羅芬激光器冷卻系統故障分析

楊海生 于洪喜 齊杰斌 鄭利元 宋錫友 馬建陽 高 超

(1：首鋼智新遷安電磁材料有限公司 河北省遷安市 064400； 2：首鋼股份公司遷安鋼鐵公司 河北省遷安市 064400)

1 前言

工業生產中，為保證設備能夠正常穩定的運行，必須對其運行過程中產生的熱量進行散發，目前常用的冷卻系統為水冷、風冷和油冷三種方式，其中水冷方式因其對流換熱系數為空氣自然換熱系數的150倍以上，散熱效率極高而得到廣泛應用[1]。

本文所述冷卻系統為首鋼遷鋼羅芬激光器冷卻系統，采用的即是以水作為冷媒，冷卻對象包括激光器光閘及能量吸收盒、功率傳感器、光路鏡片、前鏡后鏡、射頻管冷循環換熱器、諧振腔高壓極板、金剛石窗口鏡片、空間濾波器及外光路鏡片，由于激光束的高能量使上述元器件在運行過程中產生大量的熱量，這些熱量將直接導致元器件的工作特性失效甚至損壞；該冷卻系統即是在循環過程中帶走激光器工作時的熱能，保證元器件的工作精密度，使激光器穩定運行；具有體積小，效率高，運行穩定等特點。

2 冷卻系統工作原理

2.1工作原理簡介

如圖1冷卻系統由壓縮機、風冷冷凝器、熱力膨脹閥、盤管式蒸發器等組成，制冷劑的低壓蒸汽由壓縮機吸入，經過壓縮變為高壓蒸汽，送至冷凝器；同時軸流風扇吸入的機箱外空氣流經冷凝器，帶走氣態制冷劑的熱量，使高壓蒸汽凝結為高壓常溫液態,過冷約5開爾文；該液態制冷劑經膨脹閥毛細管節流降壓成為低壓低溫的濕蒸汽，制冷劑在蒸發器內，在一定的蒸發壓力、蒸發溫度下汽化，從被冷卻對象即回水管路的熱水中吸收熱量，汽化后的低壓高溫蒸汽又被壓縮機抽出，如此往復循環將回水管路的熱量帶走，輸出冷源給設備，完成設備的冷卻。

圖1 水冷機制冷系統原理圖

2.2 結構特點

2.2.1 溫度控制模式

羅芬激光器冷卻系統采用熱力膨脹閥和電磁閥配合的方式對溫度進行控制，系統可以有效控制過熱度，并且可以在接近目標值時打開電磁旁通閥，實現微量制冷逐漸接近目標溫度，此種配置，可以對系統輸出冷量分段，但是在接近設定目標值時，溫度常有微調現象，且由于比較難以控制系統溫度，系統啟停相對頻繁[2]。

2.2.2 盤管式蒸發器

設計為盤管式蒸發器，其特點是結構緊湊，體積小，載冷劑容量大，冷量貯存多，熱穩定性好。

由于形狀成螺旋狀，換熱面積可以做到十幾平方以上，而傳熱系數也很高，同時，由于蒸發流體的不斷沖刷作用使管能自由浮動，脹縮自如，因而不易結垢，若在長期使用過程中，積累了少量水(油)垢，通過管子的膨脹，將能實現自動脫垢，因而長期使用換熱能力下降不會太明顯，換熱效果良好。

傳熱特性：制冷劑在蒸發器內吸熱后，達到該壓力下的飽和溫度時，在加熱表面形成許多汽泡，汽泡增大上升、破裂而達到沸騰。此狀態下制冷劑放熱系數和熱流密度隨溫差的增大而增大。

運行中的蒸發器導致其性能降低的原因分析：

1)制冷劑供給不足：結霜嚴重或者風速降低相當于傳熱系數降低等原因，這是蒸發器性能曲線由Z1變為Z2，工況點由1變為2，則相應的蒸發溫度t02(蒸發壓力p02)降低，制冷量q02變小。

2)蒸發器表面污垢過多，導致傳熱面積變小，則同樣導致制冷量q02變小。

3)如果壓縮機性能下降：性能曲線由C變為C′，工況點1移至1′，則裝置蒸發溫度(蒸發壓力)提高，但制冷量也會下降。

2.2.3 防污防垢防腐設計

循環冷卻水系統中，最常見的問題是系統結垢、腐蝕、微生物污染。為解決該問題，該水冷機采用水箱內添加某指定品牌殺菌劑和緩蝕劑。該緩蝕阻垢劑屬于有機磷酸鹽，是一種陰極緩蝕劑，主要通過多價螯合作用與鐵、鈣等金屬離子結合，在金屬表面形成一層抑制腐蝕作用的保護膜，并能防止鈣、鎂等離子結晶析出。

圖2 蒸發器性能曲線

2.2.4 霜凍保護

如果水冷機設計場所環境溫度低于5攝氏度，且無配套的防霜凍的設備時，則意味著有霜凍的可能，為解決該問題，水冷機在水箱內設計有加熱裝置，將水溫控制在15攝氏度以上。

2.2.5 過熱度調節

采用蒸汽過熱度調整機構熱力膨脹閥。它通過蒸發器出口蒸汽過熱度的大小調整熱負荷和供液量的匹配關系，以此控制節流孔的開度大小，實現蒸發器供液量隨熱負荷變化而改變的調節機制。系統可以有效控制過熱度，并且可以在接近目標值是打開電磁旁通閥，實現微量制冷逐漸接近目標溫度。

2.2.6 冷凝器

采用風冷翅片管式換熱器作為冷凝器。由等距且相互平行的翅片和與翅片垂直并按一定規律排列的管束組成。翅片側流體為空氣強迫對流換熱，管內側流體為制冷劑冷凝換熱。

3 冷卻系統改造

水冷機承擔著為激光器光學元件冷卻的作用，需要為其輸出恒溫、恒壓、恒流的冷卻水，其運行穩定性尤為重要。但在實際應用中，環境的不穩定因素和設備設計與現場的不匹配性已經嚴重影響其正常運行。

如夏季廠房內溫度過高，多次出現水冷機制冷劑壓力超范圍導致設備運行故障；制冷效果差導致鏡片曲率發生變化，功率降低，激光焦點偏移等故障，鑒于這些情況特提出以下改造方案：

3.1 風扇啟動方式優化

原風扇啟動方式為：當控制器發出制冷指令時，壓縮機開始運行，制冷劑回路壓力小于15bar時風扇不啟動，大于18bar時，風扇開始運行，當制冷劑回路壓力小于21bar時風扇接線方式為星型接法，低速運轉，當壓力大于26bar時風扇接線方式為三角型接法，高速運轉。經過長時間跟蹤，此種設計已不滿足現場使用要求，由于夏季廠房內溫度高達40℃，且冷卻系統周邊設備較為密集，空氣對流差，若等制冷劑壓力滿足要求再使風扇運轉則不能在短時間內完成換熱，極易造成制冷劑壓力過高報警而導致機組停機。

經過多次嘗試，對其啟動方式進行優化：取消制冷劑回路壓力大于18bar時風扇再啟動的設計，改為：風扇與壓縮機同步啟動。

經過跟蹤，改造后，大幅提高冷卻系統與大氣的強制對流能力和對流速度，制冷效果顯著。

3.2新型冷凝器濾網

冷凝器主要熱阻在空氣側，空氣側的換熱性能決定了整個冷凝器的性能，而現場水冷機周邊灰塵較多，尤其在春夏季節會有大量柳絮附著在冷凝器上，導致迎面風速不均勻甚至堵塞，造成溫度場的不均勻，進而導致換熱效率的降低；原有濾網為棉質材料，厚度大，透氣性差且不易清掃更換。

新型濾網為雙層紡織纖維濾網，篩孔增大，濾網四周用金屬條固定且設計有易拆裝鎖扣。

新型濾網較原有設計優勢明顯：

1)取代傳熱能力差的棉質材料，采用纖維材質，可重復清洗循環利用，經濟性高，使用壽命長；

2)篩孔增大，透氣性更好，低壓損，增加空氣對流面積，且不易堵塞，易于清掃；

3)濾網厚度由原5mm改為1mm，增強傳熱能力；

4)設計易拆裝鎖扣更利于日常清掃更換。

3.3水過濾器升級

設備的冷卻效果好壞取決于冷卻水溫和流量 ,當管道設計安裝定型后,冷卻水流量的大小完全取決于水的壓力。而現場管路沒有可視化的壓力表，讓維護人員對冷卻水壓力無從把握。

升級版的水過濾器即是在原有反沖洗過濾器的基礎上增加溫度表和出水壓力表，實現維護人員在點巡檢過程中可實時查看溫度和壓力，把握冷卻水狀態。

4 冷卻系統維護

設備維護機制的不完善是導致設備故障的重要因素，結合現場人員配置和設備周邊環境情況特制定如下維護方法：

1)維護人員固定化，避免員工對設備知識和維護工作能力的殘次不齊；保證維護隊伍的技術水平；

2)制定科學的點檢標準，點檢周期，充分利用維護單位的工作機制對冷卻系統工作狀態進行細致跟蹤，避免低級故障發生；

3)制定備件周期性更換計劃，并嚴格執行，將備件損壞導致的故障停機率降到最低；

4)春夏季節設備周邊存在大量柳絮，極易造成冷凝器濾網堵塞，將冷卻系統維護工作按季節分別制定執行，既保證設備的穩定運行又不增加維護人員的工作負擔；其中主要包括：春夏季節增

大冷凝器濾網清掃更換頻率和增大冷凝器及水冷機內部壓縮空氣深度吹掃項目；

5)設備的長期使用，使水箱內壁及盤式蒸發器表面產生頑固性污垢，針對此情況定期進行高壓水槍清洗，保證水箱內清潔。

5 結束語

分析了羅芬激光器冷卻系統工作原理及結構，并對實際應用中常見問題提出了合理化的改造和針對性的維護方法，為現場人員對羅芬激光器冷卻系統的維護提供了參考。