劉 瑩

（陜西航空電氣有限責(zé)任公司 陜西興平）

一、問題

高空試驗(yàn)箱制冷機(jī)組為需要做低溫高空試驗(yàn)的航空電氣產(chǎn)品提供所需的低溫環(huán)境。機(jī)組工作效率的高低將影響被試驗(yàn)產(chǎn)品的性能和試驗(yàn)時(shí)間，因此，需對(duì)該機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)做出監(jiān)控，在工作效率下降時(shí)及時(shí)排除故障，確保試驗(yàn)正常進(jìn)行。2008年6月發(fā)現(xiàn)該制冷機(jī)組降溫時(shí)間延長，由常溫降至-55℃的時(shí)間為50～60 min，而且保溫困難，機(jī)組工作效率明顯下降。機(jī)組工作正常時(shí)，由常溫降至-55℃的時(shí)間約30 min。

二、工作原理分析

1.機(jī)組結(jié)構(gòu)

1 m3制冷機(jī)組由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器構(gòu)成（圖1），之間用管道依次連接成一個(gè)封閉系統(tǒng)。制冷裝置中用來實(shí)現(xiàn)制冷的工作物質(zhì)稱為制冷劑或工質(zhì)。該機(jī)組制冷劑為氟利昂F22，利用F22液體汽化時(shí)要吸收熱量這一物理特性來達(dá)到制冷的目的。

2.機(jī)組工作原理

當(dāng)壓縮機(jī)開始工作時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)的F22蒸汽被壓縮機(jī)吸入，由壓縮機(jī)的排氣閥排出，壓縮成高壓高溫氣體，經(jīng)過冷凝器被水冷卻，而冷凝成高壓低溫液體，再經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓為低壓低溫液體，去蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)汽化，吸收外界熱量，使其周圍介質(zhì)得到冷卻，而蒸發(fā)器的飽和F22蒸汽再被壓縮機(jī)吸回，完成了制冷循環(huán)流程回路。圖2為F22工作狀態(tài)和循環(huán)路徑。依靠壓縮機(jī)在制冷系統(tǒng)管道內(nèi)，進(jìn)行周期性的吸氣和排氣達(dá)到循環(huán)制冷的效果。

圖1 制冷機(jī)組部件

3.壓縮機(jī)工作原理分析

圖2 F22工作狀態(tài)和循環(huán)路徑

根據(jù)熱力學(xué)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(jī)械能。壓縮機(jī)就是實(shí)現(xiàn)這種能量轉(zhuǎn)換，使制冷劑周而復(fù)始，由低壓低溫氣體變成高壓高溫氣體的狀態(tài)變化，不斷保持和獲得低溫的機(jī)械。活塞式壓縮機(jī)的逆流壓縮原理，如圖3所示。

圖3 逆流壓縮原理

壓縮機(jī)是用電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)來進(jìn)行工作的。電機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)的曲軸，曲軸周而復(fù)始地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)使壓縮機(jī)的活塞做上下運(yùn)動(dòng)。從圖中可看出，活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，高、低壓閥片有不同的變化位置。

當(dāng)活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，汽缸內(nèi)的氣壓低于吸氣管道的氣壓而使氣體頂開低壓閥片進(jìn)入汽缸。（此時(shí)高壓閥片是封閉狀態(tài)，因其上面有壓力）。當(dāng)活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)F22氣體進(jìn)行壓縮，則汽缸體內(nèi)壓力逐漸上升至大于吸氣壓力時(shí)，低壓閥片便落在吸氣孔上面并緊緊蓋住吸氣孔。當(dāng)汽缸中的壓力大于排氣管中的壓力時(shí)，缸內(nèi)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(yùn)動(dòng)，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(guān)閉或阻塞影響了制冷劑的流通，影響制冷效率。開啟各個(gè)控制閥，清洗過濾器，機(jī)組制冷效率仍不能提高。排除此原因。

（2）系統(tǒng)有泄漏氣現(xiàn)象。如果系統(tǒng)中聯(lián)接螺栓松動(dòng)或連接處密封墊滲漏，就會(huì)有F22由系統(tǒng)向外泄漏，使壓縮機(jī)壓縮氣量減少，影響制冷效率。在停機(jī)狀態(tài)用肥皂水涂抹各個(gè)接頭接縫處，如漏氣在該處會(huì)有氣泡產(chǎn)生，仔細(xì)觀察無一處有氣泡出現(xiàn)，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(tǒng)無泄漏。

（3）冷凝器故障。若冷凝器故障，系統(tǒng)散熱效果差，可降低制冷效率。用溫度計(jì)測(cè)得進(jìn)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(jìn)出水溫差4～6℃的要求。排除此原因。

（4）節(jié)流閥故障。節(jié)流閥是控制蒸發(fā)器內(nèi)有一個(gè)穩(wěn)定的蒸發(fā)壓力，從而保持穩(wěn)定的制冷溫度。如果節(jié)流閥堵塞不通或似通非通，則壓縮機(jī)吸氣壓力值顯著下降，吸氣量減少，制冷效率下降，節(jié)流閥閥體霜層很快融化或不能結(jié)霜、并且沒有正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)連續(xù)和均勻的氣流聲音。在機(jī)組工作時(shí)觀察吸氣壓力表、閥體結(jié)霜情況、仔細(xì)傾聽氣流聲音，均正常，可排除此原因。

（5）蒸發(fā)器故障。蒸發(fā)器是用以將被冷卻介質(zhì)的熱量通過管壁傳遞給制冷劑的熱交換器。蒸發(fā)器應(yīng)保證蒸發(fā)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(huì)急劇地增加熱阻力，降低設(shè)備的傳熱效能，機(jī)組制冷效率會(huì)變差，這樣F22在蒸發(fā)器內(nèi)就不能完全汽化，會(huì)有液體F22殘存，蒸發(fā)器表面不能掛霜或有不均勻的結(jié)霜現(xiàn)象。降溫過程中，從玻璃孔處觀察，蒸發(fā)器表面有均勻的霜層覆蓋。表明蒸發(fā)器無故障，排除此原因。

（6）壓縮機(jī)故障。啟動(dòng)壓縮機(jī)，觀察壓縮機(jī)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(shì)。壓縮機(jī)工作正常時(shí)排氣壓力為0.9 MPa＜P≤1.2 MPa。

由壓縮機(jī)工作原理和排氣壓力值偏低分析認(rèn)為，由于壓縮機(jī)長期運(yùn)行，運(yùn)動(dòng)部件高、低壓閥片長期磨損，閥片有破損，閥門關(guān)閉不嚴(yán)，造成吸、排氣處密封性能下降，氣體流動(dòng)阻力增加，使氣體倒流，輸氣量減少，壓力下降，壓縮機(jī)制冷能力下降，導(dǎo)致機(jī)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(rèn)定故障原因是由于高壓閥片破損所致。應(yīng)對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)一步檢查。

在將壓縮機(jī)的任何連接部分松開進(jìn)行檢查或修理以前，必須先進(jìn)行抽真空，將F22壓入冷凝器，否則會(huì)造成F22的大量泄漏。關(guān)閉壓縮機(jī)的吸氣總閥，開啟排氣總閥后啟動(dòng)壓縮機(jī)，曲軸箱和氣缸即被抽成真空。當(dāng)?shù)蛪罕磉_(dá)到-0.08 MPa時(shí)即可關(guān)閉排氣總閥，在關(guān)閉中了時(shí)停止壓縮機(jī)，使壓縮機(jī)與系統(tǒng)隔離，然后打開壓縮機(jī)缸蓋，取出高、低壓閥片，發(fā)現(xiàn)高壓閥片表面磨損嚴(yán)重，有橫向的細(xì)小裂紋，與分析結(jié)果一致。

四、措施

更換工藝先進(jìn)的材料為30CrMnSiA或4Cr13Mo優(yōu)質(zhì)合金鋼板制成的、平直度好、經(jīng)研磨光潔、在放大鏡下不出現(xiàn)紋路的高壓閥片，將系統(tǒng)恢復(fù)正常。起動(dòng)制冷機(jī)組，排氣壓力上升為1.15 MPa，由常溫降至-55℃，歷時(shí)28 min，制冷效率明顯提高。

為了提高閥片的使用壽命和機(jī)組的工作效率，工作人員應(yīng)注意：①嚴(yán)格按照機(jī)組操作規(guī)程的要求操作，及時(shí)監(jiān)控冷卻水量的大小和水溫的高低，避免壓縮機(jī)在過高的溫度下工作。②根據(jù)氣壓和降溫情況適當(dāng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開啟度，避免壓縮機(jī)在過高的壓力下工作，產(chǎn)生液擊，沖擊閥片。③及時(shí)排除設(shè)備隱患，減少和避免故障的發(fā)生。

五、結(jié)論

該制冷機(jī)組工作效率下降的原因是壓縮機(jī)產(chǎn)生了故障，由于壓縮機(jī)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(jī)壓縮氣量減少，導(dǎo)致機(jī)組制冷量減少所致。圖4所示，壓縮機(jī)的實(shí)際工作過程為實(shí)線，無故障時(shí)應(yīng)該工作在虛線位置，可看出由于壓縮機(jī)排氣量的減少，排氣壓力下降，引起制冷容積損失，以致機(jī)組工作效率下降。

圖4 壓縮機(jī)工作過程

4-1表示吸氣線，吸入氣體的壓力與蒸發(fā)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(chǎn)品做低溫高空試驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證，機(jī)組工作效率較好，降溫時(shí)間在27～31 min，容易保溫，為航空電氣產(chǎn)品提供了可靠的環(huán)境條件。