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(diào)系統(tǒng)采用1臺壓縮機(jī) (Carrier 5H86型)配備2臺空調(diào)器的形式，使用R404A型制冷劑。在船廠調(diào)試和首次試航期間，該機(jī)組運(yùn)行狀況均達(dá)到設(shè)計要求，且運(yùn)轉(zhuǎn)正常。該型船在交付運(yùn)營后一段時間，頻繁發(fā)生壓縮機(jī)“液擊”現(xiàn)象，壓縮機(jī)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(jī)無法運(yùn)轉(zhuǎn)，中央空調(diào)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(jī)、冷凝器、節(jié)流機(jī)構(gòu)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(jī)壓縮成高壓蒸汽，然后進(jìn)入冷凝器被常溫冷卻介質(zhì)(水或空氣)冷卻，凝結(jié)成高壓液體，經(jīng)節(jié)流后變成低壓、低溫狀態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器，如此周而復(fù)始實現(xiàn)連續(xù)制冷。節(jié)流機(jī)構(gòu)一般由膨脹閥構(gòu)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(fù)荷的變化自動調(diào)節(jié)進(jìn)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(diào)器組成和結(jié)構(gòu)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?；仫L(fēng)和新風(fēng)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(jìn)行降溫除濕，冬季用加熱器，通入蒸汽或熱水，進(jìn)行加熱加濕，最后送入到各個艙室去。

液擊，即當(dāng)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(yùn)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(yán)重的甚至?xí)羲殚y板或汽缸蓋。當(dāng)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(jìn)入壓縮機(jī)，則會造成液擊。

圖2 空調(diào)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(shè)備由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥4個部分組成。假設(shè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)入壓縮機(jī)時的狀態(tài)，制冷劑變?yōu)楦娠柡驼羝?。進(jìn)入壓縮機(jī)后，制冷劑蒸汽在壓縮機(jī)中進(jìn)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(jī)，即將進(jìn)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(jìn)入膨脹閥時的狀態(tài)。進(jìn)入膨脹閥后，制冷劑通過膨脹閥進(jìn)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(jìn)入壓縮機(jī)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(jìn)入壓縮機(jī)之前進(jìn)一步吸熱使其溫度高于蒸發(fā)壓力所對應(yīng)的蒸發(fā)溫度，即使制冷劑進(jìn)入過熱飽和蒸汽狀態(tài)進(jìn)入壓縮機(jī)，以防止壓縮機(jī)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(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行等壓汽化后，若制冷劑在達(dá)到1＇狀態(tài) (液汽混合)時就進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，則就會出現(xiàn)濕壓縮狀態(tài)，即壓縮機(jī)中存在液態(tài)制冷劑，此時，壓縮機(jī)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(rèn)定該空調(diào)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(diào)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(dá)到蒸發(fā)溫度或者稍高于蒸發(fā)溫度)進(jìn)入壓縮機(jī)，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(dá)到蒸發(fā)溫度t0即進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)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(zhì)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(zhì)量流量，kg/s;Q0為蒸發(fā)器的制冷量，kW。

由圖3可知，單位質(zhì)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(zhì)量流量必須變大。

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

式中，Nt為壓縮機(jī)的耗功，kW。

由圖3可知，單位質(zhì)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(jī)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(jī)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(jī)的功率同時變小。要使制冷裝置中的制冷劑質(zhì)量流量變小，就要控制制冷劑進(jìn)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(dǎo)致工作不穩(wěn)定。同時，節(jié)流機(jī)構(gòu)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(jī)的耗功變小。我們可以考慮選用功率相對較小的壓縮機(jī)。一般情況下，所選用的設(shè)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(jìn)入壓縮機(jī)，最理想的狀況是能夠使制冷劑有一定的過熱飽和度。要達(dá)到這一工況，我們可以考慮在壓縮機(jī)之前加裝氣液熱交換器 (回?zé)崞?。它是進(jìn)入膨脹閥前的液體制冷劑與進(jìn)入壓縮機(jī)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(jī)吸氣過熱度。

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

4.1 更換壓縮機(jī)

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(jī)，只是選用制冷量較小的壓縮機(jī)型號。結(jié)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(jī)稍小的5H80機(jī)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(diào)器的空氣冷卻器進(jìn)口端的膨脹閥容量改小，并增加至2個，使其流入空調(diào)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(dāng)溫升到上限時，溫度控制器接通電磁閥電路，使閥開啟;當(dāng)溫升降至下限時，溫度控制器斷開電磁閥電路，閥關(guān)閉。所以，當(dāng)壓縮機(jī)啟動或停機(jī)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(jī)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?zé)崞髦欣鋮s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(jìn)一步保證進(jìn)入壓縮機(jī)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(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)進(jìn)行長達(dá)半年的跟蹤，壓縮機(jī)及2臺空調(diào)機(jī)組均運(yùn)行正常。至此，壓縮機(jī)屢次發(fā)生液擊的問題得到了根本解決。

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