船用空調機組壓縮機液擊故障分析及排除

周 偉

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

1 故障現(xiàn)象

某型船中央空調系統(tǒng)采用1臺壓縮機 (Carrier 5H86型)配備2臺空調器的形式，使用R404A型制冷劑。在船廠調試和首次試航期間，該機組運行狀況均達到設計要求，且運轉正常。該型船在交付運營后一段時間，頻繁發(fā)生壓縮機“液擊”現(xiàn)象，壓縮機內(nèi)部吸氣閥片、排氣閥片、閥板及其它附件均遭到損壞，以致壓縮機無法運轉，中央空調無法正常使用。由于該型船經(jīng)常跨赤道航行，航行途中氣候變化較大，對船員的正常生活造成了很大的影響。

2 原理介紹

該型船使用的是最為廣泛的蒸汽壓縮式制冷裝置，如圖1所示，主要由壓縮機、冷凝器、節(jié)流機構和蒸發(fā)器等組成，選用汽化溫度很低的液體作為制冷劑 (R404A)，液體制冷劑在蒸發(fā)器中吸收被冷卻對象的熱量并汽化，形成的低壓蒸汽被壓縮機壓縮成高壓蒸汽，然后進入冷凝器被常溫冷卻介質(水或空氣)冷卻，凝結成高壓液體，經(jīng)節(jié)流后變成低壓、低溫狀態(tài)進入蒸發(fā)器，如此周而復始實現(xiàn)連續(xù)制冷。節(jié)流機構一般由膨脹閥構成，膨脹閥主要安裝于蒸發(fā)器之前，使液體冷劑節(jié)流降壓和根據(jù)裝置熱負荷的變化自動調節(jié)進入蒸發(fā)器的制冷劑流量，使制冷劑氣體在蒸發(fā)器出口的過熱度保持在一定范圍內(nèi)。

圖1 蒸汽壓縮式制冷循環(huán)圖

空調器組成和結構如圖2所示，夏季使用空氣冷卻器對空氣降溫加濕，冬季用加熱器和噴濕管對空氣加熱、加濕。回風和新風混合后，先經(jīng)過空氣濾網(wǎng)去掉塵埃，然后夏季用空氣冷卻器，通入冷媒水，進行降溫除濕，冬季用加熱器，通入蒸汽或熱水，進行加熱加濕，最后送入到各個艙室去。

液擊，即當液態(tài)制冷劑或潤滑油大量吸入汽缸時，由于液體的不可壓縮，而且液體粘度比氣體大得多，流速不易提高，活塞的運動使這種液體產(chǎn)生巨大的沖擊力，這就稱為“液擊”，也稱“沖缸”。這種沖擊力會使閥片遭到損壞，嚴重的甚至會擊碎閥板或汽缸蓋。當蒸發(fā)器中的制冷劑未被完全汽化，剩余的液態(tài)制冷劑進入壓縮機，則會造成液擊。

圖2 空調器原理圖

3 問題現(xiàn)象分析

如圖3基本制冷循環(huán)的壓焓圖所示，其實際設備由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥4個部分組成。假設制冷劑的蒸發(fā)溫度為to，冷凝溫度為tk，圖中，點4表示制冷劑 (R404A)出膨脹閥，即將進入蒸發(fā)器時的狀態(tài)。此時，制冷劑為濕蒸汽狀態(tài)。制冷劑在進入蒸發(fā)器后，經(jīng)過等壓 (壓力值P0)汽化過程，焓值增大，即過程線4-1。點1表示制冷劑出蒸發(fā)器，即將進入壓縮機時的狀態(tài)，制冷劑變?yōu)楦娠柡驼羝＿M入壓縮機后，制冷劑蒸汽在壓縮機中進行等熵壓縮，壓力由蒸發(fā)壓力P0提高到冷凝壓力Pk，即過程線1-2。點2表示制冷劑出壓縮機，即將進入冷凝器時的狀態(tài)，此時，制冷劑為過熱蒸汽。在冷凝器中，制冷劑經(jīng)過等壓(壓力Pk)冷卻、冷凝過程，最終變?yōu)轱柡鸵后w，即過程線2-3。點3表示制冷劑出冷凝器，即將進入膨脹閥時的狀態(tài)。進入膨脹閥后，制冷劑通過膨脹閥進行節(jié)流過程，此過程中，制冷劑壓力由Pk降到P0，溫度由tk降到t0，焓值不變，即過程線3-4。至此，制冷劑又回到了點4狀態(tài)，完成一個制冷循環(huán)。

在基本循環(huán)中，制冷劑離開蒸發(fā)器進入壓縮機時的狀態(tài)是干飽和蒸汽。在實際裝置中，會讓干飽和蒸汽在進入壓縮機之前進一步吸熱使其溫度高于蒸發(fā)壓力所對應的蒸發(fā)溫度，即使制冷劑進入過熱飽和蒸汽狀態(tài)進入壓縮機，以防止壓縮機出現(xiàn)濕壓縮。

圖3 基本循環(huán)壓焓圖

制冷劑以濕蒸汽狀態(tài)進入蒸發(fā)器進行等壓汽化后，若制冷劑在達到1＇狀態(tài) (液汽混合)時就進入壓縮機進行壓縮，則就會出現(xiàn)濕壓縮狀態(tài)，即壓縮機中存在液態(tài)制冷劑，此時，壓縮機很容易造成液擊現(xiàn)象。根據(jù)問題出現(xiàn)的現(xiàn)象特征，我們可以認定該空調系統(tǒng)是出現(xiàn)上述問題，才造成液擊產(chǎn)生。因此為了能夠使該空調系統(tǒng)能夠正常使用，我們就必須采取措施確保制冷劑以飽和蒸汽或過熱飽和蒸汽的方式 (達到蒸發(fā)溫度或者稍高于蒸發(fā)溫度)進入壓縮機，使圖中的1＇點回歸到1點或者稍右一些。

根據(jù)圖3所示，分析1＇點狀態(tài)得知，此時，制冷劑沒有達到蒸發(fā)溫度t0即進入壓縮機進行壓縮，循環(huán)由1-2-3-4變成1＇-2-3-4。

過程4-1中，根據(jù)穩(wěn)定流動能量方程，蒸發(fā)器的制冷量Q0=qm· (h1-h4)，則單位質量制冷劑的制冷量q0(kJ/kg)為:

式中，qm為制冷裝置中制冷劑的質量流量，kg/s;Q0為蒸發(fā)器的制冷量，kW。

由圖3可知，單位質量制冷劑在4-1＇過程的制冷量q0＇小于4-1過程的制冷量q0，即q0＇＜q0。由上述公式得出，若要求制冷量Q0不變，則蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的質量流量必須變大。

過程1-2中，壓縮機的耗功Nt=qm· (h2-h1)，則單位質量制冷劑所消耗的外功W0(kJ/kg)為:

式中，Nt為壓縮機的耗功，kW。

由圖3可知，單位質量制冷劑在1＇-2的過程所消耗的外功大于1-2過程，即W0＇＞W(wǎng)0。根據(jù)上述公式，由于W0和qm的變大，Nt隨之變大，即壓縮機的耗功增大。

根據(jù)上述分析，產(chǎn)生液擊的主要原因如下:①制冷裝置中制冷劑的流量變大;②壓縮機的功率較大。要使圖中1＇點回歸到1點或稍右一些，就必須使qm變小，同時Nt也要變小。

4 解決方案

由上述分析可知，要使液擊現(xiàn)象不再發(fā)生，就必須使系統(tǒng)中制冷劑的流量和壓縮機的功率同時變小。要使制冷裝置中的制冷劑質量流量變小，就要控制制冷劑進入蒸發(fā)器的制冷劑流量，需要重新選擇容量和通徑相對較小的合適的膨脹閥。若膨脹閥的容量和通徑選得過小，裝置的制冷能力不能充分發(fā)揮;若選得過大，則會造成開度過小導致工作不穩(wěn)定。同時，節(jié)流機構中可以考慮加入控制系統(tǒng)中制冷劑供給的元件，以便及時控制系統(tǒng)制冷劑的供給。

要使壓縮機的耗功變小。我們可以考慮選用功率相對較小的壓縮機。一般情況下，所選用的設備制冷量都會比實際需求的制冷量偏大一些，作為裕量考慮，但不能大的太多。

為了確保制冷劑以飽和蒸汽的形式進入壓縮機，最理想的狀況是能夠使制冷劑有一定的過熱飽和度。要達到這一工況，我們可以考慮在壓縮機之前加裝氣液熱交換器 (回熱器)。它是進入膨脹閥前的液體制冷劑與進入壓縮機前的低溫氣體制冷劑的熱交換器，目的是提高液體冷劑的過冷度，增加壓縮機吸氣過熱度。

根據(jù)上述對問題的分析及解決措施，結合該空調系統(tǒng)的結構特性，對該型船空調系統(tǒng)主要從以下幾個方面展開修改。

4.1 更換壓縮機

在不使原系統(tǒng)出現(xiàn)大范圍修改的前提下，采用同樣品牌的壓縮機，只是選用制冷量較小的壓縮機型號。結合之前的分析考慮，選用比實際需求制冷量稍大一些，但又比現(xiàn)使用的壓縮機稍小的5H80機更為合適。

4.2 增加膨脹閥數(shù)量，改小膨脹閥的容量

將空調器的空氣冷卻器進口端的膨脹閥容量改小，并增加至2個，使其流入空調器的制冷劑量得到合理控制，以免造成蒸發(fā)不完全的現(xiàn)象。

4.3 加裝供液電磁閥

供液電磁閥是一種啟閉由電磁力控制的閥，一般由溫度繼電器控制，安裝于膨脹閥前的制冷劑管路上。當溫升到上限時，溫度控制器接通電磁閥電路，使閥開啟;當溫升降至下限時，溫度控制器斷開電磁閥電路，閥關閉。所以，當壓縮機啟動或停機時，電磁閥就自動接通或切斷液體冷劑的通路，控制制冷劑的供給，從而防止壓縮機下次啟動時因吸入濕蒸汽而發(fā)生“液擊”。

4.4 加裝氣液熱交換器

從蒸發(fā)器出來的低溫氣態(tài)制冷劑在回熱器中冷卻由冷凝器出來的溫度較高的液態(tài)制冷劑，從而使低溫氣態(tài)制冷劑得到過熱，也能夠使部分可能存在的接近蒸發(fā)溫度的液態(tài)制冷劑汽化，如此能夠進一步保證進入壓縮機的制冷劑都是氣態(tài)。

上述修改方案在該型某船上得到全部實施后，對空調系統(tǒng)運行狀態(tài)及參數(shù)進行長達半年的跟蹤，壓縮機及2臺空調機組均運行正常。至此，壓縮機屢次發(fā)生液擊的問題得到了根本解決。

［1］吳鋼，等.艦船制冷與空調［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009.

［2］羅思殿，等.船舶維修技術實用手冊 ［M］.吉林:吉林科學技術出版社，2005.

［3］沈維道，鄭佩芝，蔣淡安.工程熱力學 ［M］ (第二版).北京:高等教育出版社，1983.