并联压缩机系统的回油方法与优化

1、油的作用与分布    
在压缩机系统中 , 润滑油的主要作用是润滑压缩机的运动部件 , 如轴承、活塞、缸筒等 , 减少摩擦磨损 , 延长使用寿命。同时 , 润滑油还具有密封、冷却、减振、清洁等辅助作用 , 是保障压缩机正常运转的关键 [1] 。  

理想情况下 , 润滑油应储存在压缩机的油底壳中 , 并在机油泵的作用下 , 沿油道分配到各润滑部位。然而 , 在实际运行中 , 部分油会随着制冷剂气体被带出压缩机 , 进入系统管路和换热器中。据统计 , 空调系统中 , 约有 1/2~2/3 的油分布在压缩机外 [2] 。

2、油失控的危害    
油被带出压缩机后 , 一方面会沉积在换热器表面 , 恶化传热效果 , 降低换热器效率 ; 另一方面 , 会滞留在系统管路的低洼处 , 造成实际的油循环量不足。当压缩机油位过低时 , 易引发以下危害 :  

(1) 润滑不良 : 轴承和气缸得不到有效润滑 , 加剧摩擦磨损 , 产生高温、卡涩等现象。  

(2) 密封失效 : 油封失去油膜保护 , 泄漏量增大 , 系统性能下降。  

(3) 过热损坏 : 油量不足导致冷却效果差 , 易引起压缩机过热 , 缩短使用寿命。  

(4) 化学分解 : 残留的油在高温环境下裂解 , 产生有机酸 , 腐蚀系统元件 [3] 。

3、并联压缩机的回油难点   
与单台压缩机相比 , 并联压缩机系统的回油面临更大挑战。主要难点在于 :  

(1) 结构对称性差 : 由于并联管路长度、弯头数量等存在差异 , 各压缩机所处的位置和压力并不完全对称 , 存在 " 零位 " 效应。  

(2) 工况适应性差 : 并联压缩机往往采用多台小型压缩机 , 在满负荷时全部开启 , 在部分负荷时部分开启。不同的开启方式和台数 , 会引起回油工况的波动。  

(3) 压差驱动力小 : 并联管路压差小 , 一般不超过 0.01MPa, 难以提供足够的回油驱动力 [4] 。  

因此 , 针对并联压缩机的结构特点和运行特性 , 亟需采取专门的回油措施 , 确保油量平衡 , 避免单台压缩机 " 油流失 " 或 " 油淹没 " 。

1、油均衡管法     
油均衡管法是最简单、最常用的并联压缩机回油方法。其基本原理是在并联压缩机的油底壳之间连通细小的油管 , 利用液位差驱使油从高处流向低处 , 实现动态平衡。  

油均衡管的直径一般为 2~8mm, 需根据油的黏度、管长、油位差等参数设计。管径过大 , 会加剧压缩机间的 " 短路 " 现象 ; 管径过小 , 又会限制油的流动 , 影响平衡效果。日本学者井上正提出了油均衡管直径的优化计算公式 [5]:  

$d=0.456\sqrt{QL/\Delta P}$  

式中 ,$d$ 为油均衡管内径 (mm);$Q$ 为润滑油流量 (ml/s);$L$ 为油均衡管长度 (m);$\Delta P$ 为所需压差 (mmHg) 。  

除了管径 , 油均衡管的布置方式也影响平衡效果。一般采用闭式环状布置 , 各压缩机依次连通。开式布置虽然管路较短 , 但首尾机之间无法实现油均衡。并且 , 环状油管要尽量做到等长、等阻 , 避免不同路径的压差悬殊。  

油均衡管法的优点是结构简单、成本低、无能耗 , 且基本不受压缩机台数和变频调节的影响。但其缺点是平衡精度不高 , 当压差小于 20mmHg 时 , 几乎不能建立有效油流 ; 长期运行还可能出现管路堵塞等问题 [6] 。因此 , 油均衡管多用于小型并联压缩机 , 或与其他回油方式组合使用。

2、油分离器法
油分离器法是利用机械式油分离器 , 将压缩机排气中夹带的油雾分离出来 , 再通过均油管或回油管送回各压缩机。根据分离原理 , 油分离器可分为旋风式、叶片式、丝网式等。  

旋风式油分离器利用离心力实现油气分离 , 油雾在分离器内作旋流运动 , 受离心力作用被甩向器壁 , 汇集后通过回油管排出 ; 气体则在中心形成上升气流 , 由顶部排出。旋风式油分离器的分离效率较高 , 但阻力也大 , 适合大型高压并联系统 [7] 。  

叶片式油分离器内部装有若干层迷宫状叶片 , 利用惯性力实现油气分离。含油气体经过弯曲狭窄的叶片通道时 , 气体通过能力强 , 油雾则难以通过 , 被叶片阻挡 , 最终沉积在集油槽中。叶片式油分离器结构紧凑 , 但同样存在一定阻力。  

丝网式油分离器采用多层金属丝网作为滤料 , 当含油气体通过丝网时 , 气流线发生弯曲 , 油滴和油雾由于惯性作用被截留在丝网上。随着油滴聚并长大 , 在自重作用下流入集油槽。丝网式油分离器的分离精度高 , 但网孔细小 , 更易堵塞结垢 [8] 。  

油分离器的安装位置应尽可能靠近压缩机排气口 , 减少气体携油。并且 , 应保证进气速度适中 , 一般控制在 3~5m/s 。速度过高 , 会增加压力损失 ; 速度过低 , 又会降低分离效率。  

从油分离器集中分离的油 , 一般先汇入油库 , 再经均油管分配到各压缩机。均油管应具有一定的回油压差 , 可通过提高油库位置或采用毛细管节流的方式实现。毛细管的流阻应大于油库至 " 零位 " 压缩机的管路流阻 , 使回油压头足以克服 " 零位 " 效应 [9] 。  

总的来说 , 油分离器法的优点是集中高效、有利于多余油的储存和统一管理 ; 其缺点是设备相对复杂、成本较高 , 安装时土建要求高 , 运行时存在一定的能耗和阻力损失。

3、强制回油法   
强制回油法是通过机械装置 , 主动将滞留在系统低洼处的油泵送回压缩机。常见的强制回油装置有射流油泵、齿轮油泵、冲吸油管等。  

射流油泵是一种无运动部件的结构 , 主要由射流嘴、混合室、扩压管等构成。工作时 , 利用高速气流经射流嘴后产生负压 , 将低压腔内的油吸入混合室并随气流一起压入回油管。射流油泵可有效利用系统压差 , 在无需单独驱动的情况下自动实现回油 , 但容易发生气穴现象 , 随着油温的升高 , 回油效率明显下降 [10] 。  

齿轮油泵是利用齿轮啮合转动 , 将油从吸油腔转移到排油腔 , 实现强制输送。齿轮油泵结构紧凑、效率高 , 输送油压可达 0.6~1.0MPa, 能有效克服管路阻力。但齿轮油泵需要单独的电机驱动 , 存在能耗和可靠性风险。  

冲吸油管是一种利用气流脉冲 , 将积油管中的油冲吸至压缩机的简易装置。其工作原理是在回油管路中并联一根细长的毛细管 , 利用毛细管的毛细作用力 , 源源不断地将积油管中的油吸入 , 待达到一定液位后 , 在气流冲击下排向压缩机。冲吸油管无需外部动力 , 但油气分离效果差 , 仅适用于小型喷液式压缩机系统 [11] 。  

强制回油法不受并联压缩机数量和布置方式的限制 , 只要在系统低洼处设置回油口 , 就能有效解决油囤积问题。但其缺点是设备复杂、控制要求高 , 需要实时监测油位、温度等参数 , 调节回油时机和流量。不恰当的控制可能引发 " 回油饥饿 " 或 " 回油过剩 " 等问题。

1、基于机组工况的油管设计     
并联压缩机的运行工况是影响回油效果的关键因素。设计油管路时 , 应充分考虑机组的负荷特性、变频调节等工况因素。  

对于变负荷运行的机组 , 油管路应根据各工况下的最不利状态设计。即以最小压差、最低油温、最长管路、最高黏度等参数组合来校核油管直径、供油压头、冲吸速度等。  

对于变频调节的机组 , 应关注频率变化对回油的影响。一般来说 , 压缩机频率越高 , 排气压力越高 , 油气分离效果越好 , 但同时回油管路阻力也会上升。因此 , 宜采用变频比例阀或定压差阀 , 实现回油量与压缩机频率的同步调节 [12] 。

2、基于油品特性的合理选型     
润滑油的品质是影响回油性能的又一关键因素。选用合适的油品 , 可在源头上减少油的携带量 , 降低回油难度。  

首先 , 润滑油的黏度要适中。过高的黏度会增大回油管路阻力 , 影响回油效率 ; 过低的黏度又会恶化密封效果 , 加剧气体携油。其次 , 油的挥发性要低。挥发度高的油更易被气体带走 , 而且长期使用会改变油品成分。再次 , 要考虑油的溶解度。溶解度过大会引起油中溶胀过多的制冷剂 , 压缩机启停时易发生油泡沫现象 [13] 。  

针对并联压缩机 , 常用的油品有矿物油 (MO) 、烷基苯 (AB) 、聚醚 (POE) 等。其中 , 矿物油具有良好的润滑性、抗氧化性和较低的溶解度 , 是 R22 系统的首选 ; 烷基苯油则具有优异的热稳定性和较低的挥发度 , 适合氨系统 ; 聚醚油具有优良的低温流动性和相容性 , 是 R134a 、 R410A 等新型制冷剂系统的最佳选择 [14] 。

3、基于系统特性的集成优化       
回油方法的选择要因地制宜 , 综合考虑系统容量、并联台数、管路布置、工况波动等特性 , 采用适合的方案或组合。  

对于小型并联系统 ( 如 7.5kW 以下 ), 优先采用油均衡管法 , 必要时辅以冲吸回油装置。对于中型系统 ( 如 7.5~75kW), 可采用旋风式或叶片式油分离器 , 结合毛细管均油系统。对于大型系统 ( 如 75kW 以上 ), 宜采用高效油分离器 + 强制回油泵的组合方式 , 同时配以智能控制装置 , 实现系统油量和油位的动态平衡 [15] 。  

此外 , 在系统设计和施工时 , 还应注意油管路的合理布置 , 避免不必要的 " 油囊 " 和 " 油阱 " 。如在立管和水平管的连接处 , 应采用向上 45° 斜口 , 防止油滞留 ; 在管道末端和低洼处 , 应设置回油弯头 , 引出积油 ; 在狭长空间布管时 , 应减少并联支管 , 必要时可采用串联方式 [16] 。