分产生锈蚀；

（4）冷却，冷冻油在压缩机各运动部件间润滑时，可带走工作过程中所产生的热量，使得各运动部件保持较低的温度，防止摩擦所产生的高热化，从而提高压缩机的效率和使用的可靠性；

（5）清洗分散，除去滑动面的磨耗粉与碳化物；

（6）减振、卸荷，运动部件在油膜上运动，有缓冲作用，油膜还可将集中负荷均匀分布在配合面上，阻挡声音传递，起降噪作用。

油的循环：在空调系统中，压缩机完成压缩过程后，冷冻油随高温气态制冷剂排出，随后进入油分离器进行制冷剂、冷冻油分离，在压差作用下油分离器底部冷冻油经过回油毛细管回到回气管、进入压缩机，形成油路的主要循环过程；少量冷冻油随着制冷剂进入冷凝器、蒸发器换热，伴随制冷剂循环到气液分离器、回到回气管、进入压缩机，形成油路的次要循环过程[3-4]。

对于多联机系统，在低温长时间断电放置后首次上电运行，压缩机启动初期，由于环境温度低、压缩机排气温度低，空调系统的高低压差未有效建立，难以克服冷冻油在回油毛细管中的摩擦阻力，使得毛细管呈现冻结现象，出现压缩机回油短暂困难。针对以上现象，本文以FVC68D冷冻油为例[5]，研究冷冻油的运动粘度，基于流体力学计算回油毛细管压降，并通过实验验证，寻求解决方案。

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回油毛细管冻结的理论基础分析

JI DIAN XIN XI

1.1冷冻油运动粘度

冷冻油FVC68D/制冷剂R410A的压力—温度—溶解度—运动粘度关系如图1所示。

由图1分析，相同制冷剂溶解度条件下，温度越低，冷冻油的运动粘度越大；相同温度条件下，制冷剂溶解度越大，冷冻油的运动粘度越小。

在油分离器中，制冷剂和冷冻油分离，油中几乎没有制冷剂，制冷剂溶解度默认为0%，查图1得到FVC68D在40℃和100℃的运动粘度。

低温下，制冷剂难溶于冷冻油中，制冷剂密度比冷冻油密度大（0℃下，制冷剂密度为1.18 kg/L，FVC68D冷冻油密度为0.938 kg/L），低温长时间放置后会出现分层，下层为液态制冷剂，上层为冷冻油，冷冻油中制冷剂的溶解度也取值为0%，查图1得到FVC68D在-20℃的运动粘度。

FVC68D在-20℃、40℃、100℃的运动粘度对比如表1所示。

由摩擦理论可知，推动回油毛细管内部的冷冻油循环需要克服相对运动产生的粘性摩擦阻力，润滑油的摩擦阻力可按照以下公式来计算：

式中：ν为润滑油的运动粘度；S为接触面积；u为速度；y为配合间隙之间的距离。

由公式可知，润滑油的粘性摩擦阻力F与润滑油的运动粘度ν成正比关系，润滑油的运动粘度ν越大，润滑油的粘性摩擦阻力F越大。结合表1，低温长时间断电放置后，回油毛细管内部冷冻油的粘性摩擦阻力F比常温下粘性摩擦阻力要大得多。

低温长时间放置后，回油毛细管内部的冷冻油运动粘度较大，回油毛细管内部的冷冻油的粘性摩擦阻力比较大，当首次上电开机时，系统未能在短时间内建立起良好的高低压差来克服回油毛细管内部的冷冻油的粘性摩擦阻力，从而无法推动冷冻油循环起来，呈现出冷冻油“冻结”现象。

1.2毛细管压降分析

根据流体力学理论达西·魏斯巴赫公式[6]，沿程阻力计算公式推导过程如下：

式中：△P为沿程阻力；λ为沿程阻力系数；l为管长；d为管径；ρ为密度；ν为断面平均流速；qm为循环量；A为横截面积。 把流速ν替换，得到：

沿程阻力系数可通过经验计算，λ=15.7，替换得到：

由上述推导过程得到沿程阻力经验计算公式如下：

式中：G为循环量；l为管长；d为管径；den为密度。

由公式可知，毛细管压降与长度成正比，与内径的五次方成反比。在某相同系统条件下，系统管路的循环量为26.7 kg/h，密度为1 020.7 kg/m³，以内径1.2 mm×长度600 mm、内径1.2 mm×长度900 mm、内径1.6 mm×长度600 mm回油毛细管为例进行阻力对比，计算结果如表2所示。

由表2可以计算得出：

（1）与毛细管2相比，毛细管1的压损可降低33.33%，即将3.0 mm×1.2 mm×900 mm的回油毛细管替换为3.0 mm×1.2 mm×600 mm可明显降低毛细管压损。低温长时间放置后，当首次上电开机时，相同内径条件下，600 mm长度毛细管的冷冻油冻结时间比900 mm长度毛细管的冷冻油冻结时间理论上可以有效缩短。

（2）与毛细管1相比，毛细管3的压损可降低76.27%，即将3.0 mm×1.2 mm×600 mm的回油毛细管替换为3.0 mm×1.6 mm×600 mm可显著降低毛细管压损。低温长时间放置后，当首次上电开机时，相同长度条件下，1.6 mm内径毛细管的冷冻油冻结时间比1.2 mm内径毛细管的冷冻油冻结时间理论上可以有效缩短。

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试验与试验结果分析

JI DIAN XIN XI

冷冻油运动粘度可能直接影响压缩机的润滑效果，进而影响压缩机的可靠性，因此虽然根据前面的理论分析，冷冻油的运动粘度对推动回油毛细管内部的冷冻油循环需要克服相对运动产生的粘性摩擦阻力影响很大，但使用低粘度标号冷冻油涉及压缩机可靠性风险评估，本文没有采用低粘度标号冷冻油进行试验研究。

2.1试验验证方案

针对上一节理论分析的内容，本文试验采用12匹多联机外机，分别使用内径1.2 mm、长度900 mm和内径1.2 mm、长度600 mm的回油毛细管，内机配比100%，在-20℃环境温度下断电放置9 h以上，启动前确保压缩机壳顶温度与环境温度的差值在2 ℃以内（如不满足此条件则需要延长断电放置时间），回油毛细管上设置有温度传感器进行实时温度采集，进行毛细管冻结试验研究。

2.2试验结果与分析

测试结果如图2、图3所示。

回油毛细管冻结时间对比如表3所示。

试验结果显示，600 mm长度毛细管的冷冻油冻结时间比900 mm长度毛细管的冷冻油冻结时间缩短了3 min 28 s，缩减幅度达到54%，且600 mm长度毛细管冷冻油解除冻结后油温上升速度更快。试验结果与1.2中的理论分析趋势相符合。冷冻油冻结时间缩短意味着压缩机回油困难的时间缩短，压缩机出现缺油运行现象的风险更低。

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结论

JI DIAN XIN XI

本文针对多联机在低温长时间放置后首次上电，压缩机启动初期回油毛细管冻结、回油困难的现象，以FVC68D冷冻油为例，研究冷冻油的运动粘度，借助流体力学计算回油毛细管压降，并通过12匹多联机外机进行试验验证，试验结果表明：

（1）相同制冷剂溶解度条件下，温度越低，冷冻油的运动粘度越大；相同温度条件下，制冷剂溶解度越大，冷冻油的运动粘度越小。

（2）润滑油的粘性摩擦阻力与润滑油的运动粘度成正比关系，润滑油的运动粘度越大，润滑油的粘性摩擦阻力越大，所以低温长时间断电放置后，回油毛细管内部冷冻油的粘性摩擦阻力F比较大。

（3）回油毛细管压降与长度成正比，长度越大，回油毛细管压降越大；回油毛细管压降与内径的五次方成反比，内径越小，回油毛细管压降越大。

（4）在多联机系统中，适当缩短回油毛细管长度或使用内径更大的回油毛细管，可以有效缩短多联机低温长时间放置后启动初期回油毛细管冻结的时间，压缩机出现缺油运行现象的风险更低。
责任编辑：彭菁