制冷機組工作效率下降原因分析

劉 瑩

（陜西航空電氣有限責任公司 陜西興平）

一、問題

高空試驗箱制冷機組為需要做低溫高空試驗的航空電氣產品提供所需的低溫環境。機組工作效率的高低將影響被試驗產品的性能和試驗時間，因此，需對該機組的運行狀態做出監控，在工作效率下降時及時排除故障，確保試驗正常進行。2008年6月發現該制冷機組降溫時間延長，由常溫降至-55℃的時間為50～60 min，而且保溫困難，機組工作效率明顯下降。機組工作正常時，由常溫降至-55℃的時間約30 min。

二、工作原理分析

1.機組結構

1 m3制冷機組由壓縮機、冷凝器、節流閥和蒸發器構成（圖1），之間用管道依次連接成一個封閉系統。制冷裝置中用來實現制冷的工作物質稱為制冷劑或工質。該機組制冷劑為氟利昂F22，利用F22液體汽化時要吸收熱量這一物理特性來達到制冷的目的。

2.機組工作原理

當壓縮機開始工作時，蒸發器內的F22蒸汽被壓縮機吸入，由壓縮機的排氣閥排出，壓縮成高壓高溫氣體，經過冷凝器被水冷卻，而冷凝成高壓低溫液體，再經過節流閥節流降壓為低壓低溫液體，去蒸發器內蒸發汽化，吸收外界熱量，使其周圍介質得到冷卻，而蒸發器的飽和F22蒸汽再被壓縮機吸回，完成了制冷循環流程回路。圖2為F22工作狀態和循環路徑。依靠壓縮機在制冷系統管道內，進行周期性的吸氣和排氣達到循環制冷的效果。

圖1 制冷機組部件

3.壓縮機工作原理分析

圖2 F22工作狀態和循環路徑

根據熱力學第二定律：熱量不能自行的從低溫物體傳向高溫物體，即制冷劑要由低壓低溫氣體變成高壓高溫氣體就得消耗一定的電能和機械能。壓縮機就是實現這種能量轉換，使制冷劑周而復始，由低壓低溫氣體變成高壓高溫氣體的狀態變化，不斷保持和獲得低溫的機械。活塞式壓縮機的逆流壓縮原理，如圖3所示。

圖3 逆流壓縮原理

壓縮機是用電動機的帶動來進行工作的。電機帶動壓縮機的曲軸，曲軸周而復始地進行往復運動驅使壓縮機的活塞做上下運動。從圖中可看出，活塞在往復運動的時候，高、低壓閥片有不同的變化位置。

當活塞向下運動時，汽缸內的氣壓低于吸氣管道的氣壓而使氣體頂開低壓閥片進入汽缸。（此時高壓閥片是封閉狀態，因其上面有壓力）。當活塞向上運動時對F22氣體進行壓縮，則汽缸體內壓力逐漸上升至大于吸氣壓力時，低壓閥片便落在吸氣孔上面并緊緊蓋住吸氣孔。當汽缸中的壓力大于排氣管中的壓力時，缸內的高壓氣體將高壓閥片頂開并排出缸外。就這樣，活塞通過上下運動，將低壓低溫氣體壓縮成高壓高溫氣體送往冷凝器。

三、故障原因分析

（1）某控制閥是否關閉或阻塞影響了制冷劑的流通，影響制冷效率。開啟各個控制閥，清洗過濾器，機組制冷效率仍不能提高。排除此原因。

（2）系統有泄漏氣現象。如果系統中聯接螺栓松動或連接處密封墊滲漏，就會有F22由系統向外泄漏，使壓縮機壓縮氣量減少，影響制冷效率。在停機狀態用肥皂水涂抹各個接頭接縫處，如漏氣在該處會有氣泡產生，仔細觀察無一處有氣泡出現，并觀察高壓壓力表，其指示為0.8 MPa，并能長期保持不變，說明系統無泄漏。

（3）冷凝器故障。若冷凝器故障，系統散熱效果差，可降低制冷效率。用溫度計測得進水溫度為18℃，出水溫度為23.5℃，溫差為5.5℃，符合水冷式冷凝器進出水溫差4～6℃的要求。排除此原因。

（4）節流閥故障。節流閥是控制蒸發器內有一個穩定的蒸發壓力，從而保持穩定的制冷溫度。如果節流閥堵塞不通或似通非通，則壓縮機吸氣壓力值顯著下降，吸氣量減少，制冷效率下降，節流閥閥體霜層很快融化或不能結霜、并且沒有正常運轉時連續和均勻的氣流聲音。在機組工作時觀察吸氣壓力表、閥體結霜情況、仔細傾聽氣流聲音，均正常，可排除此原因。

（5）蒸發器故障。蒸發器是用以將被冷卻介質的熱量通過管壁傳遞給制冷劑的熱交換器。蒸發器應保證蒸發的氣體迅速地脫離傳熱表面，如果傳熱表面受油垢、鐵銹或沉淀物污損后，會急劇地增加熱阻力，降低設備的傳熱效能，機組制冷效率會變差，這樣F22在蒸發器內就不能完全汽化，會有液體F22殘存，蒸發器表面不能掛霜或有不均勻的結霜現象。降溫過程中，從玻璃孔處觀察，蒸發器表面有均勻的霜層覆蓋。表明蒸發器無故障，排除此原因。

（6）壓縮機故障。啟動壓縮機，觀察壓縮機的吸氣壓力和排氣壓力值，吸氣壓力值正常，排氣壓力為0.9 MPa并且緩慢地有下降的趨勢。壓縮機工作正常時排氣壓力為0.9 MPa＜P≤1.2 MPa。

由壓縮機工作原理和排氣壓力值偏低分析認為，由于壓縮機長期運行，運動部件高、低壓閥片長期磨損，閥片有破損，閥門關閉不嚴，造成吸、排氣處密封性能下降，氣體流動阻力增加，使氣體倒流，輸氣量減少，壓力下降，壓縮機制冷能力下降，導致機組工作效率下降。由于吸氣壓力正常，排氣壓力下降，說明低壓閥片無破損，所以認定故障原因是由于高壓閥片破損所致。應對壓縮機進一步檢查。

在將壓縮機的任何連接部分松開進行檢查或修理以前，必須先進行抽真空，將F22壓入冷凝器，否則會造成F22的大量泄漏。關閉壓縮機的吸氣總閥，開啟排氣總閥后啟動壓縮機，曲軸箱和氣缸即被抽成真空。當低壓表達到-0.08 MPa時即可關閉排氣總閥，在關閉中了時停止壓縮機，使壓縮機與系統隔離，然后打開壓縮機缸蓋，取出高、低壓閥片，發現高壓閥片表面磨損嚴重，有橫向的細小裂紋，與分析結果一致。

四、措施

更換工藝先進的材料為30CrMnSiA或4Cr13Mo優質合金鋼板制成的、平直度好、經研磨光潔、在放大鏡下不出現紋路的高壓閥片，將系統恢復正常。起動制冷機組，排氣壓力上升為1.15 MPa，由常溫降至-55℃，歷時28 min，制冷效率明顯提高。

為了提高閥片的使用壽命和機組的工作效率，工作人員應注意：①嚴格按照機組操作規程的要求操作，及時監控冷卻水量的大小和水溫的高低，避免壓縮機在過高的溫度下工作。②根據氣壓和降溫情況適當調節節流閥的開啟度，避免壓縮機在過高的壓力下工作，產生液擊，沖擊閥片。③及時排除設備隱患，減少和避免故障的發生。

五、結論

該制冷機組工作效率下降的原因是壓縮機產生了故障，由于壓縮機的高壓閥片長期受高壓高溫氣體的沖擊和磨擦造成破損，使壓縮機壓縮氣量減少，導致機組制冷量減少所致。圖4所示，壓縮機的實際工作過程為實線，無故障時應該工作在虛線位置，可看出由于壓縮機排氣量的減少，排氣壓力下降，引起制冷容積損失，以致機組工作效率下降。

圖4 壓縮機工作過程

4-1表示吸氣線，吸入氣體的壓力與蒸發壓力相同。1-2（2′）壓縮線。2-3（2′-3′）排氣線，排氣壓力與冷凝壓力相同至全部氣體排除后，又開始4-1的吸氣過程。通過產品做低溫高空試驗的結果驗證，機組工作效率較好，降溫時間在27～31 min，容易保溫，為航空電氣產品提供了可靠的環境條件。