鐵路客車(chē)空調(diào)機(jī)組制冷量低解決方案

劉海軍

中車(chē)四方車(chē)輛有限公司 山東 青島 266111

引言

自20世紀(jì)80年代起，我國(guó)空調(diào)客車(chē)基本采用車(chē)頂單元式空調(diào)機(jī)組作為夏季制冷裝置。單元式空調(diào)機(jī)組的主要特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、互換性好、檢修方便；把各制冷部件組裝在一個(gè)箱內(nèi)，縮短了連接管路，減少了泄漏；如果運(yùn)行中機(jī)組出現(xiàn)問(wèn)題，可以很方便地整體調(diào)換。目前在國(guó)鐵線路上運(yùn)行的標(biāo)記速度不大于160km/h的客車(chē)，空調(diào)客車(chē)主要采用KLD45、KLD40、KLD35、KLD29、KLD9系統(tǒng)單元式空調(diào)機(jī)組。

空調(diào)機(jī)組在檢修過(guò)程中，難免會(huì)遇到各種各樣的故障，其中空調(diào)機(jī)組制冷量不足是最重要也是最常遇見(jiàn)的故障。各鐵路客車(chē)檢修主機(jī)廠已經(jīng)對(duì)解決制冷量不足積累了較為全面的經(jīng)驗(yàn)，但是難免有疏漏之處。本人通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際，探究總結(jié)并進(jìn)一步完善了空調(diào)機(jī)組的檢修工藝，相信在空調(diào)機(jī)組檢修過(guò)程中具有重要的實(shí)際意義。

1 鐵路客車(chē)空調(diào)機(jī)組制冷工作原理簡(jiǎn)介

鐵路客車(chē)空調(diào)機(jī)組制冷系統(tǒng)采用機(jī)械制冷方法，其系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流毛細(xì)管、蒸發(fā)器等幾個(gè)主要部件用管道連接起來(lái)形成一套封閉系統(tǒng)。在封閉系統(tǒng)里，由壓縮機(jī)將工質(zhì)壓縮成高溫高壓的過(guò)熱蒸汽進(jìn)入冷凝器，經(jīng)外界空氣的強(qiáng)制冷卻，冷凝成高壓液體，進(jìn)入毛細(xì)管降壓成低溫低壓的液體，經(jīng)分流器進(jìn)入蒸發(fā)器，吸收通過(guò)蒸發(fā)器空氣的熱量，蒸發(fā)成為低壓蒸汽，再經(jīng)過(guò)氣液分離器被壓縮機(jī)吸入，壓縮成高溫高壓的過(guò)熱蒸汽，完成一個(gè)制冷循環(huán)。壓縮機(jī)不斷工作，達(dá)到連續(xù)制冷的效果。

車(chē)內(nèi)循環(huán)空氣被通風(fēng)機(jī)從回風(fēng)口吸入與新風(fēng)混合后進(jìn)入蒸發(fā)器冷卻，并由出風(fēng)口吹出，向車(chē)內(nèi)送出冷風(fēng)，在制冷系統(tǒng)連續(xù)工作下使車(chē)內(nèi)溫度逐漸降低，并由溫度調(diào)節(jié)器自動(dòng)控制車(chē)內(nèi)溫度，車(chē)內(nèi)溫度可調(diào)節(jié)在22～30℃范圍內(nèi)。

冷凝器的冷凝借助于軸流風(fēng)機(jī)，從機(jī)組上方吸進(jìn)室外空氣，經(jīng)過(guò)冷凝器后，進(jìn)行強(qiáng)制性熱交換，向機(jī)組兩側(cè)排出熱風(fēng)，從而完成熱量的轉(zhuǎn)換。

車(chē)內(nèi)的空氣通過(guò)蒸發(fā)器時(shí)，空氣中的水分冷凝成水滴，被引到車(chē)外而起除濕作用。

圖1為鐵路客車(chē)單元式空調(diào)機(jī)組制冷系統(tǒng)構(gòu)成圖，其中一套制冷系統(tǒng)的制冷劑的工作流程為：

全封閉制冷壓縮機(jī)2 → 冷凝器11 → 干燥過(guò)濾9 → 毛細(xì)管8 →蒸發(fā)器6 → 氣液分離器4 → 壓縮機(jī)2?？照{(diào)控制裝置可以根據(jù)車(chē)內(nèi)溫度的需要，控制開(kāi)啟空調(diào)機(jī)組的一套或兩套制冷系統(tǒng)。

圖1 ：鐵路客車(chē)空調(diào)機(jī)組制冷系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 空調(diào)機(jī)組制冷量低原因分析及解決方案

本章針對(duì)制冷量低的故障采取的措施是首先根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)盡可能立刻判斷故障原因。當(dāng)懷疑多個(gè)原因而不能確定時(shí)采取分析所有可能原因然后逐項(xiàng)排除的措施。首先介紹下傳熱方程式[1]，因?yàn)榻酉聛?lái)的引起制冷量低的原因分析主要也是建立在該方程式上進(jìn)行的。

該方程式反映的是換熱器的換熱效果，而換熱效果也是對(duì)空調(diào)制冷量影響最大的關(guān)鍵因素。由該方程式可以看到，換熱系數(shù)、換熱面積以及平均傳熱溫差都和換熱器的換熱量成正比關(guān)系。換熱系數(shù)和換熱器結(jié)構(gòu)以及材料有關(guān)，換熱面積和換熱器結(jié)構(gòu)以及注氟量等有關(guān)，傳熱溫差和換熱器結(jié)構(gòu)、通風(fēng)量以及注氟量有關(guān)。接下來(lái)進(jìn)行制冷量低的原因分析及解決方案，主要分為三個(gè)方面：

2.1 空調(diào)機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)故障

如果空調(diào)機(jī)組是按照檢修工藝進(jìn)行正常分解清洗、部件檢修、機(jī)組組裝的話，性能試驗(yàn)制冷量仍低于原設(shè)計(jì)的90%[4]，有可能是焓差試驗(yàn)臺(tái)維護(hù)不當(dāng)，個(gè)別傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或者位置有變動(dòng)，風(fēng)道保溫措施不到位、空調(diào)機(jī)組與試驗(yàn)臺(tái)風(fēng)道接口處密封不嚴(yán)漏風(fēng)等都會(huì)造成正常機(jī)組制冷量不足，因此每次做空調(diào)機(jī)組性能試驗(yàn)前，需對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行點(diǎn)檢，確認(rèn)試驗(yàn)臺(tái)性能合格，并且需要定期對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行保養(yǎng)、維護(hù)，確保試驗(yàn)臺(tái)性能良好。

2.2 系統(tǒng)內(nèi)外介質(zhì)狀態(tài)不良

2.2.1 系統(tǒng)中含有空氣?？照{(diào)機(jī)組系統(tǒng)中混有空氣，將造成相同壓力充注并參與循環(huán)的制冷劑量有所下降，從而造成機(jī)組的制冷量不足。

2.2.2 系統(tǒng)中含有水分。系統(tǒng)中含有水分時(shí)，易造成空調(diào)機(jī)組節(jié)流元件處結(jié)霜，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成冰塞，導(dǎo)致制冷系統(tǒng)循環(huán)管路堵塞。

2.2.3 系統(tǒng)中含有固態(tài)雜質(zhì)。機(jī)組循環(huán)管路中混入固態(tài)雜質(zhì)會(huì)造成節(jié)流元件堵塞，如果進(jìn)入壓縮機(jī)會(huì)對(duì)壓縮機(jī)造成永久損壞，進(jìn)而影響制冷量。

造成以上三點(diǎn)的原因主要為空調(diào)機(jī)組在分解、清洗過(guò)程中對(duì)機(jī)組管路、壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器等部件的管路口封堵防護(hù)不良，造成雜質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)，采取的措施是在空調(diào)機(jī)組各部件分解后，在清洗前，用防水膠帶或管堵對(duì)空調(diào)管路、壓縮機(jī)、氣液分離器、干燥過(guò)濾器等管口進(jìn)行封堵，對(duì)冷凝器、蒸發(fā)器等部件管口進(jìn)行焊堵，空調(diào)機(jī)組各部件焊接組裝前對(duì)各部件用氮?dú)獯党s質(zhì)后進(jìn)行干燥處理。

2.2.4 流過(guò)換熱器的空氣量不足。當(dāng)外界空氣流量不足時(shí)，蒸發(fā)器側(cè)被冷卻的空氣不能及時(shí)被帶走，就會(huì)降低蒸發(fā)器內(nèi)外兩種流質(zhì)之間的溫差，或者冷凝器側(cè)冷卻空氣不能及時(shí)被帶走，造成冷凝器周?chē)諝鉁囟壬仙?，降低了冷凝器?nèi)外兩種流質(zhì)之間的溫差。根據(jù)式1可知，溫差降低，換熱器換熱效率就會(huì)降低，制冷量就下降。

該現(xiàn)象主要和蒸發(fā)器側(cè)離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或者冷凝器側(cè)軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及換熱器的表面潔凈度有關(guān)。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速直接影響通風(fēng)量，而換熱器表面潔凈度不足或者換熱器外翅片變形嚴(yán)重，就會(huì)阻礙空氣流動(dòng)，同樣會(huì)影響通風(fēng)量。因此空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)按照檢修工藝要求檢修后，須進(jìn)行性能試驗(yàn)，在額定風(fēng)壓下，風(fēng)機(jī)風(fēng)量需達(dá)到額定風(fēng)量的95%以上，否則需返工進(jìn)行重新檢修或更新；對(duì)于換熱器，重點(diǎn)檢修管路和翅片，如果翅片腐蝕面積超過(guò)5%或管路破損造成內(nèi)漏無(wú)法修復(fù)等情況時(shí)，該換熱器需更新。當(dāng)換熱器腐蝕情況因腐蝕區(qū)域以及腐蝕程度不規(guī)則而無(wú)法精確測(cè)量時(shí)，為節(jié)省檢修成本，可根據(jù)實(shí)際情況，將該換熱器試裝至空調(diào)機(jī)組上進(jìn)行性能試驗(yàn)，若制冷量達(dá)到額定制冷量的95%以上，可直接利用，否則，需進(jìn)行更新。

2.2.5 制冷劑充注量不足或過(guò)高[2]。注氟量和節(jié)流元件的節(jié)流效果共同決定了機(jī)組的制冷量，當(dāng)出現(xiàn)制冷量不足時(shí)，應(yīng)當(dāng)將注氟量和節(jié)流效果結(jié)合起來(lái)綜合分析。

在相同的充注量下，隨著節(jié)流效果的增加，節(jié)流阻力就會(huì)增加，制冷劑循環(huán)流量減小，從而單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)制冷劑帶走的熱量就會(huì)減小，并且因?yàn)楣?jié)流元件處的阻力作用，導(dǎo)致蒸發(fā)器中因制冷劑減少而壓力降低，冷凝器中制冷劑增加而壓力升高，從而降低了壓縮機(jī)的輸送能力。

在相同的毛細(xì)管長(zhǎng)度或節(jié)流閥開(kāi)度的情況下，隨著制冷劑充注量的持續(xù)增加，機(jī)組制冷量將會(huì)先上升后下降。因?yàn)殡S著充注量的增加，制冷劑流量增加，換熱器有效換熱面積增大，由式1可知，制冷量增大。但隨著充注量的進(jìn)一步增加，由于蒸發(fā)壓力、溫度的提高使傳熱溫差減小，抑制了制冷量的進(jìn)一步上升。當(dāng)傳熱溫差與有效換熱器面積的變化比較，傳熱溫差降低占主導(dǎo)地位時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)制冷量下降情況[3]。并且當(dāng)制冷劑充注量過(guò)足時(shí)，會(huì)出現(xiàn)冷凝器內(nèi)部出現(xiàn)制冷劑積存現(xiàn)象，同樣會(huì)減小冷凝器側(cè)的換熱面積，降低制冷量。

針對(duì)該項(xiàng)原因采取的措施是盡量依據(jù)機(jī)組銘牌標(biāo)識(shí)的注氟量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行充注，可在上下小范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。具體操作時(shí)可以先充注偏少的制冷劑，再慢慢加注，這樣可以統(tǒng)計(jì)實(shí)際充注量。如果先加注較多的制冷劑，調(diào)整時(shí)需釋放出一部分制冷劑，而這部分計(jì)算重量比較困難，確定不了最后最佳充注量。另外因?yàn)闄z修過(guò)程中空調(diào)蒸發(fā)器上所帶的毛細(xì)管或者節(jié)流閥的節(jié)流效果都已確定，所以該項(xiàng)目可以當(dāng)成固定條件，不做調(diào)整。

2.3 系統(tǒng)部件性能不足

2.3.1 壓縮機(jī)性能不足。壓縮機(jī)是整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，當(dāng)壓縮機(jī)性能不足時(shí)，吸排氣壓力失常，對(duì)制冷效果產(chǎn)生直接影響。壓縮機(jī)按照檢修工藝要求檢修后，需進(jìn)行制冷量和排氣量測(cè)試，不得低于原設(shè)計(jì)參數(shù)的90%[4]，如達(dá)不到要求，則需重新返工檢修或更換。

2.3.2 壓縮機(jī)性能不足。換熱器是直接與空氣進(jìn)行熱量交換的部件，如果換熱器換熱效果不足的話，制冷量同樣會(huì)受到直接影響。

換熱器換熱效果不足主要體現(xiàn)在單位時(shí)間通過(guò)換熱器的制冷劑流量和換熱面積上。流量大小在換熱器部分是受盤(pán)管內(nèi)徑?jīng)Q定的，當(dāng)管路過(guò)細(xì)時(shí)，造成制冷劑流量過(guò)小，單位面積內(nèi)傳遞的由制冷劑帶來(lái)的熱量就會(huì)變小。

換熱面積由制冷劑側(cè)面積和外部空氣側(cè)面積共同決定。制冷劑側(cè)面積不僅由盤(pán)管內(nèi)徑以及長(zhǎng)度確定，還與盤(pán)管內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。當(dāng)前廣泛利用的盤(pán)管有光面銅管、內(nèi)螺紋管、內(nèi)翅片管等。至于空氣側(cè)的換熱面積，很大程度上是由外部翅片決定的。綜合三種盤(pán)管性能比較，內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)的換熱器換熱性能比最高，因此空調(diào)機(jī)組換熱器檢修后達(dá)不到要求時(shí)，更新的換熱器選用內(nèi)螺紋管型式的換熱器。

2.3.3 外翅片與盤(pán)管的連接緊密程度[3]。換熱器是由內(nèi)部銅管管束間套以鋁質(zhì)薄片形成的管式換熱器，對(duì)于此類(lèi)的結(jié)構(gòu)，銅管與鋁質(zhì)薄片此兩個(gè)名義上相互接觸的固體表面，實(shí)際上接觸僅發(fā)生在一些離散的面積元上。在未接觸的界面之間的間隙中常常充滿(mǎn)了空氣，熱量將以導(dǎo)熱的方式穿過(guò)這種氣隙層。這種情況與兩固體表面真正完全接觸相比，增加了附件的傳遞阻力，即增大了接觸熱阻。

當(dāng)外翅片與盤(pán)管連接松動(dòng)，即連接處出現(xiàn)松動(dòng)時(shí)，就會(huì)進(jìn)一步增大了此處的接觸熱阻，造成換熱效果差。此類(lèi)故障一般是由換熱器的生產(chǎn)工藝中對(duì)管片配合間隙控制不嚴(yán)謹(jǐn)造成的，后期無(wú)法修復(fù)，需更換故障換熱器解決。

2.4 回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

空調(diào)機(jī)組壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、冷卻風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)等主要空調(diào)機(jī)組部件按照檢修工藝要求檢修后進(jìn)行性能試驗(yàn)，雖然各零部件性能參數(shù)均符合要求，但由于各零部件性能不達(dá)標(biāo)率的累計(jì)，各部件組裝后造成個(gè)別空調(diào)機(jī)組制冷量達(dá)到原設(shè)計(jì)參數(shù)80%以上，但達(dá)不到90%[4]的情況，更換空調(diào)機(jī)組主要零部件價(jià)格較高，考慮到檢修成本的因素，在保證空調(diào)機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，改造循環(huán)回路為回?zé)嵫h(huán)，以提高制冷量。

2.4.1 回?zé)嵫h(huán)空調(diào)系統(tǒng)的工作原理[1]。液態(tài)制冷劑節(jié)流后進(jìn)入濕蒸汽區(qū)，節(jié)流后制冷劑的干度愈小，它在蒸發(fā)器中氣化時(shí)的吸熱量愈大，循環(huán)的制冷系數(shù)愈高，而在蒸發(fā)后的制冷劑過(guò)熱度越高，通過(guò)壓縮后，到達(dá)冷凝器的制冷劑溫度越高，與外界空氣的換熱溫差越大，產(chǎn)生的效果就是排到室外的熱量越多，循環(huán)的制冷系數(shù)愈高。在實(shí)際循環(huán)中，在一定的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度下，如果能夠設(shè)置一個(gè)裝置，能同時(shí)滿(mǎn)足使進(jìn)入節(jié)流裝置前的制冷劑達(dá)到過(guò)冷，使進(jìn)入壓縮機(jī)前的制冷劑達(dá)到過(guò)熱，即用節(jié)流前的制冷劑對(duì)壓縮機(jī)前的制冷劑進(jìn)行加熱，交換熱量，不但可增加單位制冷量，而且可以減少蒸發(fā)器出口管與環(huán)境空氣之間的傳熱溫差，減少甚至消除吸氣管道中的有害過(guò)熱[2]。該裝置即為氣-液熱交換器。具有氣-液熱交換器的壓焓圖如圖2所示。

即過(guò)熱部分的熱量是過(guò)冷部分的熱量傳遞過(guò)來(lái)的，該循環(huán)在制冷技術(shù)中稱(chēng)為回?zé)嵫h(huán)。圖3：為單級(jí)壓縮制冷循環(huán)與回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比圖。

圖2：回?zé)嵫h(huán)的P-h圖

圖3：?jiǎn)渭?jí)壓縮制冷循環(huán)與回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

2.4.2 回?zé)嵫h(huán)空調(diào)系統(tǒng)改造方案。安裝具有回?zé)嵝Ч臍庖悍蛛x器，從干燥過(guò)濾器出來(lái)的高壓液態(tài)制冷劑通過(guò)氣液分離器的換熱管道，與通過(guò)氣液分離器的低壓氣液混合狀態(tài)的制冷劑進(jìn)行換熱，達(dá)到回?zé)崮康?。同樣是高壓液態(tài)制冷劑走管程，低壓氣態(tài)制冷劑在氣液分離器內(nèi)進(jìn)行氣液分離。具體走向如圖4所示。咨詢(xún)杭州斯波蘭冷暖設(shè)備有限公司，以KLD40空調(diào)機(jī)組為例，根據(jù)空調(diào)機(jī)組內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的熱交換氣液分離器尺寸如圖5。由圖5可以計(jì)算高壓制冷劑管路在氣夜分離器內(nèi)部的長(zhǎng)度為：

該型號(hào)尺寸的回?zé)峁δ軞庖狗蛛x器的熱量交換率為空調(diào)機(jī)組額定制冷量的10%左右。即蒸發(fā)器入口處的制冷劑吸熱能力提高10%，也就是說(shuō)空調(diào)機(jī)組的制冷能力提高10%，使用該方案可以使KLD40空調(diào)機(jī)組制冷量提高至44KW以上，已達(dá)到了KLD45機(jī)組的制冷量合格標(biāo)準(zhǔn)。改造過(guò)程中增加的氣液分離器、管路及人工費(fèi)用，經(jīng)計(jì)算僅為385元，改造費(fèi)用較低。

圖4 ：回?zé)峁δ軞庖悍蛛x器外觀及制冷劑流向圖

圖5 ：回?zé)峁δ軞庖悍蛛x器結(jié)構(gòu)尺寸及內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸

3 總結(jié)

本文系統(tǒng)全面的分析了從空調(diào)機(jī)組焓差試驗(yàn)臺(tái)，空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)內(nèi)、外介質(zhì)狀態(tài)，壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、風(fēng)機(jī)、管路等主要空調(diào)機(jī)組零部件狀態(tài)不良造成空調(diào)機(jī)組制冷量不達(dá)標(biāo)的原因，并給出了具體解決措施；并且在空調(diào)機(jī)組各主要部件按照檢修工藝要求檢修后性能合格，但空調(diào)機(jī)組整機(jī)組裝完成后制冷量達(dá)到原設(shè)計(jì)參數(shù)80%以上，但達(dá)不到90%[4]的情況下，設(shè)計(jì)改造循環(huán)回路為回?zé)嵫h(huán)，制冷量提高了10%，改造費(fèi)用遠(yuǎn)低于更換空調(diào)機(jī)組其它主要部件，節(jié)省了檢修成本。