润滑油在压缩机的金属部件之间形成液膜,用于润滑和冷却运动部件,并降低压缩过程中产生的噪音.在蒸汽压缩式制冷系统中,润滑油的存在是不可避免的,总有一部分润滑油随压缩机排气进入制冷系统,并影响换热器中的流型、传热和压降^[1].润滑油的两大属性与制冷剂有很大差异,即饱和温度和动力黏度.因此,制冷剂/油混合物的特性与纯制冷剂的特性有很大差异,尤其是在蒸发器末端(过热区),由于制冷剂沿程蒸发而使得混合物中油浓度逐渐增加.

润滑油对压缩机的运转主要有两个重要影响:① 叶片的旋转或制冷剂蒸汽的流动作用引起制冷剂/油混合物的泡沫现象^[2];② 从压缩机排气口排出的润滑油量与压缩机的运转条件有关,排油量的多少又决定了系统的油循环率并影响到换热器的性能^{[2, 3]}.

滚动转子式压缩机,又称滚动活塞式压缩机,具有结构紧凑、性能好等特点,是房间空调器最常用的机型^{[4, 5]}.韩磊等^[5] 和陶宏等^[6]研究了滚动转子式压缩系统的性能和两相流型.结果表明,当大量制冷剂液体返回到压缩机时,将降低润滑油黏度并对压缩机造成损坏^[5].当压缩机排气温度等于冷凝温度时,在膨胀阀出口存在泡气分相流现象^[6],但未找到流型发生变化的原因.润滑油的流动对于系统部件的性能有重要影响,并关系到压缩机运行的可靠性.本文研究了当压缩机吸气从过热状态变化到吸气带液状态时,滚动转子式制冷系统的蒸发器出口和膨胀阀出口处制冷剂/油混合物的流型,分析流型变化的原因,为此类系统的安全运行和设计提供参考.

1 实验装置

实验装置示意图如图 1所示.装置总体结构类似于一台水冷冷水机组.压缩机采用上海日立电气的FG720CG1UY滚动转子式压缩机,自带气液分离器.蒸发器和冷凝器均为水循环系统.制冷剂为R22,润滑油为SUNISO 4GS,两者的互溶性良好.采 用科氏力流量计测量制冷剂流量,精度为0.1%.流量计前安装过冷器,控制制冷剂的过冷度.采用内置式铂电阻测量蒸发器出口和压缩机排气口的温度,铂电 阻型号为上海仪表自动化公司WZP系列,温度偏差 为(0.15℃+0.002|t|)(t为测量的温度,单位为℃).图 2为可视管结构图.采用对夹法兰夹紧石英玻璃管,端面采用聚四氟乙烯垫片密封.石英玻璃管尺寸为Φ22 mm ×7 mm,长度为80 mm.

图 1

图 1 实验装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of experimental system

图 2

图 2 可视管结构图 Fig. 2 Structure of sight glass

压缩机的排油量决定了系统的油循环率,并间接影响了换热器性能.滚动转子式压缩机排油的主要来源为:从蒸发器出来的制冷剂携带部分润滑油,并通过集液器喷入压缩腔内;压缩机油池内的润滑油在压力差的作用下通过转动部件间隙进入压缩腔体.滚动转子式压缩机的排油机制如图 3所示.

图 3

图 3 滚动转子式压缩机的排油机制 Fig. 3 Oil discharge mechanism of rolling piston compressor

当压缩机排气过热时,润滑油将从气相制冷剂中分离.通常情况下,大部分油滴由于自重滴落到油池,也有一部分润滑油被电机腔反弹或吸收,只有少部分润滑油通过电机间隙被高速流动的制冷剂气体携带而进入系统循环^{[3, 7]},所以通常系统油循环率是较低的.但在异常工作状况下,也会出现润滑油较严重的泡沫现象^[1]或系统油循环率高的现象^[3]. 3 实验结果及分析

按照实验工况设定冷却水和冷冻水出口温度,手动调节电子膨胀阀开度,从25 K的过热度调节到压缩机排气温度等于冷凝温度,观察和拍摄膨胀阀出口可视管1和蒸发器出口可视管2的制冷剂/油混合物的流动状态,记录系统运行参数. 3.1 蒸发器出口两相流

图 4给出了蒸发器出口处制冷剂/润滑油混合物的两相流型.当系统制冷剂流量小且过热度大时,制冷剂气体携带润滑油的能力很弱,在管壁上仅有一些“油渍”蠕动,如图 4(a)所示.此时返回压缩机的润滑油很少,但同时压缩机内制冷剂的流速也很低,压缩机的排油量也很小.因此,整个系统的润滑油流动仍是平衡的,表现为压缩机内油位恒定,压缩机排气温度稳定.

图 4

图 4 蒸发器出口流型 Fig. 4 Flow pattern at the evaporator outlet

随着膨胀阀开度的增加,制冷剂流量增加,制冷剂携带润滑油的能力增强.在蒸发器出口的可视管2中形成了“油膜”线状流,并贴壁螺旋流动,如图 4(b)所示.

当继续增加膨胀阀开度时,制冷剂携带更多的润滑油离开蒸发器,线状流逐渐汇集并发展成为环状流,并呈波纹状流动,如图 4(c)、(d)所示.

在蒸发器出口可视管2中观察到的“油膜”都是无色透明的,而4GS润滑油本身是淡黄色的,这是因为润滑油中溶解了一定组分的液体制冷剂,此处的“油膜”实际上是高含油量的制冷剂和润滑油混合物.Zahn^[8]对干式蒸发器内制冷剂的两相流型进行的观测发现,在制冷剂完全蒸发区存在波纹状流动的高沸点液膜,但并未了解该物质的成分和形成原因.文献^[1]和文献^[2]显示了在蒸发器末端存在贴壁流动的油和制冷剂混合物.蒸发过程中,低沸点的制冷剂首先蒸发,但总有一部分制冷剂残留在润滑油中无法完全蒸发,残留的制冷剂稀释了润滑油使其看起来无色透明,但是混合物的黏度远高于纯制冷剂,所以贴壁流动.

当蒸发器出口过热度低于最小稳定过热度时,制冷剂过热度产生波动,“油膜”流动消失,形成雾状湿蒸汽和过热蒸汽交替流,即所谓的干式蒸发器振荡现象^{[8, 9]}.继续增加膨胀阀开度使制冷剂完全进入两相状态,润滑油则完全溶解在雾状湿蒸汽中,蒸发器出口为稳定的雾状湿蒸汽流,如图 4(e)所示.

蒸发器出口“油膜”的流型与制冷剂流速和混合物黏度有关,而混合物的油浓度和黏度由蒸发器出口的压力和温度决定.

为了便于研究,当蒸发器出口为两相状态时,定义了一个负过热度TSH^[10],即

在制冷剂过热时,残留在混合物中的制冷剂溶解度是饱和的.当地油浓度由蒸发器出口的压力和温度决定.当地压力P_e、温度T_e和油膜中油的质量份额ω满足^[2]

当蒸发器出口制冷剂为两相状态时,无法计算油浓度,因为液体R22与4GS润滑油完全互溶.

制冷剂流速

图 5为蒸发器出口流型变化趋势.从图 5可看出,制冷剂流速随蒸发器出口过热度的降低而增加.这是因为过热度越低,吸排气压比越小,从而压缩机容积效率提升.随着蒸发器出口过热度的降低,“油膜”中的制冷剂含量增加.这是因为过热度越低越不利于制冷剂和油分离.

图 5

图 5 蒸发器出口流型变化趋势 Fig. 5 The trend of flow pattern at the evaporator outlet

当蒸发器出口过热度很大时,管壁上仅有“油渍”蠕动.这一方面是由于制冷剂流速小,另一方面是由于油浓度高,混合物黏度大.当过热度减小时,制冷剂流速增大且混合物油浓度降低,故“油膜”流速越来越快,并发展为贴壁线状流和贴壁环状流.当蒸发器出口过热度接近于0时,制冷剂流速的增加并不是很快,但“油膜”流动速度却增加很快,这主要是因为混合物的油浓度降低导致黏度减小.由此可知,在制冷系统中,正过热度越小,越有利于蒸发器内的润滑油返回压缩机. 3.2 膨胀阀出口两相流

制冷剂/油混合物经膨胀阀节流后产生闪发气体,在低流速时形成气相在上、液相在下的分层流,在高流速时形成液环气芯流^{[2, 6]}.当压缩机吸入大量液体制冷剂时,这些液体在压缩过程中不能完全蒸发,以致排气处于两相状态.这时压缩腔内的润滑油不能与液体制冷剂分离而被携带进入系统,使得系统油循环率大大增加.高含油量的制冷剂在膨胀阀后节流,油的黏滞作用造成闪发蒸汽脱离液相较慢,从而发生起泡现象^[2],可视管中的流型从透明的液气分相流转变为泡气分相流.膨胀阀出口流型如图 6所示.如果油循环率特别大,在可视管1处可看到呈浅黄色的泡状流.系统油循环率增加将使换热器的传热恶化^{[1, 2]},传热温差加大,蒸发器制冷量减小;同时大量的润滑油离开压缩机,且大量的制冷剂液滴滴落油池,将降低润滑油的黏度,增加压缩机磨损,因此应避免制冷系统在此工况下运行^[5].

图 6

图 6 膨胀阀出口流型 Fig. 6 Flow pattern at the outlet of expansion value

制冷系统中润滑油的流动对于系统的安全运行和性能有重要影响.本文对滚动转子式压缩制冷系统的蒸发器和膨胀阀出口处的流型进行可视化观察,结果发现:

(1) 蒸发器出口存在“油渍”蠕动、“油膜”线状流、“油膜”环状流和雾状湿蒸汽流等流型.在一定运行工况下,蒸发器出口的正过热度越小,制冷剂流速越大且局部油浓度越低,蒸发器出口“油膜”流动速度越快,越有利于压缩机回油.当蒸发器出口处于两相状态时,润滑油完全溶解于液体制冷剂中,“油膜”流动消失.

(2) 当吸气带液严重以致压缩机排气为两相状态时,将有更多的润滑油进入系统循环.高含油量的混合物经膨胀阀节流后将形成泡状流,蒸发器传热效果恶化,系统性能降低,同时由于压缩机内润滑油被制冷剂稀释将加剧压缩机磨损.