制冷机组工作效率下降原因分析

2014-12-14刘莹

设备管理与维修 2014年6期

刘莹

（陕西航空电气有限责任公司陕西兴平）

一、问题

高空试验箱制冷机组为需要做低温高空试验的航空电气产品提供所需的低温环境。机组工作效率的高低将影响被试验产品的性能和试验时间，因此，需对该机组的运行状态做出监控，在工作效率下降时及时排除故障，确保试验正常进行。2008年6月发现该制冷机组降温时间延长，由常温降至-55℃的时间为50～60 min，而且保温困难，机组工作效率明显下降。机组工作正常时，由常温降至-55℃的时间约30 min。

二、工作原理分析

1.机组结构

1 m3制冷机组由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器构成（图1），之间用管道依次连接成一个封闭系统。制冷装置中用来实现制冷的工作物质称为制冷剂或工质。该机组制冷剂为氟利昂F22，利用F22液体汽化时要吸收热量这一物理特性来达到制冷的目的。

2.机组工作原理

当压缩机开始工作时，蒸发器内的F22蒸汽被压缩机吸入，由压缩机的排气阀排出，压缩成高压高温气体，经过冷凝器被水冷却，而冷凝成高压低温液体，再经过节流阀节流降压为低压低温液体，去蒸发器内蒸发汽化，吸收外界热量，使其周围介质得到冷却，而蒸发器的饱和F22蒸汽再被压缩机吸回，完成了制冷循环流程回路。图2为F22工作状态和循环路径。依靠压缩机在制冷系统管道内，进行周期性的吸气和排气达到循环制冷的效果。

图1 制冷机组部件

3.压缩机工作原理分析

图2 F22工作状态和循环路径

根据热力学第二定律：热量不能自行的从低温物体传向高温物体，即制冷剂要由低压低温气体变成高压高温气体就得消耗一定的电能和机械能。压缩机就是实现这种能量转换，使制冷剂周而复始，由低压低温气体变成高压高温气体的状态变化，不断保持和获得低温的机械。活塞式压缩机的逆流压缩原理，如图3所示。

图3 逆流压缩原理

压缩机是用电动机的带动来进行工作的。电机带动压缩机的曲轴，曲轴周而复始地进行往复运动驱使压缩机的活塞做上下运动。从图中可看出，活塞在往复运动的时候，高、低压阀片有不同的变化位置。

当活塞向下运动时，汽缸内的气压低于吸气管道的气压而使气体顶开低压阀片进入汽缸。（此时高压阀片是封闭状态，因其上面有压力）。当活塞向上运动时对F22气体进行压缩，则汽缸体内压力逐渐上升至大于吸气压力时，低压阀片便落在吸气孔上面并紧紧盖住吸气孔。当汽缸中的压力大于排气管中的压力时，缸内的高压气体将高压阀片顶开并排出缸外。就这样，活塞通过上下运动，将低压低温气体压缩成高压高温气体送往冷凝器。

三、故障原因分析

（1）某控制阀是否关闭或阻塞影响了制冷剂的流通，影响制冷效率。开启各个控制阀，清洗过滤器，机组制冷效率仍不能提高。排除此原因。

（2）系统有泄漏气现象。如果系统中联接螺栓松动或连接处密封垫渗漏，就会有F22由系统向外泄漏，使压缩机压缩气量减少，影响制冷效率。在停机状态用肥皂水涂抹各个接头接缝处，如漏气在该处会有气泡产生，仔细观察无一处有气泡出现，并观察高压压力表，其指示为0.8 MPa，并能长期保持不变，说明系统无泄漏。

（3）冷凝器故障。若冷凝器故障，系统散热效果差，可降低制冷效率。用温度计测得进水温度为18℃，出水温度为23.5℃，温差为5.5℃，符合水冷式冷凝器进出水温差4～6℃的要求。排除此原因。

（4）节流阀故障。节流阀是控制蒸发器内有一个稳定的蒸发压力，从而保持稳定的制冷温度。如果节流阀堵塞不通或似通非通，则压缩机吸气压力值显著下降，吸气量减少，制冷效率下降，节流阀阀体霜层很快融化或不能结霜、并且没有正常运转时连续和均匀的气流声音。在机组工作时观察吸气压力表、阀体结霜情况、仔细倾听气流声音，均正常，可排除此原因。

（5）蒸发器故障。蒸发器是用以将被冷却介质的热量通过管壁传递给制冷剂的热交换器。蒸发器应保证蒸发的气体迅速地脱离传热表面，如果传热表面受油垢、铁锈或沉淀物污损后，会急剧地增加热阻力，降低设备的传热效能，机组制冷效率会变差，这样F22在蒸发器内就不能完全汽化，会有液体F22残存，蒸发器表面不能挂霜或有不均匀的结霜现象。降温过程中，从玻璃孔处观察，蒸发器表面有均匀的霜层覆盖。表明蒸发器无故障，排除此原因。

（6）压缩机故障。启动压缩机，观察压缩机的吸气压力和排气压力值，吸气压力值正常，排气压力为0.9 MPa并且缓慢地有下降的趋势。压缩机工作正常时排气压力为0.9 MPa＜P≤1.2 MPa。

由压缩机工作原理和排气压力值偏低分析认为，由于压缩机长期运行，运动部件高、低压阀片长期磨损，阀片有破损，阀门关闭不严，造成吸、排气处密封性能下降，气体流动阻力增加，使气体倒流，输气量减少，压力下降，压缩机制冷能力下降，导致机组工作效率下降。由于吸气压力正常，排气压力下降，说明低压阀片无破损，所以认定故障原因是由于高压阀片破损所致。应对压缩机进一步检查。

在将压缩机的任何连接部分松开进行检查或修理以前，必须先进行抽真空，将F22压入冷凝器，否则会造成F22的大量泄漏。关闭压缩机的吸气总阀，开启排气总阀后启动压缩机，曲轴箱和气缸即被抽成真空。当低压表达到-0.08 MPa时即可关闭排气总阀，在关闭中了时停止压缩机，使压缩机与系统隔离，然后打开压缩机缸盖，取出高、低压阀片，发现高压阀片表面磨损严重，有横向的细小裂纹，与分析结果一致。

四、措施

更换工艺先进的材料为30CrMnSiA或4Cr13Mo优质合金钢板制成的、平直度好、经研磨光洁、在放大镜下不出现纹路的高压阀片，将系统恢复正常。起动制冷机组，排气压力上升为1.15 MPa，由常温降至-55℃，历时28 min，制冷效率明显提高。

为了提高阀片的使用寿命和机组的工作效率，工作人员应注意：①严格按照机组操作规程的要求操作，及时监控冷却水量的大小和水温的高低，避免压缩机在过高的温度下工作。②根据气压和降温情况适当调节节流阀的开启度，避免压缩机在过高的压力下工作，产生液击，冲击阀片。③及时排除设备隐患，减少和避免故障的发生。

五、结论

该制冷机组工作效率下降的原因是压缩机产生了故障，由于压缩机的高压阀片长期受高压高温气体的冲击和磨擦造成破损，使压缩机压缩气量减少，导致机组制冷量减少所致。图4所示，压缩机的实际工作过程为实线，无故障时应该工作在虚线位置，可看出由于压缩机排气量的减少，排气压力下降，引起制冷容积损失，以致机组工作效率下降。