民用航空器蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)及其維護(hù)

趙繼超 字錦烽

摘要：憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)在民用航空器上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但該系統(tǒng)容易出現(xiàn)泄漏，在可靠性方面存在不足，維護(hù)也較為復(fù)雜。本文在對(duì)該系統(tǒng)各部件特點(diǎn)深入了解的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)工作環(huán)節(jié)提出有針對(duì)性的維護(hù)建議，可以切實(shí)提高系統(tǒng)的維護(hù)質(zhì)量，增加其運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：制冷；蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)；制冷劑；壓縮機(jī)

Keywords：cooling；vapor cycle cooling system；refrigerant；compressor

0 引言

與大中型民航客機(jī)上常見(jiàn)的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)相比，蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的應(yīng)用并不廣泛，但蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)具有地面制冷效果好、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率影響小、溫度調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此在通航飛機(jī)中廣泛應(yīng)用，在某些軍用飛機(jī)及客機(jī)的電子設(shè)備艙中也有其蹤影。

1 蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的基本原理及組成

1.1 基本原理

早期蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)使用的制冷劑是R12（二氟二氯甲烷），會(huì)破壞臭氧分子?，F(xiàn)在普遍使用的是對(duì)臭氧沒(méi)有破壞、不可燃、化學(xué)穩(wěn)定性更好的R134a（四氟乙烷）制冷劑。蒸發(fā)循環(huán)制冷主要是通過(guò)液態(tài)制冷劑的相變來(lái)吸收環(huán)境中的熱量，從而達(dá)到降低溫度的目的。主要涉及蒸發(fā)和冷凝這兩個(gè)作用相反的物理學(xué)過(guò)程，蒸發(fā)是指物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的相變過(guò)程，冷凝是使熱物體的溫度降低而發(fā)生相變的過(guò)程，通常指物質(zhì)從氣態(tài)變成液態(tài)的過(guò)程。常見(jiàn)的蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)一般由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥和干燥過(guò)濾器組成（見(jiàn)圖1）。

1.2 系統(tǒng)組成

1）壓縮機(jī)

壓縮機(jī)是蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的心臟，是制冷劑流動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源。壓縮機(jī)一般為斜盤(pán)式，帶有多個(gè)氣缸，并配有鋁制外殼以減輕重量。工作時(shí)，電機(jī)輸出的扭矩通過(guò)皮帶傳遞給壓縮機(jī)的主軸，由主軸帶動(dòng)斜盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)活塞做軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而完成壓縮機(jī)的吸氣、壓縮、排氣過(guò)程。其中，可以通過(guò)改變壓縮機(jī)斜盤(pán)的角度對(duì)制冷功率進(jìn)行控制。當(dāng)需要提高制冷功率時(shí)，壓縮機(jī)的控制閥會(huì)增加內(nèi)部壓差，使斜盤(pán)角度變大，壓縮量也隨之增大。反之，當(dāng)系統(tǒng)不需要制冷時(shí)，控制閥將斜盤(pán)兩端的壓力卸荷并維持制冷劑流動(dòng)的最低壓力，以保證壓縮機(jī)能得到正常潤(rùn)滑。壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其活塞和氣缸壁、斜盤(pán)和活塞、主軸和軸承等運(yùn)動(dòng)部件之間都存在摩擦，因此需要對(duì)這些運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行潤(rùn)滑。

2）冷凝器

冷凝器的作用是完成系統(tǒng)的熱交換。在冷凝器中，除了通過(guò)熱傳導(dǎo)性能優(yōu)異的銅制繞管來(lái)加大散熱面積外，還通過(guò)一個(gè)風(fēng)扇抽吸外界空氣來(lái)加快空氣的對(duì)流，加速散熱將熱量帶走。系統(tǒng)工作時(shí)，高溫高壓的氣態(tài)制冷劑從壓縮機(jī)流出進(jìn)入到冷凝器的銅制繞管中，與外界沖壓空氣進(jìn)行對(duì)流換熱。隨著壓縮機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，冷凝器中就會(huì)產(chǎn)生高溫、高壓的氣體，因此離不開(kāi)外界沖壓空氣對(duì)其進(jìn)行散熱，所以冷凝器的風(fēng)扇都是與壓縮機(jī)一起啟動(dòng)，但不與壓縮機(jī)同時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

3）蒸發(fā)器

蒸發(fā)器是負(fù)責(zé)吸收座艙內(nèi)空氣熱量的設(shè)備，主要由銅管、鋁管及散熱鋁片組成。散熱鋁片套在銅管或鋁管上，再采用脹管工藝增大管子直徑，以最大限度地貼近散熱鋁片，減小兩者間隙。制冷劑在管子內(nèi)部流動(dòng)，外界空氣則通過(guò)散熱片將自身的熱量間接傳遞給制冷劑。具體的傳遞過(guò)程為：空氣流過(guò)蒸發(fā)器散熱片，由于空氣溫度高，散熱鋁片溫度低，空氣將熱量以對(duì)流換熱的方式傳遞給散熱鋁片；鋁片在得到熱量之后，將熱量熱傳導(dǎo)給溫度更低的銅管，熱量又以對(duì)流換熱的方式從銅管傳遞給制冷劑。為了讓蒸發(fā)器能充分地進(jìn)行對(duì)流換熱，還配有鼓風(fēng)機(jī)，將座艙內(nèi)的空氣吸入蒸發(fā)器，鼓風(fēng)機(jī)可根據(jù)不同的制冷溫度改變轉(zhuǎn)速。另外，在蒸發(fā)器工作時(shí)，客艙內(nèi)空氣中的水分會(huì)在蒸發(fā)器的管路上冷凝成液態(tài)水，從而起到除去空氣中水分的作用。利用這個(gè)特點(diǎn)，蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)也可用于飛機(jī)駕駛艙風(fēng)擋的除霧。

4）膨脹閥

膨脹閥是制冷系統(tǒng)中高低壓制冷劑的分界點(diǎn)，從冷凝器出來(lái)的低溫、高壓液體經(jīng)過(guò)膨脹閥后，變?yōu)榈蜏?、低壓霧狀液體，再進(jìn)入蒸發(fā)器中。在制冷系統(tǒng)工作時(shí)，由于制冷劑的熱負(fù)荷以及壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速一直在變化，為了保持座艙內(nèi)溫度穩(wěn)定及有效地制冷，膨脹閥需要自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷劑的流量，從而完成制冷循環(huán)（見(jiàn)圖2）。膨脹閥通過(guò)內(nèi)部的感溫包來(lái)感受蒸發(fā)器出口制冷劑的溫度，感溫包和毛細(xì)管內(nèi)部制冷劑隨著不同的溫度而熱脹冷縮，從而改變其壓力。制冷劑的壓力通過(guò)膜片間接作用在節(jié)流閥的閥芯上，通過(guò)與作用在節(jié)流閥閥芯下部的熱力彈簧的彈力進(jìn)行比較，控制節(jié)流閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷劑流量的精準(zhǔn)控制。

5）干燥過(guò)濾器

干燥過(guò)濾器的作用是干燥和過(guò)濾系統(tǒng)中存在的水分及雜質(zhì)，保證制冷劑的干燥與清潔。干燥過(guò)濾器安裝在冷凝器的后面，處于系統(tǒng)的高壓管路中，因此一般選用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高的鋼制殼體，其內(nèi)部裝有豎管、過(guò)濾器和干燥裝置。為了方便觀察制冷劑的添加量，還會(huì)安裝透明的觀察窗。在制冷系統(tǒng)中，不可避免地存在水分，水分會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油和制冷劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，制冷劑分解出酸，腐蝕壓縮機(jī)部件；當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)溫度較低時(shí)，水會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)冰，阻礙制冷劑在系統(tǒng)內(nèi)部的循環(huán)流動(dòng)。除此之外，制冷系統(tǒng)在生產(chǎn)制造過(guò)程中，其內(nèi)部管路還存在一些微量碎屑或由于填充的制冷劑不干凈而帶入一些異物。當(dāng)這些雜質(zhì)在制冷劑的循環(huán)流動(dòng)下被聚集到一起時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)臟堵，影響制冷效率。因此，干燥過(guò)濾器中都會(huì)安裝過(guò)濾裝置，以過(guò)濾系統(tǒng)中的雜質(zhì)。由于制冷負(fù)荷以及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)常發(fā)生變化，干燥過(guò)濾器就起到了臨時(shí)存放液態(tài)制冷劑、調(diào)節(jié)系統(tǒng)制冷劑供給的作用。通常，系統(tǒng)在工作初始，受到的熱負(fù)荷比較大，需要制冷劑的量較多，此時(shí)干燥過(guò)濾器中的液態(tài)制冷劑就能及時(shí)補(bǔ)充進(jìn)系統(tǒng)中并參加制冷循環(huán)；系統(tǒng)工作一段時(shí)間，熱負(fù)荷降低，需要的制冷制也相應(yīng)減少，多余的制冷劑暫時(shí)以液態(tài)形式存放在干燥過(guò)濾器中。此外，當(dāng)系統(tǒng)中的制冷器有少許泄漏時(shí)，干燥過(guò)濾器也能起到給系統(tǒng)補(bǔ)充制冷劑的作用，以保證系統(tǒng)的正常工作。

2 日常維護(hù)及注意事項(xiàng)

由于蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)對(duì)整體密封性的要求很高，加上飛機(jī)座艙內(nèi)高溫、密閉等極端環(huán)境會(huì)對(duì)其造成額外負(fù)載，容易出現(xiàn)制冷劑泄漏、部件磨損等狀況，因此需要對(duì)其進(jìn)行日常的維護(hù)檢查。

2.1 日常維護(hù)

蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的日常維護(hù)工作主要包括：對(duì)蒸發(fā)器濾網(wǎng)的清潔、壓縮機(jī)電機(jī)的檢查、皮帶張力的調(diào)整等。另外，干燥過(guò)濾器也需要定期更換，這是由于制冷劑R134a溶水性較高，即使遇到少量水分，在潤(rùn)滑油的作用下，也會(huì)產(chǎn)生酸、二氧化碳或一氧化碳，對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕或鍍銅。壓縮機(jī)工作時(shí)，其部件之間會(huì)因磨損產(chǎn)生碎屑，在干燥過(guò)濾器的過(guò)濾裝置性能變差后，會(huì)有一些雜質(zhì)流入系統(tǒng)中，堵塞膨脹閥的節(jié)流口。節(jié)流口相對(duì)較細(xì)小，容易被堵塞，堵塞后將導(dǎo)致感溫包對(duì)內(nèi)部制冷劑的熱脹冷縮過(guò)程不敏感，造成膨脹閥對(duì)制冷劑流量的控制不精確、不及時(shí)，使空調(diào)系統(tǒng)制冷效果變差。

2.2 制冷劑的填充

在進(jìn)行上述日常維護(hù)時(shí)，還涉及制冷劑的放泄和填充，因此制冷劑的填充質(zhì)量也是蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)高效、可靠運(yùn)行的重要保障。制冷劑的填充分為放泄、抽真空及填充三個(gè)階段。

1）制冷劑放泄

將系統(tǒng)的高、低壓接頭與充氟設(shè)備相連接，打開(kāi)接頭將制冷劑放泄到充氟設(shè)備中，過(guò)濾收集后循環(huán)利用，避免對(duì)環(huán)境造成污染。在制冷劑放泄過(guò)程中，通常會(huì)有壓縮機(jī)滑油流出，可通過(guò)設(shè)備對(duì)回收的滑油和氟進(jìn)行分離并計(jì)量，以便在填充制冷劑時(shí)向系統(tǒng)補(bǔ)充同體積的滑油。

2）系統(tǒng)的抽真空

完成制冷劑的放泄后，還要將整個(gè)系統(tǒng)抽真空，目的是為了抽出系統(tǒng)中多余的制冷劑、水分及其他雜質(zhì)。抽真空時(shí)，應(yīng)盡可能地延長(zhǎng)抽真空的時(shí)間，這樣能更多地抽出水分或氣體，防止殘存的氣體造成系統(tǒng)壓力異常上升以及水分結(jié)冰后堵塞膨脹閥。完成抽真空后，可以在一定時(shí)間內(nèi)觀察真空度的變化，以此來(lái)判斷有無(wú)滲漏。

3）制冷劑的填充

在確認(rèn)系統(tǒng)沒(méi)有泄漏后才可以進(jìn)行制冷劑的填充。由于制冷劑對(duì)溫度極其敏感，因此在不同的環(huán)境溫度下需要填充的制冷劑的量是不同的。如果制冷劑添加過(guò)多，將增加壓縮機(jī)和電機(jī)的負(fù)載，對(duì)設(shè)備造成損壞；如果添加過(guò)少，會(huì)影響系統(tǒng)的制冷效果。因此，需對(duì)照實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度，確定相應(yīng)的制冷劑的量進(jìn)行填充。填充制冷劑前還需補(bǔ)充壓縮機(jī)滑油，滑油過(guò)少也會(huì)對(duì)壓縮機(jī)的性能造成影響。填充時(shí)，可以通過(guò)觀察窗觀察干燥過(guò)濾器來(lái)判斷制冷劑的量是否充足，如果還有氣泡，便需要繼續(xù)填充制冷劑。

2.3 系統(tǒng)的沖洗

由于壓縮機(jī)工作時(shí)其內(nèi)部不可避免地會(huì)產(chǎn)生碎屑，混合系統(tǒng)中的滑油、制冷劑后便會(huì)堵塞干燥過(guò)濾器、膨脹閥，影響制冷效果。因此，定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行沖洗在一定程度上能恢復(fù)空調(diào)系統(tǒng)的性能。沖洗時(shí)，一般使用干燥的氮?dú)饣驅(qū)Ｓ玫墓苈非逑磩▽?duì)系統(tǒng)管路、冷凝器和蒸發(fā)器繞管的沖洗。進(jìn)行沖洗時(shí)，需要注意保護(hù)隔離膨脹閥，以免沖洗出來(lái)的雜質(zhì)將膨脹閥節(jié)流口堵塞。

3 總結(jié)

雖然應(yīng)用在飛機(jī)上的蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)在原理及工作方式上與家用空調(diào)基本一致，但是由于其使用環(huán)境及工作負(fù)載不同，對(duì)整個(gè)制冷系統(tǒng)性能和維護(hù)的要求會(huì)更高。因此，只有有的放矢地對(duì)蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)每個(gè)部件及階段進(jìn)行維護(hù)，才能提高維護(hù)質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介

趙繼超，工程師，主要從事航空器適航維修與工程研究。

字錦烽，助理工程師，主要從事航空器適航維修與工程研究。

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