基于6σ的R290冷媒热泵空调低温制热性能改善*

□ 胡小青 □ 余 豹 □ 严辉容 □ 张 杰

1.四川工程职业技术学院 四川德阳 618000 2.四川省冲压发动机先进制造技术工程实验室 四川德阳 618000 3.四川长虹空调有限公司 四川绵阳 621000

1 研究背景

制冷剂是空调中必不可少的工作介质,R290是一种新型环保节能制冷剂,与R22制冷剂的标准沸点、凝固点、临界点等基本物理性质都十分接近[1]。在节能、环保、适用范围等方面,R290优于R22,并且R290具有良好的材料相容特性。R290的汽化潜热大约是R22的两倍,因此,采用R290的制冷系统制冷循环量更小,制冷效率更高。由于R290在低温时容易产生絮状物,导致低温制热阶段R290通过电子膨胀阀时絮状物在阀内累积,造成油堵,降低空调的功率和品质。提高R290冷媒热泵空调的低温制热性能,首先要解决电子膨胀阀内的油堵问题。为了满足人们越来越高的质量和效益要求,精益6σ生产管理模式应运而生[2]。6σ使用定义、测量、分析、改进、控制作为实施流程[3],在流程中加入防错技术、快速换型技术等精益生产技术,以及投入小收益大的精益哲理和精益生产快速解决问题的技巧、方法。在每一阶段使用6σ和精益生产的各种工具,能够有效提高R290冷媒热泵空调的功率和品质。

2 定义、测量

定义、测量是6σ项目实施的基础步骤,也是决定项目成败的步骤。6σ项目要求,在研究的过程中必须进行科学有效的测量,获取的数据必须真实可靠,这样才能针对性地分析问题,后续的改善、控制才能有效,进而使整个项目体现出价值[4-5]。随着R290逐渐进入家用空调行业,R290冷媒热泵空调在低温工况下压缩机油溶解度增大。若环境温度过低,油黏度增大,高压侧制冷剂不能克服电子膨胀阀的节流阻力,则会产生油堵现象[6]。R290冷媒热泵空调低温制热油堵问题主要是指在室内机工况温度为15 ℃左右,室外机工况温度为-5 ℃左右时,连续4 h运行后出现制热异常。R290冷媒热泵空调低温制热油堵功率如图1所示,A线以左为正常化霜,A线以右的化霜过程中出现了空调机空转,功率降低,制热异常。

▲图1 R290冷媒热泵空调低温制热油堵功率

油堵时的温度见表1,功率为1 111.1 kW。通过表1数据可以看出,A线以右的化霜过程中,电子膨胀阀中部温度达到-54.8 ℃,低于压缩机油的倾点,压缩机油凝固,阻塞制冷剂流动。空调化霜过程中,功率由正常时的1 500 kW降低至1 111.1 kW。

表1 油堵时温度 ℃

3 分析

在精益6σ生产管理的分析阶段,主要通过收集测量阶段得到的影响较大的工序和因素,有针对性地进行数据分析,最终得出具体的关键因素[4]。鱼骨图概念将造成某项结果的诸多原因以系统图的方式进行表达,体现出结果与原因之间的关系[7]。这一思维模式常被用于进行质量分析或问题分析。R290冷媒热泵空调低温制热异常鱼骨图分析如图2所示。由图2可知,最终导致问题的原因确定为五点:① 化霜过程中,室内侧蒸发器和长尺配管处于低温状态,一般为-20 ℃以下,此时蒸发器内部压缩机油的黏度增大;② R290充注量小,约为R22的1/2,使压缩机油的黏度增大,在管道内流动较困难;③ 电子膨胀阀中部温度达到-40 ℃,低于压缩机油的倾点,压缩机油凝固,阻塞制冷剂流动;④ 电子膨胀阀流量小,低温时,若蒸发器内的混合体变为絮状物,则易在电子膨胀阀内造成油堵;⑤ 室内外机温差太大,导致空调功率降低。

▲图2 R290冷媒热泵空调低温制热异常鱼骨图分析

以上是对可能造成R290冷媒热泵空调低温制热异常原因的分析,以下针对R290冷媒热泵空调工作原理进行分析。R290冷媒热泵空调主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置组成[8],工作原理如图3所示。压缩机启动运行,空调切换为制热模式,当系统检测到室外冷凝器温度低于设定的室外控制温度时,进入化霜模式。在化霜模式下,空调中的四通阀切换为制冷模式,室内外风机处于停机状态。压缩机压缩高温气态制冷剂,通过消声器消除噪声,经四通阀至室外机的冷凝器,对冷凝器进行化霜,变为高温高压气液混合体,经电子膨胀阀后变为低温低压液态制冷剂,经截止阀、液管进入室内的蒸发器。此时,低温低压液态制冷剂汇聚至蒸发器,完成化霜过程。在化霜过程中,室外机中的冷气集中至室内机,使蒸发器内的温度降低至-40 ℃以下,低于压缩机油的倾点,压缩机油凝固。若此时空调直接切换为制热模式,则压缩机压缩高温气态制冷剂,后经四通阀、截止阀、气管至室内机的蒸发器,与上述蒸发器内的液态制冷剂混合。由于压缩机刚启动,进入蒸发器中的气态制冷剂温度并不高,而此时蒸发器中的温度为-40 ℃,因此从蒸发器内输出的混合体变为絮状物,经截止阀后至电子膨胀阀。电子膨胀阀流量小,絮状物在电子膨胀阀内造成堵塞,使空调停机。

▲图3 R290冷媒热泵空调工作原理

4 改进

针对关键因子进行试验设计改善,寻找最优组合[5]。化霜切换为制热期间,室外机内的冷气集中至室内机,经过电子膨胀阀后压力减小,温度过低,低于压缩机油的倾点,电子膨胀阀的流量小,容易累积絮状物,导致油堵。解决这一问题的关键是融化絮状物。一是对电子膨胀阀控制流量。如获取系统化霜后的各个温度参数,根据室内温差和室外温差的大小,适时调整电子膨胀阀运行的开度,有效避免低温化霜后电子膨胀阀油堵[9-11]。采用单一控制电子膨胀阀流量的方法,虽然有一定效果,但是效果不佳。二是在电子膨胀阀处设置加热装置,对电子膨胀阀油堵处加热,融化絮状物,解决低温制热油堵现象。这一方法虽然有效,但是在空调运行时不易操作。三是出现制热异常后,停机2 min再启动制热,使室内外机压力平衡,使系统尽量接近初次启动状态[12]。这一方法虽然有效果,但是效果不明显。若停机时间再长些,从理论上分析效果会更好,但是会降低用户体验度,存在被用户投诉的风险。笔者通过试验设计的方法来提高R290冷媒热泵空调低温制热性能,保证空调的品质。

5 控制

5.1 试验设计策划

进行试验设计之前,需要完成试验设计策划表,包括五方面。

(1) 问题描述。前文已描述。

(2) 试验目标。避免电子膨胀阀处的油堵问题,防止压缩机空转,提高低温状态下空调的制热性能及品质。

(3) 试施路线。对室内机软件进行优化升级,化霜结束后由原来的不停机升级为停机1 min再启动运行。启动制热模式时,需要将电子膨胀阀的流量控制在最大状态。

(4) 试验所需条件。需要两台样机,工况温度为室内15 ℃、室外-5 ℃。试验时间为连续工作十几个周期,一个周期为45 min左右。

(5) 试验判断。需要判断空调功率是否正常。

5.2 控制总方案

R290冷媒热泵空调的内部结构如图4所示,包括通过系统总线连接的处理器、存储器。其中,存储器包含非易失性存储介质和内存储器。非易失性存储介质存储有操作系统,可存储计算机程序。计算机程序被处理器执行时,可实现R290冷媒热泵空调控制方法。正常制热中,当检测到室外温度过低需要化霜时,进入化霜模式,并检测空调化霜是否完成。当检测到化霜完成时,控制空调停机1 min,重启空调,进入正常制热模式,同时将电子膨胀阀流量调控至最大状态。

5.3 化霜结束后停机控制

在冬季较冷的地区,室外温度一般都低于冰点。空调室外机中的冷凝器在制热过程中,由于蒸发吸热过程很容易造成结霜,甚至结冰。如结霜后不及时清除,会导致空气流动受阻,影响空调的制热性能。由此可见,在制热过程中,会伴随化霜过程。化霜的频率与室外温度有关,室外温度越低,化霜操作越频繁。根据室外机中冷凝器的温度是否达到设定温度,判断是否需要进行化霜。若没有达到设定温度,控制系统就会进入化霜模式。R290冷媒热泵空调控制方法流程如图5所示。

▲图4 R29冷媒热泵空调内部结构

▲图5 R290冷媒热泵空调控制方法流程

在步骤104中,当检测到化霜完成时,控制空调停机1 min。

通常需要根据化霜时的压缩机频率、室外机电流大小及化霜时间来判断化霜是否完成。当检测到的数据满足预设条件时,则认定为化霜完成,并退出化霜模式。在原有技术中,此时直接开始进行制热。而在优化试验中,空调需停机1 min,目的是使系统温度平衡,即室内机的冷气和室外机的热气温度平衡中和,从而提高室内机中蒸发器内低温低压液态制冷剂的温度,降低开始制热时压缩机压缩的高温高压气态制冷剂进入蒸发器因温度不高而形成絮状物的风险。

在步骤106中,重启空调,进入正常制热模式。

完成室内外热平衡后,再进行制热,经压缩机压缩的高温高压气态制冷剂虽然温度不高,但是蒸发器中液态制冷剂已经经过热平衡,温度已经回升至倾点以上,此时进行混合不易产生絮状物,从蒸发器输出的制冷剂也不易在电子膨胀阀中形成油堵,避免因油堵造成压缩机空转的问题。

5.4 电子膨胀阀流量控制

在优化试验中,将电子膨胀阀的流量控制在最大状态,且保持30 s,保证压缩机油顺利通过电子膨胀阀,进一步解决因油堵造成的压缩机空转问题。

重启空调后的具体流程如图6所示。在优化试验中,重启空调,进入正常制热模式。

▲图6 重启空调具体流程

在步骤202中,重启空调后,将电子膨胀阀调至预设位置并运行30 s。预设位置的步数大于初始位置的步数,初始位置为正常制热时的位置。

步数用于衡量电子膨胀阀阀门的开度,步数越大,开度越大,流量也越大。在重启空调后,虽然蒸发器内的制冷剂温度已经有所回升,但仍可能有产生絮状物的风险,因此控制电子膨胀阀至预设位置,以保证刚开始制热时,液态制冷剂能够顺利通过电子膨胀阀而不形成油堵。经过30 s后,蒸发器内的温度升高至无法形成絮状物。

在步骤204中,将电子膨胀阀调回至初始位置,进入正常制热模式。

经过上述步骤后,蒸发器内的温度已在倾点之上,不会再形成絮状物。此时将电子膨胀阀调回至初始位置,进入正常制热模式。

经过优化试验,进一步提高了R290冷媒热泵空调的制热效率,保证了空调的正常运行,防止压缩机空转,并延长了压缩机的使用寿命。

5.5 试验结果分析

优化试验中化霜功率试验结果如图7所示。优化试验中,两台样机在室内工况温度为15 ℃,室外工况温度为-5 ℃下,启动制热模式连续工作十几个周期,一个周期为45 min左右,化霜功率曲线呈现周期性变化。空调功率正常,化霜正常,未出现油堵现象,证明了优化方案有效可行。

6 结束语

笔者基于6σ对R290冷媒热泵空调低温制热性能进行改善,采取对室内机软件进行优化升级和调控电子膨胀阀流量相结合的方案,有效解决了R290冷媒热泵空调在低温制热时的油堵问题,防止了压缩机空转,提高了R290冷媒热泵空调的品质,取得了良好效果,为改善同类可燃性冷媒热泵空调的低温制热性能提供了参考。

▲图7 优化试验中化霜功率试验结果