某船空調(diào)器的故障分析及改造實(shí)例

姜良優(yōu)，劉長(zhǎng)杰，宋永真

（中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266000）

船舶空調(diào)除某些特殊艙室要求恒溫恒濕外，一般屬于舒適空調(diào)的范疇，為船上人員提供一個(gè)舒適的生活和工作環(huán)境?？照{(diào)效果的好壞直接影響船上人員的工作及精神狀態(tài)。船用空調(diào)總的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是不僅要適應(yīng)海上潮濕、霉菌、鹽霧等極端環(huán)境，而且要適應(yīng)艦船搖擺、傾斜等不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，還要考慮設(shè)備的可靠性和可維修性。船舶空調(diào)系統(tǒng)按空調(diào)器與空調(diào)艙室的布置關(guān)系，主要分為三類：集中式、半集中式和分散式系統(tǒng)，其中集中式空調(diào)系統(tǒng)最常用?？照{(diào)器是船用集中式空調(diào)系統(tǒng)的核心設(shè)備，是全年使用的機(jī)械設(shè)備，夏季供冷風(fēng)、冬季供暖風(fēng)、中間季節(jié)單純通風(fēng)。夏季高溫高濕多雨（熱雨同期）的氣候特點(diǎn)，給船舶空調(diào)帶來了極大的挑戰(zhàn)，特別是應(yīng)用在船上人員來回穿梭于室內(nèi)室外之間的工程船或科考船的空調(diào)。作者分享了兩例船舶空調(diào)系統(tǒng)中空調(diào)器的故障分析及改造實(shí)例，供同人參考。

1 空調(diào)器的基本結(jié)構(gòu)

某船空調(diào)系統(tǒng)采用TMU(W)-6 型間接式空調(diào)器，其型式為吸入式、間接冷卻、熱水加熱、濕膜加濕、風(fēng)機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，適用于單管無再熱的空調(diào)系統(tǒng)?？照{(diào)器主要由進(jìn)風(fēng)箱、空氣過濾器、熱交換器（空氣冷卻/加熱器）、擋水器、濕膜加濕器、離心通風(fēng)機(jī)、船用電機(jī)、減震器、出風(fēng)靜壓箱、電氣控制箱、冷媒水管系、加濕管系、各類調(diào)節(jié)閥及控制器等組成，見圖1。所有的熱濕交換空氣處理集中在空調(diào)器內(nèi)完成，處理好的空氣通過風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、末端布風(fēng)器送往船舶各個(gè)艙室。每個(gè)艙室的送風(fēng)量可以通過布風(fēng)器手動(dòng)調(diào)節(jié)。制冷工況時(shí)，空調(diào)器內(nèi)的冷凝水通過U 型彎排到空調(diào)機(jī)房的排水孔內(nèi)。

圖1 TMU(W)-6 船用間接式空調(diào)器系統(tǒng)原理圖

2 改造實(shí)例一

2.1 故障現(xiàn)象

空調(diào)制冷工況時(shí)，空調(diào)啟動(dòng)一段時(shí)間后，多個(gè)艙室內(nèi)布風(fēng)器處出現(xiàn)大量水霧或水滴，嚴(yán)重時(shí)大量水滴隨供風(fēng)噴出。

2.2 故障查找

艙室內(nèi)布風(fēng)器處出現(xiàn)大量水滴的原因有：①室內(nèi)環(huán)境悶熱，空氣濕度較大，空氣的露點(diǎn)溫度較高。當(dāng)空調(diào)末端送風(fēng)溫度低于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度，空調(diào)末端與室內(nèi)空氣進(jìn)行換熱時(shí)，水蒸氣在空調(diào)末端出風(fēng)口處析出而形成結(jié)露、冷凝水；②擋水器變形、松動(dòng)、掉落或擋水板表面臟堵，擋水效果變差。冷凝水滴穿過擋水器來到風(fēng)機(jī)風(fēng)輪內(nèi)部，被風(fēng)機(jī)葉片甩至風(fēng)道，隨供風(fēng)到達(dá)布風(fēng)器進(jìn)入艙室；③空調(diào)器內(nèi)表冷器的冷媒水水管或加濕器供水管泄露，漏水進(jìn)入風(fēng)輪內(nèi)；④凝水盤泄水孔堵塞，凝水不能及時(shí)排出。當(dāng)冷凝水水位達(dá)到一定高度時(shí)，再加上船舶搖擺的影響，凝水盤內(nèi)部分冷凝水濺到風(fēng)輪內(nèi)部；⑤風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，空調(diào)器內(nèi)形成負(fù)壓，在負(fù)壓的作用下，很多凝水無法排出，當(dāng)冷凝水水位積存到一定高度，再加上船舶搖擺的影響，凝水盤內(nèi)部分冷凝水濺到風(fēng)輪內(nèi)部。

第①項(xiàng)一般出現(xiàn)在空調(diào)剛開機(jī)時(shí)，是一種正?，F(xiàn)象，表示空調(diào)制冷效果好?？照{(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，現(xiàn)象就會(huì)消失，排除①。檢查空調(diào)系統(tǒng)冷媒水狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)其工作壓力穩(wěn)定，水量正常，打開空調(diào)器道門內(nèi)部檢查，未發(fā)現(xiàn)表冷器、加濕器水管有滴漏現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)擋水器變形、掉落、松動(dòng)現(xiàn)象，未見擋水器表面臟堵，排除②、③；打開空調(diào)器機(jī)箱道門的瞬間，凝水盤內(nèi)凝水開始從泄水口流出，打開泄水管路檢查未發(fā)現(xiàn)臟堵，排除④。

對(duì)第⑤項(xiàng)重點(diǎn)檢查，當(dāng)剛停止風(fēng)機(jī)打開機(jī)箱道門時(shí)，道門有明顯的吸入感，說明空調(diào)器箱體內(nèi)部有不小的負(fù)壓。開門瞬間凝水盤內(nèi)部留存凝水很多，液位較高。當(dāng)負(fù)壓被打破，冷凝水便會(huì)從泄水口泄出。確認(rèn)⑤為故障原因。

2.3 故障分析

空調(diào)制冷時(shí)，冷水機(jī)組的冷媒水經(jīng)冷媒水管系進(jìn)入空氣冷卻器后，空氣通過空氣冷卻器是進(jìn)行濕熱交換。濕熱交換過程中，室外新風(fēng)(或混合風(fēng))含的水蒸氣在表冷器壁面析出而結(jié)露，形成大量冷凝水并聚集在空調(diào)器底部的凝水盤內(nèi)。雖然空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)外余壓值符合技術(shù)規(guī)格要求，但是空調(diào)器內(nèi)形成負(fù)壓很難避免。如何讓凝水盤內(nèi)凝水及時(shí)排除，防止濺入離心風(fēng)機(jī)風(fēng)輪內(nèi)才是解決問題的關(guān)鍵。

2.4 改造方案

（1）在凝水盤底部加裝下沉式凝水井，并加裝潛水泵、液位自動(dòng)控制等裝置實(shí)現(xiàn)冷凝水自動(dòng)排放。讓冷凝水無法積存，就無法濺入風(fēng)機(jī)風(fēng)輪內(nèi)。由于該船空調(diào)器下面是燃油艙，所以此方案施工改造難度較大，可行性不高，非最優(yōu)方案，排除。

（2）整體抬高風(fēng)機(jī)高度。當(dāng)冷凝水積存到一定高度，其重力大于空調(diào)器內(nèi)負(fù)壓就會(huì)流出，液位不再增加就不會(huì)濺入風(fēng)機(jī)風(fēng)輪內(nèi)。此方案不僅需要整體加高空調(diào)器和各風(fēng)管高度，施工難度較大，成本較高；而且空調(diào)器內(nèi)部空間的加大勢(shì)必影響內(nèi)部氣流方向，降低空調(diào)制冷效果，排除此方案。

（3）該船中央空調(diào)系統(tǒng)有1 號(hào)、2 號(hào)兩個(gè)空調(diào)器共用1 套中央冷水機(jī)組。當(dāng)只有一個(gè)空調(diào)器內(nèi)風(fēng)機(jī)停止，不會(huì)引起中央冷水機(jī)組故障（例如壓縮機(jī)停機(jī)、冷媒水泵停止等）及空調(diào)系統(tǒng)報(bào)警。在兩臺(tái)風(fēng)機(jī)控制箱內(nèi)分別加裝循環(huán)時(shí)間控制器KT1、兩位轉(zhuǎn)換開關(guān)SA3，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)只在制冷工況下定時(shí)循環(huán)啟停，控制箱電氣原理改造前后對(duì)比見圖2。風(fēng)機(jī)短暫停止的時(shí)間里，空凋器內(nèi)負(fù)壓被破壞，冷凝水流出，然后風(fēng)機(jī)自動(dòng)開啟運(yùn)行（例如：運(yùn)行60min，停止3min，時(shí)間可以根據(jù)空調(diào)冷凝水的產(chǎn)量及流出速度進(jìn)行自主設(shè)定）。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)大于停止時(shí)間，這種情況不會(huì)對(duì)空調(diào)制冷效果造成太大影響。通過設(shè)定循環(huán)時(shí)間繼電器的通斷時(shí)間，把兩個(gè)空調(diào)器風(fēng)機(jī)的停機(jī)時(shí)段錯(cuò)開，避免同時(shí)停止導(dǎo)致中央冷水機(jī)組故障。確定此改造方案，改造前、后風(fēng)機(jī)啟停操作步驟略有不同如表1，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的其他操作不變。

圖2 風(fēng)機(jī)控制箱電氣原理改造前后對(duì)比圖

表1 改造前后風(fēng)機(jī)啟停操作對(duì)照表

3 改造實(shí)例二

3.1 故障現(xiàn)象

空調(diào)制冷工況時(shí)，空調(diào)風(fēng)機(jī)電機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)絕緣值低故障。

3.2 故障查找

空調(diào)風(fēng)機(jī)電機(jī)出現(xiàn)絕緣值低原因有：①電機(jī)接線盒內(nèi)引線端子處絕緣保護(hù)套損毀，引起絕緣不良；②電機(jī)繞組老化、臟污，造成絕緣阻值低；③電機(jī)軸承損壞，轉(zhuǎn)子軸偏離發(fā)生掃堂現(xiàn)象，造成絕緣值低；④電機(jī)工作環(huán)境濕度太大，電機(jī)內(nèi)部空氣與環(huán)境空氣難免發(fā)生少量交換，電機(jī)繞組發(fā)熱帶來的濕潤(rùn)熱空氣接觸接線盒和電源線等低溫部件時(shí)就會(huì)在其表面形成結(jié)露、凝水，引起絕緣值低故障。

拆檢電機(jī)發(fā)現(xiàn)，接線盒內(nèi)引線端子絕緣保護(hù)套完好；定子繞組沒有明顯臟污老化現(xiàn)象；軸承完好，電機(jī)內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)掃堂現(xiàn)象；接線盒內(nèi)未發(fā)現(xiàn)結(jié)露，但是電機(jī)內(nèi)部底部有凝水出現(xiàn)。排除①、②、③項(xiàng)，確定第④項(xiàng)為故障原因。清洗電機(jī)內(nèi)部，烘干除潮后，重新安裝電機(jī)，恢復(fù)正常使用。故障修復(fù)后，使用2-3 周，又出現(xiàn)同樣的故障。

3.3 故障分析

電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)露，不僅會(huì)造成電機(jī)內(nèi)部零件的腐蝕破壞，下降電機(jī)的絕緣指數(shù)，而且會(huì)影響電機(jī)的安全運(yùn)行及使用壽命，尤其是防護(hù)等級(jí)IP55 及以上的電機(jī)。降低電機(jī)內(nèi)部結(jié)露現(xiàn)象是凝露行業(yè)的一大難題。該風(fēng)機(jī)電機(jī)防護(hù)等級(jí)為IP56，絕緣等級(jí)為 F 級(jí)，電機(jī)機(jī)殼內(nèi)外表面噴涂有隔熱層，電機(jī)接線盒蓋內(nèi)部加裝了隔熱墊，用以降低熱傳導(dǎo)差異引起的電機(jī)內(nèi)部結(jié)露。同時(shí)電機(jī)輸出軸和前端蓋之間加裝了骨架密封用以加強(qiáng)電機(jī)各個(gè)零件的氣密性，減少電機(jī)內(nèi)外的空氣交換來降低電機(jī)內(nèi)部結(jié)露。

雖然該風(fēng)機(jī)電機(jī)防護(hù)等級(jí)較高，電機(jī)輸出軸和前端蓋之間已經(jīng)加裝骨架密封，但是電機(jī)工作環(huán)境濕度太大，機(jī)殼內(nèi)外溫差較大，風(fēng)機(jī)電機(jī)極易結(jié)露。這才是夏季空調(diào)制冷工況時(shí)，空調(diào)風(fēng)機(jī)電機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)絕緣值低故障根本原因。

3.4 改造方案

（1）換用防護(hù)等級(jí)、氣密性更高的電機(jī)。這樣的電機(jī)生產(chǎn)工藝的難度高，制造成本高。目前，凝露行業(yè)沒法完全杜絕，只能相對(duì)降低。電機(jī)的防護(hù)等級(jí)越高，一旦出現(xiàn)結(jié)露，結(jié)露對(duì)其影響也大。此方案非最優(yōu)方案，排除。

（2）該風(fēng)機(jī)為直接連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)，非皮帶連接驅(qū)動(dòng)。可在空調(diào)器內(nèi)加裝電機(jī)隔離艙室，把電機(jī)從潮濕的環(huán)境中隔離出來，隔離艙室加裝前、后效果對(duì)比見圖3。利用電機(jī)底座面和風(fēng)輪與電機(jī)的連接面，在電機(jī)上方加裝拱型罩，為電機(jī)制作一個(gè)臥式的拱型袋狀艙室。把空調(diào)器箱體的一面挖個(gè)與拱型袋狀艙口相同的洞，洞口即拱型袋狀艙室的電機(jī)冷卻通風(fēng)口。拱型袋狀艙室零件連接處做密封處理后，電機(jī)就被該隔離艙室從空調(diào)器中隔離出來。電機(jī)工作環(huán)境變得干燥，電機(jī)內(nèi)外溫差也減小，結(jié)露現(xiàn)象得到充分改善，結(jié)露引起的電機(jī)絕緣故障得到解決?？梢园压靶驼肿龀蓮较騼刹糠纸M成，用卡扣或螺栓連接，電機(jī)檢修時(shí)便于拆卸。拱型罩外側(cè)粘貼隔熱層，防止隔離艙內(nèi)側(cè)結(jié)露。電機(jī)自身風(fēng)扇的罩殼適當(dāng)加長(zhǎng)，改善改造后的自身冷卻效果。此方案最優(yōu)。

圖3 電機(jī)隔離艙加裝前后對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

兩個(gè)故障現(xiàn)象都不是空調(diào)系統(tǒng)的常見故障，已按文中最優(yōu)方案改造解決?？v觀故障排查、分析、改造、解決的過程，設(shè)備管理者既有不解決故障不罷休的執(zhí)著精神，又有抓住故障根源開拓解決思路的創(chuàng)新精神，非常值得學(xué)習(xí)借鑒。機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障或設(shè)計(jì)缺陷在所難免，管理者或設(shè)計(jì)者找出導(dǎo)致設(shè)備故障或設(shè)計(jì)缺陷的根本原因至關(guān)重要，只有不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，才能促進(jìn)設(shè)備應(yīng)用或研發(fā)的技術(shù)革新。現(xiàn)在新型船舶空調(diào)器的風(fēng)機(jī)多為變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用中壓低噪聲離心風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制，通過自動(dòng)和手動(dòng)分檔控制風(fēng)量和機(jī)外余壓，滿足不同季節(jié)、不同艙室的使用要求，提高了空調(diào)系統(tǒng)使用效率，達(dá)到空調(diào)裝置降噪、節(jié)能的目的。