单级压缩制冷设备制冷不良故障诊断

2020-08-01牛洪兵鲁春梅

机械工程师 2020年7期

牛洪兵，鲁春梅

（南京长江电子信息产业集团有限公司，南京210038）

0 引言

家用电冰箱、冷冻柜、空调器，以及特定产品冷却设备，其降温方式多采用以氟利昂为制冷剂的压缩冷却方式。这种制冷方式，使得制冷剂经历了压缩、冷凝、膨胀、蒸发过程[1-2]，过程中制冷剂发生液态和气态状态变化，两种状态变化时需要吸热和放热，从而实现热量转移的目的。

参照图1所示的制冷设备基本组成关系目录树，通常制冷设备主要包含制冷循环系统、控制单元和辅助单元。其中制冷循环系统由压缩机、冷凝器、膨胀机构（膨胀阀或毛细管）和蒸发器等4部分组成。控制单元一般包含温湿度传感器、开关、继电器、控制电路等，起感知环境和设备状态、控制设备运行等作用。风扇或水泵可定义为辅助单元，利用风扇或水泵强迫空气或冷却液流过蒸发器或冷凝器，满足设备强迫对流换热工作要求。

图1 制冷设备组成关系目录树

1 制冷循环系统工作原理

图2所示为小型压缩式制冷设备的制冷循环。压缩机输入功w，吸入低压制冷剂蒸气，并压缩成高压制冷剂蒸气；高压制冷剂蒸气进入冷凝器，冷凝器对外界放热r+Aw后(A为功热当量)，形成高压制冷剂液体；通过膨胀阀节流机构减压后，变成低压制冷剂液体，液体进入蒸发器，由蒸发器向外界吸收热量r，制冷剂变成了低压蒸气[1]。

图2 制冷循环

2 制冷不良故障诊断

2.1 构建制冷不良故障诊断网络节点

制冷设备制冷不良现象具有一果多因特点，可能因使用不当或环境因素而导致，也可能是设备自身发生了故障[3-6]。当设备出现制冷不良现象时，需要遵循“一听、二看、三摸、四查、五分析”的步骤[7]，明确故障位置，并加以排除解决。

由工作实践得知，可将制冷不良诊断分解成3个独立的初始表现症状：第一表现是设备不起动；第二表现是压缩机起动，但立刻停止；第三表现是制冷系统运行，但冷却效果差。基于制冷设备组成、功能作用，制冷循环原理，并依据制冷不良产生原因，结合制冷不良3种基本故障表现，运用层层分解、递进方法，就可构建一个图3所示的制冷不良故障诊断网络节点图。该图含有59个节点，沿3条链路主干延伸，图中节点既可以为设备故障表现，也可作为处理方法概要，如果不是此节点问题时，此节点可作为转入下一个环节的拐点。

图3 制冷不良故障诊断网络节点图

2.2 制冷不良故障诊断网络节点解析与故障诊断方法

2.2.1 基本操作与鉴别

在制冷设备研制、维修和使用过程中，面对制冷设备制冷不良故障，首先需要对设备进行开机，通过听、看、摸等方法，判断设备是否可启动运转，尤其需要观察压缩机是否运行。对于含有辅助单元的制冷设备，风扇或水泵正常运转是制冷系统有效运行的前提条件，本文不作详述。

开机后，如表现为设备无不起动（节点1）现象，便可确定属于电路不通问题（节点2），至此暂不叙述这一链路后续处理。当开机后发生压缩机起动，但立刻停止（节点13）情形，表明存在深层原因需要进一步分析判断。开机后，如出现制冷系统运转，但冷却效果差（节点27）的现象，由制冷系统工作原理和工作经验得知，这一现象中有相当一部分是使用和维护不当所致，造成产热量大于设备制冷能力，让使用者感觉是设备制冷不良问题。如节点28、29、30、31、32、40、41、44、45、46对应列出的被冷却空间密封性较差、阳光直接照射、温控设定值不科学、被冷却空间门窗开闭频繁、冷却空间有多余热源、被冷却物较多、被冷却物内部有贮藏热、蒸发器和冷凝器严重脏污、冷却水量不足、冷凝器侧环境温度较高。使用不当，造成设备假性制冷不良，更需要维修人员告知用户，制冷设备的制冷量是在一定工况条件下的测试值，并作节点描述问题反向处理进行甄别、验证。当然，对应用于特定工程上的制冷设备，冷热负荷是否失配，还需要必要的实验测量，进行热负荷总量计算明确选型是否确当。在此建议：在制冷产品维修时，提倡首先需要进行基本操作与鉴别，防止误判，造成维修成本提高和浪费时间。

2.2.2 设备自身制冷不良

制冷不良故障诊断网络节点图也归纳了设备自身制冷不良的产生原因和故障诊断，在制冷设备研制、调试、生产、检测和维修工作过程中呈现的制冷不良故障，除需要基本操作与鉴别外，还要熟悉制冷系统原理，了解设备控制电路、结构，掌握设备具体性能指标。

继节点2所述电路不通问题后续检查，节点3、4、5、6都属于检查控制单元中的开关、保险丝、继电器、电路板等是否有问题。节点7作为设备电路连接是否正常的拐点，转入检查电压环节，当明确不属于供电电压偏低（节点9），且经线路和电气件安装检查、确认后（节点10、11），该条链路上起始所出现的开机设备不起动问题就可定位到是发射机损坏（节点12）。

沿着图3所示第二条诊断链路，从节点13所描述“压缩机起动，但立刻停止”现象开始追查，节点16～19归纳了两种传感器设值不当引发传感器动作而停机。针对节点14、15阐述的电功率负荷大造成保险丝熔断而停机，电功率负荷大产生的原因有可能是压缩机内部滑片机械故障造成压缩机电动机堵转，也可能是开关机仓促、制冷系统管路压力不平衡所致。节点20、21是属于供电问题，当发生过负荷继电器保护动作（节点22），并确定属于压缩机过负荷运转（节点23）问题，这一现象除可能是因压缩机过热运转（节点24）造成外，还有是蒸发压力高（节点25）或冷凝压力（节点26）等两种原因造成。造成蒸发压力高的原因有热负荷过大、热负荷突然增加、压缩机效率降低、制冷剂供液过多等因素；辅助单元问题引起的冷凝水（风）供给不足、冷凝器自身脏污、冷凝器换热面积小、制冷循环系统混入空气则是冷凝压力高产生的原因。

如果将制冷不良原因定位到第三条诊断链路起始节点27所述“制冷系统运转，但冷却效果差”，经上文所述节点诊断后，也可将问题定位至制冷循环系统不良（节点34），再向下节点排查获知压缩机输出温度偏高（节点35）和压缩机输出端温度适当偏高（节点36）后，此时不妨沿着节点37支路方向检查鉴别蒸发器侧情况。发现蒸发效果不良（节点37）后，并根据节点38、39、40、41所述情况和要求，明确一下是否因蒸发侧问题引起制冷不良。如不属于蒸发问题，则把判断线路拉回到节点42，检查冷凝效果好坏，这部分内容在前文已有介绍，部分属于使用和维护方面造成。排除冷凝器引发问题（节点47）后，需要将注意力集中在多因素引起的制冷剂系统问题（节点48），图3表明有制冷剂存量、管道堵塞、膨胀节流机构及压缩机损坏四方面原因可引发制冷不良。当进行制冷剂存量识别时（节点49、50、51、52环节），暂且认为压缩机完好，开机聆听高压端管路和冷凝器是否有“嘶嘶”声[7]，检查过程中也可适当补充一点制冷剂，以此方式检查是否出现管路损伤；当设备使用毛细管节流时，也可以通过观察毛细管出口端结霜情况判断制冷剂存量。实践证明，正常制冷运转时，毛细管上结一层薄霜，随后逐渐融化。这里需要注意区分毛细管结霜也有另外两种原因：一是因管路系统中含有水分产生冰堵所致；二是生产、维修时焊接所引起的配管堵塞（节点58）。节点55～59分别是对膨胀阀和毛细管作为膨胀节流机构引起的制冷不良进行分析和判断，属于比较深层次的研究，主要适用于制冷设备研发人员，所涉及膨胀阀的选型正确与否，以及毛细管孔径和长度计算值，有待调试、试验加以确定。