結合溫-熵圖和壓-焓圖的船舶伙食冷庫故障排除

鄭仲金

(福建船政交通職業學院，福建 福州 350007)

某船往返我國與東南亞地區進行不定線航行，其伙食冷庫制冷系統采用R22制冷劑，配備2臺無能量卸載機構的制冷壓縮機(互為備用)，作用于2個冷庫，分別是庫溫為4～6 ℃的菜庫和庫溫為-18～-16 ℃的魚、肉庫。某日，該船航經北方海域，大管輪根據大廚的報告，檢查后發現：菜庫溫度正常，而低溫庫溫度偏高(-5 ℃左右)，蒸發器后部霜層融化。進一步檢查發現，制冷壓縮機啟停頻繁，其工作時排出壓力表顯示0.65 MPa，低壓繼電器工作正常(低壓斷開時表壓力0.05 MPa，低壓接通時表壓力0.15 MPa);換用另一臺壓縮機工作，情況沒有得到改善。

通過參照制冷循環壓-焓圖，并結合船舶伙食冷庫的制冷循環原理，可進行故障的排除。船舶伙食冷庫的制冷循環原理和進行故障排除及預判性管理的方法如下。

1 逆卡諾循環

逆卡諾循環是一個在定溫熱源之間的可逆循環，由絕熱壓縮過程、等溫壓縮過程、絕熱膨脹過程、等溫膨脹過程組成。根據熱力學第一定律和熱力學第二定律證明，在一定的溫度條件下，逆卡諾循環的制冷系數可以達到最大。逆卡諾循環(1-2-3-4-1)的溫-熵圖(T-S示意圖)，如圖1所示。

圖1 逆卡諾循環的T-S示意圖

進入濕蒸氣區的逆卡諾循環(1-2-3-4-1)的T-S示意圖如圖2所示。圖1、圖2中，T為溫度，S為比熵。圖2的過程中，等溫壓縮機、等溫膨脹機被調整為等溫換熱器(等溫冷凝器、等溫蒸發器)。

圖2 進入濕蒸氣區的逆卡諾循環T-S示意圖

2 理論制冷循環

理論制冷循環(1′-2′-3-4′-1′)的T-S示意圖如圖3所示。

圖3 理論制冷循環的T-S示意圖

理論制冷循環的設備使用及其過程特點如下。

1)絕熱壓縮機。壓縮增壓過程為等熵壓縮過程，其中不存在任何不可逆損失。但是，其吸入流體為氣體。

2)等溫冷凝器調整為等壓冷凝器。制冷劑的放熱是在有溫差的條件下進行等壓放熱的。

3)絕熱膨脹機調整為節流閥。節流降壓過程為絕熱節流過程，并假設制冷劑液體流過節流閥時未作功又無熱交換，則在節流閥前后的焓值相等。

4)等溫蒸發器調整為等壓蒸發器。制冷劑的吸熱是在有溫差的條件下進行等壓吸熱，同時，蒸發器出口的制冷劑為飽和蒸氣，使壓縮機采用干壓縮，解除了濕壓縮危險性。

為了更直觀地進行熱力分析，把理論制冷循環(1′-2′-3-4′-1′)的示意圖調整在壓-焓圖(p-h示意圖)上表示。理論制冷循環的p-h示意圖如圖4所示，圖4中，p為壓力，h為焓值。

圖4 理論制冷循環的p-h示意圖

3 簡化的實際制冷循環

根據對實際制冷裝置的檢測分析，實際制冷循環是非常復雜的，主要體現在以下幾點：①壓縮過程并非等熵過程，而是前期吸熱、后期放熱、熵值增加的過程；②制冷劑在熱交換器和管道中流動時存在流阻而有壓力損失；③節流過程有吸熱，焓值略有增加；④制冷劑在管道流動中有部分熱交換；⑤制冷系統中存在著不凝性氣體。

實際制冷循環的p-h示意圖見圖5。實際制冷循環的路徑為1′-a-b-c-2″-e-f-g-1′，工程上常將實際循環簡化為1′-2′-3-4′-1′。其中， 1-2′表示熵值增加的壓縮過程(1-2是等熵壓縮過程)。用簡化的實際循環進行熱力計算，其結果與實際循環相近[1]。說明簡化的實際循環基本可以替代實際循環，作為日常管理的判斷依據。

圖5 實際制冷循環的p-h示意圖

4 預判性管理

根據不同制冷劑種類，參照T-S示意圖和p-h示意圖及圖中數值，結合壓縮式制冷的理想制冷循環、理論制冷循環和實際制冷循環的不同特點，輪機員就很容易判斷制冷系統中制冷劑在不同位置的熱力狀態和大致的壓力、溫度等參數，從而判斷伙食冷庫的工作性能，預測其發生故障的可能性，提前做好保養維修措施。同時，根據制冷循環圖，結合質量守恒定律和能量守恒定律，可以判斷制冷壓縮機與冷凝器、熱力膨脹閥與蒸發器、蒸發器與制冷壓縮機[2]的匹配問題，深度分析制冷系統的性能和故障等。

在船舶伙食冷庫制冷系統內制冷劑的循環過程中，從節流閥后至壓縮機進口為系統的低壓部分。因為吸氣管的流動阻力不大，可近似地認為蒸發器中的蒸發壓力、壓縮機的吸入壓力(可從壓縮機吸入壓力表讀得)、低壓系統的壓力相等。蒸發壓力的大小，主要取決于蒸發器的單位時間蒸發量和壓縮機的單位時間吸氣量的動態平衡。

冷庫溫度降低的同時，吸氣壓力降低是正常的。但是，本文案例中，伙食冷庫溫度不降反升，壓縮機吸氣性能正常，而蒸發壓力卻降低使低壓繼電器動作導致停車。排除低壓繼電器本身故障之后，其原因只有一種可能：蒸發器的蒸發量減少了，即在熱負荷不改變的情況下，蒸發器的制冷量減少了。排除蒸發器性能改變的可能性之后，說明制冷劑循環量減少。故障原因有以下3種情況。

1)制冷劑充注量過少。系統中制冷劑不足，這從貯液器的液位可以判斷， 檢查后排除。

2)制冷管路出現堵塞。包括液管上的某個閥門關閉，電磁閥失靈未開，低壓管路出現冰塞、臟堵、油堵等情況。檢查后全部排除。

3)熱力膨脹閥調節失當。①滑油分離器分離效果差導致進入系統循環的滑油過多，使流經膨脹閥的制冷劑流量減少，檢查后排除；②熱力膨脹閥安裝不當、調節過緊或溫包充劑漏失，檢查后排除；③冷凝壓力過低[3]。經檢查，制冷壓縮機啟停頻繁期間，工作時排出壓力表顯示0.65 MPa，考慮到冷凝器和液管的阻力，進入熱力膨脹閥的液體壓力最多只有0.60 MPa左右，而本船伙食冷庫制冷系統說明書推薦的表壓力是1.10 MPa，說明數據異常。

結合制冷循環壓-焓圖可以看出，由于冷凝器的冷凝量與制冷壓縮機的排氣量不匹配，使冷凝壓力過低，引起熱力膨脹閥調節失當、制冷劑循環量減少、蒸發器的制冷量減少，從而導致庫溫無法達到設定值。同時蒸發器的蒸發量不足，而壓縮機的吸氣量又不變，于是吸氣壓力迅速降低，觸發低壓繼電器斷開動作，導致制冷壓縮機停車。然而，由于低溫庫庫溫不符合要求，溫度繼電器控制著電磁閥繼續向低溫庫熱力膨脹閥供液，又導致蒸發器內很快充滿了一定壓力的制冷劑蒸氣，觸發低壓繼電器閉合動作導致制冷壓縮機啟動，于是就出現了啟停頻繁的故障。其原因是該船從溫暖海域駛入寒冷海域過程中，沒有預先調節冷卻水量旁通閥開度。開大冷凝器的冷卻水量旁通閥，減少冷卻海水進入冷凝器的流量，經過短時間等候和多次微調，當制冷壓縮機排出壓力升高到1.10 MPa左右后，該故障排除。

綜上所述，結合制冷循環壓-焓圖對熱力狀態和參數值進行預判性管理，是保證船舶運輸中伙食冷庫可靠性運行的有效管理方法之一。