第１２卷第２期 ２ ０ １ ２年４月 制潦 室调 ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴ１０Ｎ ＡＮＤ ＡＩＲ＿Ｃ０ＮＤＩＴ１０ＮＩＮＧ 冷水机组的回油技术研究 张为民Ｄ 肖瑶瑶 Ｄ（大连冰山集团有限公司设计研究院） 摘要王恕清Ｄ （烟台恒辉压力容器有限公司） 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 冷水机组；重力回油；引射器回油；直接回油；螺杆式压缩机 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Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｏｉｌ ｒｅｔｕｒｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｃｈｉｌｌｅｒ Ｚｈａｎｇ Ｗｅｉｍｉｎ Ｘｉａｏ Ｙａｏｙａｏ Ｗａｎｇ Ｓｈｕｑｉｎｇ ’（Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｄａｌｉａｎ Ｂｉｎｇｓｈａｎ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．） ’（Ｙａｎｔａｉ Ｈｅｎｇｈｕｉ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．） ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｏｉｌ ｒｅｔｕｒｎ ｉｓｓｕｅ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｒｅｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｏｉｌ ｆｅｔｃｈ ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｏｉｌ ｆｅｔｃｈ ｓｋｉｌｌ，ｏｉｌ ｒｅｔｕｒｎ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｔｈｒｅｅ ｏｉｌ ｒｅｔｕｒｎ ｓｔｙｌｅ ｏｆ ｏｉｌ ｒｅｔｕｒｎ ｂｙ ｇｒａｖｉｔｙ，ｏｉｌ ｒｅｔｕｒｎ ｂｙ ｅ— ｊ ｅｃｔｏｒ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔ ｏｉｌ ｒｅｔｕｒｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｃｈｉｌｌｅｒ ａｒｅ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ｗａｔｅｒ ｃｈｉｌｌｅｒ；ｏｉｌ ｒｅｔｕｒｎ ｂｙ ｇｒａｖｉｔｙ；ｏｉｌ ｒｅｔｕｒｎ ｂｙ ｅｊ ｅｃｔｏｒ；ｄｉｒｅｃｔ ｏｉｌ ｒｅｔｕｒｎ； ｓｃｒｅｗ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ 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 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｝昆合物 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Ｒ２２和Ｒ１３４ａ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，Ｒ２２之类 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 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 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 Ｒ２２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Ｒ１３４ａ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。 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、取油技巧 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Ｒ２２和Ｒ１３４ａ冷水机组，蒸发器取 油口的位置均设置于实际液面下１５０ ｍｍ左右是 收稿日期：２０１１－１２—２９ 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、制冷剂替代及换热技术。 第２期 张为民等：冷水机组的回油技术研究 比较合适的。有人曾做过将取油口设在液面下 ２００ ｍｍ以下的试验，结果不是很理想，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水机组的制冷能力，也会因 制冷剂无法完全蒸发而吸入压缩机引起液压缩。 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。 剖痔 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，自压缩 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，再混合进人压缩机或吸气管。引射器回油的 动力源即排气压力与吸气压力的压差产生的抽吸 作用，这样蒸发器的位置就无需再提高。 吸入段 混合段扩散段 图３引射器结构示意图 回 油 管 路 干燥过滤器 图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， 密谰 第１２卷 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～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，只能依靠高温高焓值的一次流使其蒸发。以 排气温度为７（）℃，饱和温度为４（）℃（其焓值为 ４４３．４９ ｋＪ／ｋｇ）和蒸发温度为４℃为例（制冷剂为 Ｒ２２），若要避免液压缩，至少应使回油中的液态制 冷剂蒸发成４℃的饱和蒸气（４℃饱和液态Ｒ２２的 焓值为２０４．７ ｋＪ／ｋｇ，饱和气态Ｒ２２的焓值为 ４０６．８ ｋＪ／ｋｇ），根据一次流的放热量与回油中制冷 剂吸热量相等可知 ｚ×（４４３．４９—４０６．８）＝Ｙ× ×（４０６．８—２０４．７） 可得 ｚ＝５．５× × 式中：ｚ为一次流的流量（ｋｇ／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 量控制压缩机进入系统的润滑油量，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 第２期 张为民等：冷水机组的回油技术研究 降低，以致在喉部（渐缩渐扩管最窄处）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 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，当压缩机吸人过多液态制冷剂 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 来自 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，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 过一些处理后吸人压缩机。因为压缩机一旦吸入 过多泡沫将造成液压缩，因此回油量的控制尤其 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 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。这就是在节流孑Ｌ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 位而忽略了蒸发器的液位，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］．制冷与空调，２Ｏｌ１，１１（５）：３０—３５． ［２］彦启森，石文星，田长青．空气调节用制冷技术［Ｍ］． 北京：中国建筑工业出版社，２００４． Ｅ３３王玉贵．ＨＦＣ－１３４ａ螺杆冷水机组中满液式蒸发器回 油设计讨论ＥＪ２．制冷技术，２００７（５）：１６—１７．