船用空调机组压缩机液击故障分析及排除

2012-12-18周伟

中国修船 2012年2期

周伟

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

1 故障现象

某型船中央空调系统采用1台压缩机 (Carrier 5H86型)配备2台空调器的形式，使用R404A型制冷剂。在船厂调试和首次试航期间，该机组运行状况均达到设计要求，且运转正常。该型船在交付运营后一段时间，频繁发生压缩机“液击”现象，压缩机内部吸气阀片、排气阀片、阀板及其它附件均遭到损坏，以致压缩机无法运转，中央空调无法正常使用。由于该型船经常跨赤道航行，航行途中气候变化较大，对船员的正常生活造成了很大的影响。

2 原理介绍

该型船使用的是最为广泛的蒸汽压缩式制冷装置，如图1所示，主要由压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器等组成，选用汽化温度很低的液体作为制冷剂 (R404A)，液体制冷剂在蒸发器中吸收被冷却对象的热量并汽化，形成的低压蒸汽被压缩机压缩成高压蒸汽，然后进入冷凝器被常温冷却介质(水或空气)冷却，凝结成高压液体，经节流后变成低压、低温状态进入蒸发器，如此周而复始实现连续制冷。节流机构一般由膨胀阀构成，膨胀阀主要安装于蒸发器之前，使液体冷剂节流降压和根据装置热负荷的变化自动调节进入蒸发器的制冷剂流量，使制冷剂气体在蒸发器出口的过热度保持在一定范围内。

图1 蒸汽压缩式制冷循环图

空调器组成和结构如图2所示，夏季使用空气冷却器对空气降温加湿，冬季用加热器和喷湿管对空气加热、加湿。回风和新风混合后，先经过空气滤网去掉尘埃，然后夏季用空气冷却器，通入冷媒水，进行降温除湿，冬季用加热器，通入蒸汽或热水，进行加热加湿，最后送入到各个舱室去。

液击，即当液态制冷剂或润滑油大量吸入汽缸时，由于液体的不可压缩，而且液体粘度比气体大得多，流速不易提高，活塞的运动使这种液体产生巨大的冲击力，这就称为“液击”，也称“冲缸”。这种冲击力会使阀片遭到损坏，严重的甚至会击碎阀板或汽缸盖。当蒸发器中的制冷剂未被完全汽化，剩余的液态制冷剂进入压缩机，则会造成液击。

图2 空调器原理图

3 问题现象分析

如图3基本制冷循环的压焓图所示，其实际设备由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀4个部分组成。假设制冷剂的蒸发温度为to，冷凝温度为tk，图中，点4表示制冷剂 (R404A)出膨胀阀，即将进入蒸发器时的状态。此时，制冷剂为湿蒸汽状态。制冷剂在进入蒸发器后，经过等压 (压力值P0)汽化过程，焓值增大，即过程线4-1。点1表示制冷剂出蒸发器，即将进入压缩机时的状态，制冷剂变为干饱和蒸汽。进入压缩机后，制冷剂蒸汽在压缩机中进行等熵压缩，压力由蒸发压力P0提高到冷凝压力Pk，即过程线1-2。点2表示制冷剂出压缩机，即将进入冷凝器时的状态，此时，制冷剂为过热蒸汽。在冷凝器中，制冷剂经过等压(压力Pk)冷却、冷凝过程，最终变为饱和液体，即过程线2-3。点3表示制冷剂出冷凝器，即将进入膨胀阀时的状态。进入膨胀阀后，制冷剂通过膨胀阀进行节流过程，此过程中，制冷剂压力由Pk降到P0，温度由tk降到t0，焓值不变，即过程线3-4。至此，制冷剂又回到了点4状态，完成一个制冷循环。

在基本循环中，制冷剂离开蒸发器进入压缩机时的状态是干饱和蒸汽。在实际装置中，会让干饱和蒸汽在进入压缩机之前进一步吸热使其温度高于蒸发压力所对应的蒸发温度，即使制冷剂进入过热饱和蒸汽状态进入压缩机，以防止压缩机出现湿压缩。

图3 基本循环压焓图

制冷剂以湿蒸汽状态进入蒸发器进行等压汽化后，若制冷剂在达到1＇状态 (液汽混合)时就进入压缩机进行压缩，则就会出现湿压缩状态，即压缩机中存在液态制冷剂，此时，压缩机很容易造成液击现象。根据问题出现的现象特征，我们可以认定该空调系统是出现上述问题，才造成液击产生。因此为了能够使该空调系统能够正常使用，我们就必须采取措施确保制冷剂以饱和蒸汽或过热饱和蒸汽的方式 (达到蒸发温度或者稍高于蒸发温度)进入压缩机，使图中的1＇点回归到1点或者稍右一些。

根据图3所示，分析1＇点状态得知，此时，制冷剂没有达到蒸发温度t0即进入压缩机进行压缩，循环由1-2-3-4变成1＇-2-3-4。

过程4-1中，根据稳定流动能量方程，蒸发器的制冷量Q0=qm· (h1-h4)，则单位质量制冷剂的制冷量q0(kJ/kg)为:

式中，qm为制冷装置中制冷剂的质量流量，kg/s;Q0为蒸发器的制冷量，kW。

由图3可知，单位质量制冷剂在4-1＇过程的制冷量q0＇小于4-1过程的制冷量q0，即q0＇＜q0。由上述公式得出，若要求制冷量Q0不变，则蒸发器内制冷剂的质量流量必须变大。

过程1-2中，压缩机的耗功Nt=qm· (h2-h1)，则单位质量制冷剂所消耗的外功W0(kJ/kg)为:

式中，Nt为压缩机的耗功，kW。

由图3可知，单位质量制冷剂在1＇-2的过程所消耗的外功大于1-2过程，即W0＇＞W0。根据上述公式，由于W0和qm的变大，Nt随之变大，即压缩机的耗功增大。

根据上述分析，产生液击的主要原因如下:①制冷装置中制冷剂的流量变大;②压缩机的功率较大。要使图中1＇点回归到1点或稍右一些，就必须使qm变小，同时Nt也要变小。

4 解决方案

由上述分析可知，要使液击现象不再发生，就必须使系统中制冷剂的流量和压缩机的功率同时变小。要使制冷装置中的制冷剂质量流量变小，就要控制制冷剂进入蒸发器的制冷剂流量，需要重新选择容量和通径相对较小的合适的膨胀阀。若膨胀阀的容量和通径选得过小，装置的制冷能力不能充分发挥;若选得过大，则会造成开度过小导致工作不稳定。同时，节流机构中可以考虑加入控制系统中制冷剂供给的元件，以便及时控制系统制冷剂的供给。

要使压缩机的耗功变小。我们可以考虑选用功率相对较小的压缩机。一般情况下，所选用的设备制冷量都会比实际需求的制冷量偏大一些，作为裕量考虑，但不能大的太多。

为了确保制冷剂以饱和蒸汽的形式进入压缩机，最理想的状况是能够使制冷剂有一定的过热饱和度。要达到这一工况，我们可以考虑在压缩机之前加装气液热交换器 (回热器)。它是进入膨胀阀前的液体制冷剂与进入压缩机前的低温气体制冷剂的热交换器，目的是提高液体冷剂的过冷度，增加压缩机吸气过热度。

根据上述对问题的分析及解决措施，结合该空调系统的结构特性，对该型船空调系统主要从以下几个方面展开修改。

4.1 更换压缩机

在不使原系统出现大范围修改的前提下，采用同样品牌的压缩机，只是选用制冷量较小的压缩机型号。结合之前的分析考虑，选用比实际需求制冷量稍大一些，但又比现使用的压缩机稍小的5H80机更为合适。

4.2 增加膨胀阀数量，改小膨胀阀的容量

将空调器的空气冷却器进口端的膨胀阀容量改小，并增加至2个，使其流入空调器的制冷剂量得到合理控制，以免造成蒸发不完全的现象。

4.3 加装供液电磁阀

供液电磁阀是一种启闭由电磁力控制的阀，一般由温度继电器控制，安装于膨胀阀前的制冷剂管路上。当温升到上限时，温度控制器接通电磁阀电路，使阀开启;当温升降至下限时，温度控制器断开电磁阀电路，阀关闭。所以，当压缩机启动或停机时，电磁阀就自动接通或切断液体冷剂的通路，控制制冷剂的供给，从而防止压缩机下次启动时因吸入湿蒸汽而发生“液击”。