制冷壓縮機(jī)防液擊技術(shù)研究

周建佳 張明辰

摘 要：壓縮機(jī)在制冷系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用，但在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，液擊可以在很短時間內(nèi)造成壓縮主要受力件損壞，是制冷壓縮機(jī)的致命殺手?；诖耍疚恼撌隽酥评鋲嚎s機(jī)產(chǎn)生液擊的原理及危害，并針對液擊作出判斷及采取相應(yīng)措施，主要有加熱、氣液分離器/儲液器、檢測和控制、優(yōu)化回油結(jié)構(gòu)和液位控制，可以有效減少液擊發(fā)生概率，提高壓縮機(jī)在啟動時的安全性，進(jìn)而提高制冷空調(diào)的使用壽命。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī);制冷;液擊;預(yù)防

中圖分類號：TB652 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）10-0050-03

Abstract： The compressor has a wide range of applications in the refrigeration system， but during the operation of the compressor， the liquid hammer can cause damage to the main force-bearing parts in a short time， it is the deadly killer of the refrigeration compressor， and the refrigeration compressor is produced. Therefore， this paper discussed the principle and hazard of liquid hammer， and made judgments on liquid hammer and took corresponding measures， mainly including heating， gas-liquid separator/reservoir， detection and control， optimization of oil return structure and liquid level control . It can effectively reduce the probability of liquid hammer occurrence， improve the safety of the compressor at startup， and thus improve the service life of the refrigeration air conditioner.

Keywords： compressor;refrigeration;liquid hammer;prevention

制冷壓縮機(jī)是蒸氣壓縮式制冷裝置的重要設(shè)備，是維持制冷劑流動的動力部件。在制冷系統(tǒng)中，隨著制冷系統(tǒng)制冷劑流量增大，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)部進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，蒸發(fā)器周圍空氣中的相對濕度隨著蒸發(fā)器溫度降低而升高。當(dāng)制冷系統(tǒng)長時間保持該工況時，蒸發(fā)器翅片周圍空氣的相對濕度可達(dá)100%，蒸發(fā)器翅片表面大量結(jié)露;若蒸發(fā)器翅片的表面溫度降至0℃以下，則翅片表面的大量露水發(fā)生凍結(jié)，嚴(yán)重時形成冰層，使蒸發(fā)器內(nèi)部的制冷劑因無法吸收蒸發(fā)器周圍空氣的熱量而得不到充分蒸發(fā)，這種未能充分蒸發(fā)的液態(tài)制冷劑被壓縮機(jī)吸入，進(jìn)入氣缸，造成液擊。

1 液擊的過程與現(xiàn)象

在制冷空調(diào)系統(tǒng)中，液擊是導(dǎo)致壓縮機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞的重要因素之一[1]。液擊現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，往往會造成壓縮機(jī)渦旋盤破裂（對于渦旋壓縮機(jī)）、連桿斷裂（對于活塞壓縮機(jī)），嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)炸缸等后果，進(jìn)而可能導(dǎo)致壓縮機(jī)電機(jī)燒毀并污染系統(tǒng)管路等。由于壓縮機(jī)損壞往往會給用戶造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，如導(dǎo)致制冷環(huán)境內(nèi)重要設(shè)備出現(xiàn)故障、需更換損壞壓縮機(jī)并清洗污染管路等。因此，防止壓縮機(jī)出現(xiàn)液擊情況顯得尤為重要[2]。

當(dāng)制冷空調(diào)設(shè)備長期停機(jī)時，由于室內(nèi)外溫度差異等因素可能會導(dǎo)致制冷劑遷移并以液態(tài)形式積聚在吸氣管處，如果這些液態(tài)制冷劑在壓縮機(jī)啟動前不及時排走就容易導(dǎo)致液擊現(xiàn)象發(fā)生。隨著制冷空調(diào)設(shè)備廠家對節(jié)能產(chǎn)品的重視程度日益增強(qiáng)，出于節(jié)能考慮，會在部分設(shè)備的循環(huán)系統(tǒng)中同時安裝制冷劑泵和壓縮機(jī)。當(dāng)室外溫度很低時，單獨(dú)運(yùn)行制冷劑泵輸送制冷劑把室內(nèi)熱量排到室外低溫環(huán)境;當(dāng)室外溫度較高時，則使用壓縮機(jī)按照傳統(tǒng)逆卡諾循環(huán)把室內(nèi)熱量排到室外環(huán)境。因?yàn)樯鲜鰞煞N運(yùn)行方式需要共用相同的蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥等主要器件和大部分氣/液管，所以根據(jù)不同的運(yùn)行模式需要相應(yīng)電磁開關(guān)閥或單向閥等輔助元件進(jìn)行隔離。但這些輔助元件在使用中如果出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)致液態(tài)制冷劑積聚在壓縮機(jī)吸氣管和氣液分離器等處，如果未被及時排走，會在壓縮機(jī)啟動時導(dǎo)致其因液擊而損壞。

2 制冷壓縮機(jī)防液擊的措施

2.1 加熱

加熱措施包含以下4種方式：曲軸箱加熱、壓縮機(jī)內(nèi)部加熱、吸氣管路加熱和蒸發(fā)器加熱。其中，曲軸箱加熱的方式應(yīng)用最為廣泛，其次為對壓縮機(jī)內(nèi)部進(jìn)行加熱。

2.1.1 曲軸箱加熱。對曲軸箱內(nèi)部進(jìn)行加熱，可降低溶于潤滑油中的制冷劑含量，能夠有效防止液擊產(chǎn)生。在壓縮機(jī)底部油池內(nèi)感測最大油液面和最小油液面，并在壓縮機(jī)吸氣入口處檢測存在的液體含量，當(dāng)超過預(yù)定值時啟動曲軸箱內(nèi)的加熱器，以便加熱油池和吸氣入口內(nèi)的液體，防止壓縮機(jī)液擊損壞。壓縮機(jī)下部卷繞有曲軸箱加熱管，當(dāng)熱泵熱水裝置停機(jī)時，留在管道內(nèi)的熱水在重力作用下流經(jīng)曲軸箱加熱管，從而對壓縮機(jī)下部進(jìn)行加熱，使停留在壓縮機(jī)底部的液態(tài)制冷劑汽化，避免下次啟動時產(chǎn)生液擊。

2.1.2 壓縮機(jī)內(nèi)部加熱。配置蒸發(fā)器加熱裝置，對蒸發(fā)器表面進(jìn)行加熱，避免其結(jié)霜或結(jié)冰，蒸發(fā)器內(nèi)部的制冷劑能夠吸收蒸發(fā)器周圍空氣的熱量充分蒸發(fā)。在空調(diào)機(jī)組的結(jié)霜部位設(shè)置電加熱裝置，保證熱交換器的冷熱交換能力，避免液態(tài)制冷劑因得不到充分蒸發(fā)而被吸入壓縮機(jī)氣缸內(nèi)的危險。

2.1.3 吸氣管路加熱。在壓縮機(jī)吸氣管路上設(shè)置加熱器，通過電加熱器加熱流過管道的制冷劑，促使制冷劑蒸發(fā)，避免液態(tài)制冷劑殘留，提高制冷劑的帶油能力，防止液擊和潤滑不良故障。通過采集氣液分離器溫度、吸氣溫度和吸氣壓力，準(zhǔn)確自動地控制電加熱體加熱消除進(jìn)氣管道內(nèi)的液滴來消除液擊，從而避免制冷劑蒸發(fā)不徹底、節(jié)流失控、溫度過低、過熱度偏低等產(chǎn)生液滴的狀況，使氣液分離器表面溫度急劇下降甚至結(jié)霜，導(dǎo)致氣液分離器不能準(zhǔn)確消除液擊的情況發(fā)生。

2.1.4 蒸發(fā)器加熱。在啟動前對壓縮機(jī)進(jìn)行預(yù)熱，能夠減少啟動時回液的情況產(chǎn)生。利用電加熱的方式對壓縮機(jī)進(jìn)行預(yù)熱，待進(jìn)入壓縮機(jī)的液體冷媒氣化后，再啟動壓縮機(jī)運(yùn)行，避免壓縮機(jī)吸入液態(tài)冷媒，減少了啟動時空調(diào)系統(tǒng)回液所造成的液擊現(xiàn)象。在壓縮機(jī)內(nèi)部設(shè)有檢測冷媒的液面位置的液位開關(guān)和加熱液態(tài)冷媒的電加熱帶，當(dāng)液位開關(guān)檢測到液態(tài)冷媒的液面位置超過預(yù)定液面位置時，關(guān)閉渦旋壓縮機(jī)并啟動電加熱帶加熱液態(tài)冷媒，使其迅速蒸發(fā)。電加熱帶安裝在渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部，僅在液態(tài)冷媒液面達(dá)到危險液面時才啟動加熱，能夠及時避免壓縮機(jī)吸入液態(tài)冷媒，縮短了液態(tài)冷媒的加熱時間，提高了防液擊的技術(shù)效果。

2.2 設(shè)置氣液分離器或儲液器

在壓縮機(jī)的吸入口前，如在吸氣管路上安裝氣液分離器或者儲液器，以防止液滴直接進(jìn)入壓縮機(jī)，這是避免壓縮機(jī)產(chǎn)生液擊的一種常規(guī)技術(shù)手段。然而當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)中未蒸發(fā)的液態(tài)冷凝劑增多，導(dǎo)致氣液分離器內(nèi)的液體聚集而分離效果不佳時，仍然無法避免液滴進(jìn)入壓縮機(jī)的可能。

筆者對氣液分離器作了改進(jìn)，包括筒體、小U型管、隔板、大U型管、延伸管和位于筒體內(nèi)隔板的上部空間的緩沖室。延伸管是由設(shè)置在隔板之下的大U型管的一部分穿過隔板延伸到緩沖室內(nèi)的一段管道;小U型管設(shè)在緩沖室內(nèi)，與筒體焊接連接，底部設(shè)有限流孔，隔板上設(shè)有卸流孔。來自大U型管內(nèi)的液體在緩沖室內(nèi)經(jīng)過分離，限流再被壓縮機(jī)吸入，同時設(shè)置卸流孔防止緩沖室內(nèi)停車存留液體，達(dá)到防止液擊的目的。此外，還在氣液分離器上部設(shè)有使氣態(tài)冷凝劑過熱的過熱管，能夠加熱來自下部分的氣態(tài)制冷劑，使其有一定程度的過熱再進(jìn)入壓縮機(jī)，從而有效避免液滴直接進(jìn)入壓縮機(jī)的情況。

氣液分離器包括分液器筒體，分別與分液器筒體固定連接的吸氣管、排氣管和連接管。連接管的第一端與旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的低壓壓縮結(jié)構(gòu)的排氣側(cè)相連接的下法蘭的空腔相連通，并穿入分液器筒體中，第二端從分液器筒體中穿出并與旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的高壓壓縮結(jié)構(gòu)的吸氣腔相連通。從低壓壓縮結(jié)構(gòu)壓縮后排出的氣體在連接管中流入高壓壓縮結(jié)構(gòu)，流過連接管的氣體通過連接管時與氣液分離器產(chǎn)生熱交換使溫度降低，從低壓壓縮結(jié)構(gòu)壓縮后排出的氣體通過連接管流經(jīng)氣液分離器時與氣液分離器產(chǎn)生熱交換，增強(qiáng)了氣液分離器的氣液分離效果，可有效防止液擊現(xiàn)象。

2.3 液擊的檢測和控制

液擊作為制冷壓縮機(jī)常見的故障之一，需要及早檢測并采取相應(yīng)制止措施，從而預(yù)防并降低液擊現(xiàn)象帶來的危害。

第一，分別檢測壓縮機(jī)的表面溫度和冷凝器的表面溫度，如通過壓縮機(jī)的表面和冷凝器的表面連接感溫包，通過感溫包分別感知壓縮機(jī)表面和冷凝器表面的溫度。第二，根據(jù)壓縮機(jī)表面溫度和冷凝器表面溫度的溫差控制壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率和電子膨脹閥開度。具體而言，根據(jù)壓縮機(jī)的表面溫度可以判斷壓縮機(jī)的液態(tài)冷媒量，根據(jù)冷凝器的表面溫度可以判斷冷凝器的換熱能力，了解輸出至電子膨脹閥的冷媒量，進(jìn)而根據(jù)壓縮機(jī)表面溫度和冷凝器表面溫度的溫差對空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也就是調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率和電子膨脹閥的開度，使壓縮機(jī)輸出的冷媒量和輸出至蒸發(fā)器的冷媒量以及蒸發(fā)器的換熱能力合理匹配，使蒸發(fā)器可以完全蒸發(fā)，避免蒸發(fā)不充分造成大量液態(tài)冷媒回流至壓縮機(jī)，導(dǎo)致壓縮機(jī)發(fā)生液擊，進(jìn)而造成壓縮機(jī)損壞。

檢測裝置可以根據(jù)馬達(dá)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或馬達(dá)驅(qū)動電流和冷媒系統(tǒng)的溫度信息和/或壓力信息預(yù)先檢測出穩(wěn)定狀態(tài)（穩(wěn)定狀態(tài)下的瞬時轉(zhuǎn)矩或穩(wěn)定狀態(tài)下的瞬時電流），然后與檢測出的瞬時轉(zhuǎn)矩或瞬時電流進(jìn)行比較。由于液擊使轉(zhuǎn)矩或電流超過了預(yù)先設(shè)定的規(guī)定量，因此，根據(jù)壓縮機(jī)軸承異常時的負(fù)荷轉(zhuǎn)矩大幅增加超過了正常時的負(fù)荷轉(zhuǎn)矩的情況，可實(shí)時檢測壓縮機(jī)的內(nèi)部狀態(tài)，如潤滑不良和液擊等，并可通過降低壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率緩和液擊現(xiàn)象產(chǎn)生。

針對壓縮機(jī)帶液啟動時導(dǎo)致的液擊，在機(jī)組收到停機(jī)命令時，壓縮機(jī)不立即停機(jī)，而是先關(guān)閉連接在蒸發(fā)器與冷凝器之間的液體管路電磁閥，蒸發(fā)器中的冷媒含量持續(xù)下降，冷媒依次經(jīng)過壓縮機(jī)、單向排氣閥存儲在冷凝器。連接在壓縮機(jī)吸氣端的吸氣壓力檢測控制裝置通過檢測管道中的壓力值降低到預(yù)設(shè)值時，控制壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，蒸發(fā)器內(nèi)部的冷媒含量很少，尤其是液體冷媒量不會存在。因此，在機(jī)組下次啟動時，盡管在電磁閥打開的瞬間會有液態(tài)冷媒進(jìn)入蒸發(fā)器，但由于此時機(jī)組蒸發(fā)器內(nèi)的水溫較高，通過換熱可以將液態(tài)冷媒完全汽化，壓縮機(jī)吸入后不會產(chǎn)生液擊現(xiàn)象，杜絕啟動時液擊產(chǎn)生。

2.4 優(yōu)化回油結(jié)構(gòu)

壓縮機(jī)產(chǎn)生液擊現(xiàn)象的主要原因是隨著吸氣過程而吸入液態(tài)冷凍油，避免系統(tǒng)管路中液體殘存，如減少含油率和出油量，增大回油量，改進(jìn)壓縮機(jī)內(nèi)的氣液分離效果，是抑制液擊產(chǎn)生的有效途徑。這樣一種回油裝置，包括前缸體和相對設(shè)置的后缸體，在前缸體的上部和后缸體的上部圍繞形成有低壓腔，在前缸體的中部和后缸體的中部圍繞形成有缸體內(nèi)腔，缸體內(nèi)腔與低壓腔之間通過連接部間隔設(shè)置，后缸體的頂部設(shè)有用于通入冷媒氣、冷凍油的與低壓腔相連通的低壓油進(jìn)口;連接部上設(shè)有回油槽，低壓腔通過回油槽與缸體內(nèi)腔相連通;前缸體的左端部和后缸體的右端部分別設(shè)有冷媒氣出口，冷媒氣出口與低壓腔相連通。采用上述結(jié)構(gòu)形式，前缸體的左側(cè)壁和后缸體的右側(cè)壁能有效阻擋冷凍油直接從低壓腔進(jìn)入前缸蓋和后缸蓋的吸氣腔中，使從低壓吸氣閥返回的冷凍油和冷媒氣的混合氣體在缸體壁碰撞后產(chǎn)生油氣分離，冷凍油可有效回到缸體內(nèi)腔，減少了系統(tǒng)管路中冷凍油的殘存量，使冷凍油可被制冷劑溶解并完全被汽化，有效防止了液擊現(xiàn)象。

在熱泵空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器與蒸發(fā)器底部、冷凝器與壓縮機(jī)吸氣管下部之間分別安裝旁通管，旁通管與蒸發(fā)器、壓縮機(jī)吸氣管均為切向連接;實(shí)時監(jiān)測管路中的制冷劑流量和系統(tǒng)運(yùn)行時間，在制冷劑流量達(dá)到一定以及運(yùn)行時間一定時，則開啟旁通管，高壓制冷劑液體經(jīng)過旁通管的節(jié)流后，以切線方向噴入蒸發(fā)器的底部或吸氣管下部潤滑油匯集區(qū)，將發(fā)生堵塞的制冷劑管路中積聚的潤滑油帶回壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)順利回油。采用上述結(jié)構(gòu)可在不影響熱泵空調(diào)系統(tǒng)正常工作的情況下，有效提高系統(tǒng)回油效率，減少蒸發(fā)器與吸氣立管底部等部位潤滑油積聚，避免發(fā)生液擊損壞，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性

2.5 液位控制

液擊產(chǎn)生的原因之一是潤滑油太多。油位太低導(dǎo)致系統(tǒng)工作效率降低，主要工作部件得不到充分潤滑，或者在氣液分離器中，由于系統(tǒng)無法根據(jù)內(nèi)部儲存的液體情況進(jìn)行有效控制，當(dāng)氣液分離器中儲存過量的液體后，容易導(dǎo)致壓縮機(jī)過濕運(yùn)行，甚至產(chǎn)生液擊現(xiàn)象。因此，合理控制液位，是避免制冷壓縮機(jī)產(chǎn)生液擊的手段之一。

液位自動控制器包括浮球、增力機(jī)構(gòu)和節(jié)流閥，節(jié)流閥采用密封彈子和施壓彈簧密封措施，密封可靠，使壓縮機(jī)內(nèi)的潤滑油液位不會超過控制范圍，徹底解決了壓縮機(jī)回霜問題，防止了濕行程和液擊故障發(fā)生。

空調(diào)系統(tǒng)及氣液分離器的液位檢測方法對氣液分離器內(nèi)部液位進(jìn)行檢測判斷，當(dāng)氣液分離器液位高于警戒液位時，外機(jī)執(zhí)行相應(yīng)控制，通過外機(jī)輸出及閥體調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)氣液分離器中的液位，使液位處于安全范圍，防止由于氣液分離器中液位過高，導(dǎo)致壓縮機(jī)回氣帶液，壓縮機(jī)過濕運(yùn)行甚至液擊，從而保證外機(jī)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

3 結(jié)語

液擊現(xiàn)象是嚴(yán)重危害制冷系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的故障之一。本文論述了制冷壓縮機(jī)產(chǎn)生液擊的原理及危害，并采取加熱、氣液分離器/儲液器、檢測和控制、優(yōu)化回油結(jié)構(gòu)、液位控制等手段有效減少液擊發(fā)生的概率，提高了制冷空調(diào)的使用壽命。

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