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652023中国家电科技年会论文集0 引言在空调系统中，润滑油的作用是减少压缩机运动部件之间的摩擦，确保其安全平稳运行。然而，制冷剂流出压缩机的同时将携带部分润滑油进入系统，少量润滑油会滞留在换热器和管路中，产生压降增大、传热效果降低等问题1。为解决这些问题，空调油分离器被广泛使用，它能有效地将空调系统中的油液和气体分离开来，保证空调系统的正常运行，对空调油分离器的研究也越来越受到关注。油分离器的性能与其自身的结构设计密切相关，其中，入口尺寸决定了分离器内部的切向速度，切向速度增加会增加油滴所受离心力，提高分离效率，但是过高的入口速度也会增加油滴破裂的可能性，因而对于特定制冷剂流量存在最佳入口尺寸2；出口管直径决定了最大切向速度的径向位置3，并且出口管径对分离效率的影响强于筒体高度4；筒体直径主要影响油分离器压降，筒径增加将导致压降增加5；分离体积与整个分离器体积之比与分离效率之间存在函数关系，分离体积比在某一范围内，油分离器具有更高的分离效率4；通过合理设计油分离器的结构参数，找出最佳的参数尺寸比例，油分离器分离效率可达到99%以上，压力损失降低50%6。目前关于压缩机系统中油气分离器的报道主要集中在初步效率测试和数值模拟上，这些研究不足以为油气分离器确定最佳设计方案。并且关于空调系统中的油分离器效率模型研究较少，仍有进一步研究的空间。本文对油滴在油分离器中运动进行了分析，结合作者简介：张虹，硕士学位。研究方向：主要研究方向为制冷系统节能及优化。地址：上海市闵行区申长路668号3层。E-mail：。多联机油分效率建模和实验验证张虹1.海尔上海（家电）研发中心有限公司 上海 201100；2.青岛海尔空调电子股份有限公司 山东青岛 266000摘 要：建立油分离器的数学模型，可以帮助设计人员评估其性能并优化设计，以实现其最佳性能。对油滴在油分离器中运动进行了分析，结合两相流中液滴尺寸分布，建立了基于停留时间法的油分离器效率计算模型，同时进行试验测试对模型进行了验证，分离效率偏差不超过5%。关键词：多联机；油分离器；效率；模型Modeling and experimental validation of oil separation efficiency for multi-unit air conditionersZHANG Hong1.Haier Shanghai(Home Appliances)R&D Center Co.,Ltd.Shanghai 201100;2.Qingdao Haier Air Conditioning Electronics Co.,Ltd.Qingdao 266000Abstract:Establishing a mathematical model of an oil separator can help designers evaluate its performance and optimize the design to achieve the best performance.The motion of oil droplets in the oil separator is analyzed,and a calculation model of oil separator efficiency based on residence time method is established in combination with the size distribution of droplets in the two-phase flow.At the same time,experimental tests are carried out to validate the model,and the deviation of the separation efficiency is not more than 5%.Keywords:Multi-unit air conditioner;Oil separator;Efficiency;Modeling中图分类号：TB6 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.01666 2023中国家电科技年会论文集两相流中液滴尺寸分布，建立了基于停留时间法的效率计算模型。1 建模思路图1 油分离器结构油分离器结构如图1所示，制冷剂润滑油混合物从进口进入，气体向下旋转做螺旋运动，称作外旋流，当到达筒体下部时，向中心集中，而后向上做螺旋运动，形成内旋流。在这一过程中，在外旋流区域，油滴因所受向心力不足以维持其圆周运动而向分离器壁面运动，沿着壁面落入油分底部被分离出来，而部分油滴将随着气体进入内旋流，通过出气管离开油分离器。本文对油滴在油分离器中所受作用力和运动进行了分析，同时结合两相流中液滴尺寸分布，建立了基于停留时间法的油分离器模型，主要内容有：（1）油分离器中油滴运动分析；（2）油分离器进口油滴的尺寸分布；（3）油分效率模型。2 模型建立2.1 油滴运动分析流体对颗粒的作用力包括流体曳力，由颗粒加速运动引起的附加质量力以及流体不均匀性产生的压力梯度力、速度梯度力等7。其中曳力通常是液滴动量的主要来源，因此在以下油滴运动分析中，流体的作用力只考虑曳力作用。油滴运动速度如图2所示，径向动量方程可以被简化为以下形式：（1）（2）式（1）中，g、d分别是气体密度和油滴密度，单位kg/m3；d是油滴的直径，单位m；r是油滴的径向位置，单位m；ur、ud分别是气体径向和切向速度，单位m/s，CD是曳力系数。Red为油滴雷诺数，由于油滴雷诺数通常小于1，因此曳力系数CD表示为：（3）（4）由于油滴直径处于微米级别，忽略式（1）中的加速度项，得到油滴径向平衡速度：（5）油滴轴向动量方程可以被简化为以下形式：（6）其中，uy、ug分别是油滴、气流轴向速度，因此得到油滴的轴向平衡速度：（7）由于油滴直径处于微米级别，上式中第一项与第二项相比可忽略不计，油滴的轴向速度可以认为与气体轴向速度一致，即：（8）其中，Gg是制冷剂气体质量流量，单位kg/s；D为筒体直径，单位m；Dout为油分离器出气管直径，单位m。当油滴向下运动到出气管口位置，若沿油分离器半径方向运动到壁面，认为油滴可以沿壁面流入油分离器底部而被分离；若径向图2 油滴运动示意图 672023中国家电科技年会论文集位置仍处于筒体内部，即认为油滴将会随着气体一同运动，最终从出口管离开油分离器进入系统当中。油滴运动到出气管口位置所需时间：（9）其中，L是油分离器进气管与出气管在高度方向上的距离，通过对式（1）进行积分，可以计算油滴在径向方向运动的距离：（10）Lr0、Lr分别为油滴初始和最终径向位置。当LrD/2，即认为油滴可被有效分离。当油滴初始位置恰好在进气管中心，可以得到分离概率为50%的油滴尺寸。（11）2.2 油滴尺寸分布油气混合物进口管中油滴尺寸分布对油分离器效率有较大影响，液滴质量平均尺寸可按下式计算8：（12）式中：dv是质量平均尺寸，单位m；Weg、Reg、Rel分别是气体韦伯数、气体雷诺数、液体雷诺数；Din是油分离器进口直径，单位m。（13）（14）（15）Jg、Jd分别是气体、液体表观流速，单位m/s；g、d分别是气体、液体粘度，单位Pas；g、d是气体、液体密度，单位kg/m3；为润滑油表面张力，单位N/m。特定油滴尺寸di对应的概率密度如下：（16）（17）（18）根据Simmons等人9的实验研究，本文中取0.72，b取2。尺寸在di-d/2di+d/2范围内油滴的质量密度按下式计算，不同尺寸油滴质量密度分布见图3。（19）图3 油滴尺寸分布2.3 油分离器效率根据油滴的尺寸分布以及特定尺寸油滴的分离效率，计算油分离器的分离效率：（20）Hoffmann和Stein10提出对于特定尺寸的油滴，分离效率可按下式计算：（21）3 实验装置与测试结果分析3.1 实验系统简介油分离器效率测试系统如图4所示，油分离器设置视液镜，以便观测系统中油位是否稳定，采用取样法测试油分离器前后管路中的含油率，具体测试过程如下：（1）测试液管段含油率OCRliq：打开阀1、阀3、阀4，关闭阀2，保证油分正常回油，待系统稳定，在液管截止阀处取样，测试液管段含油率。（2）测试排气管含油率OCRdis：关闭阀1、阀3、阀4，打开阀2，运行一段时间后，油分和压缩机视镜中油位稳定，此时认为系统内各处的油循环率相等，在液管截止阀处取样，测试液管段含油率作为排气管内的含油率。按以下公式计算油分效率：68 2023中国家电科技年会论文集 （22）3.2 数据分析图5是频率分别为60 Hz、90 Hz、100 Hz、115 Hz时，油分离器的分离效率。随频率升高，油分离器效率上升。这是由于空调系统的制冷剂循环量与频率呈线性关系，制冷剂循环量增加导致进口流速增加，油滴受到更大的离心力因而向壁面运动趋势增大。当流速增加到一定程度，上升趋势变缓。这是因为一方面流速的增加导致油滴受到更大的离心力而被分离；另一方面，流速增加导致入口油滴的尺寸更小，更容易随气体通过出气管进入系统当中。图5 实测油分效率图6是频率分别为60 Hz、90 Hz、100 Hz、115 Hz时，油分离器的实测分离效率与计算效率的对比，模型计算值与实测偏差不超过5%。4 结论 本文对油分离器中油滴运动进行了分析，结合两相流中液滴尺寸分布，建立了基于停留时间法的油分离器效率模型预测分离效率，同时对比试验数据，得到以下研究结论：（1）随频率升高，油分离器效率上升，这是因为入口流速的增加导致油滴受到更大的离心力而被分离。（2）基于停留时间分析方法，并结合两相流中液滴尺寸分布关联式，开发的油分离器效率模型与实际分离效率的误差小于5%。参考文献1 Kim H S,Yoon P H,Sa Y C,et al.A study on the flow characteristics of refrigerant and oil mixture in compressor suction lineJ.International Journal of Refrigeration,2014,48:48-59.2 Wang L Z,Gao X,Feng J M,et al.Research on the two-phase flow and separation mechanism in the oil-gas cyclone separatorJ.IOP Conference Series:Materials Science and Engineering,2015.3 Gao X,Chen J,Feng J,et al.Numerical investigation of the effects of the central channel on the flow field in an oil-gas cyclone separatorJ.Computers&Fluids,2014,92:45-55.4 Yang X,Feng J M,Chang Y F,et al.Experimental Study of Oil-Gas Cyclone Separator Performance in Oil-Injection Compressor SystemJ.Advanced Materials Research,2012(383-390):6436-6442.5 罗毅,孟建军,晏刚,等.提高多联机用旋风式油分离器切线速度方法的数值模拟J.压缩机技术,2014(02):6.6 周威潘,李奎,肖芳斌.空调用高效旋流油分离器仿真优化与实验J.制冷学报,2016,37(06):35-42.7 郭烈锦.两相与多相流动力学M.西安:西安交通大学出版社,2002.8 Berna C,Escriv,A,Muoz-Cobo J L,et al.Review of droplet entrainment in annular flow:Characterization of the entrained dropletsJ.Progress in Nuclear Energy,2015,79(03):64-86.9 Simmons M J H,Hanratty T J.Droplet size measurements in horizontal annular gas-liquid flowJ.International Journal of Multiphase Flow,2001,27(05):861-883.10 Hoffmann A C,Stein L E.Gas Cyclones and Swirl Tubes:Principles,Design and OperationJ.Applied Mechanics Reviews,2007,56(02):B28.11 肖寒松,杨子旭,石靖峰,等.对多联机分户计量方法的探讨J.家电科技,2020(zk):2-6.图4 实验系统图图6 模型验证