制冷设备中压缩机的常见现象-液锤
液体制冷剂和/或润滑油随气体吸入压缩机气缸时损坏吸入阀板的现象,以及液体制冷剂和/或润滑油进入气缸后在排气过程中没有迅速排出的现象,当活塞接近上止点时,活塞被压缩时产生的瞬时高液压通常被称为液锤。液锤能在很短的时间内对压缩件(如阀板、活塞、连杆、曲轴、活塞销等)造成损伤,是往复式压缩机的致命杀手。减少或避免液体进入钢瓶,可以防止液锤的发生,从而完全避免液锤的发生。
一般来说,液锤可分为两个部分或过程。首先,当更多的液态制冷剂、润滑油或二者的混合物以较高的速度吸入进入压缩机气缸时,由于液体的冲击和不可压缩性,会导致吸入阀板过度弯曲或断裂;其次,当气缸中的液体没有蒸发和排出时随着时间的推移被活塞压缩,瞬间的巨大压力会引起承载部件的变形和损坏。这些受力部件包括进排气阀板、阀板、阀板垫片、活塞(顶)、活塞销、连杆、曲轴、轴瓦等。
液体的密度是气体的几十倍甚至几百倍,所以液体流动的动量比气体大得多,冲击力也大得多。当吸入液滴较多时,流动为两相流。两相流对吸力阀板的冲击不仅强烈而且频率高,就像台风夹杂着卵石撞击玻璃窗一样,其破坏性不言而喻。吸入阀的断裂是液击的典型特征和过程之一。
如果液体没有及时从气缸中蒸发和排出,活塞会在接近上止点时压缩液体。由于时间较短,压缩液体的过程似乎受到冲击,气缸盖会有金属敲击声。压缩液体是液体锤的另一部分或过程。液体打击瞬间产生的高压具有很大的破环性能。除了人们初熟悉的连杆弯曲甚至断裂外,其他压缩应力零件(阀板、阀板垫片、曲轴、活塞、活塞销等)也会变形或损坏,但往往被忽略或与排气压力高混淆。当压缩机检修时,很容易找到弯曲或断开的连杆并更换它,但忘记检查其他零件是否变形或损坏,从而为以后的故障打下基础。
液压锤引起的连杆断裂与抱轴、咬缸引起的连杆断裂是有区别的。首先,由液压锤引起的连杆弯曲或断裂是在短时间内发生的。连杆两端的活塞和曲轴运动自如,一般不存在严重磨损引起的抱轴或咬缸现象。虽然吸入阀的碎屑在吸入阀破裂后偶尔会在活塞和气缸表面造成严重的划痕,但表面划痕与润滑失效引起的磨损有很大不同。其次,液压锤引起的连杆断裂是由压力引起的,连杆和短茬具有挤压特性。虽然活塞咬住气缸后连杆可能会断裂和挤压,但前提是活塞必须卡在气缸中。固定轴后连杆的断裂情况更是不同。连杆大端和曲轴磨损严重。引起断裂的力属于剪切力,留茬也不同。在抱轴咬缸前,电机过载,电机发热严重,热保护器动作。
一般来说,回液是指压缩机运行时,蒸发器中的液态制冷剂通过吸入管路返回压缩机的现象或过程。
对于带膨胀阀的制冷系统,回液与膨胀阀的选择和使用不当密切相关。膨胀阀选型过大、过热度设定值过小、感温包安装方法不正确、保温包损坏、膨胀阀失效等都可能引起回液。对于带有毛细管的小型制冷系统,过多的液体会导致液体回流。
该系统采用热风除霜,容易产生液体回流。无论是四通阀用于热泵运行还是热气旁路阀用于制冷运行,热气除霜后蒸发器内都会形成大量的液体,这些液体可能在后续制冷运行开始时返回压缩机。
另外,当蒸发器结霜严重或风机故障时,传热变差,未蒸发的液体会导致液体回流。冷库温度的频繁波动也会导致膨胀阀反应失效和回液失效。
回液引起的液锤事故多发生在风冷(风冷或风冷)半封闭式压缩机和单级、两级压缩机中,由于这些压缩机的气缸与回气管直接相连,一旦回液,很容易引起液锤事故。即使没有造成液锤,进入气缸的回流液也会稀释或冲刷活塞和气缸壁上的润滑油,加剧活塞磨损。
对于回气(制冷剂蒸汽)冷却的半封闭和全封闭压缩机,回液很少引起液锤。但是,曲轴箱中的润滑油将被稀释。含有大量液态制冷剂的润滑油粘度低,不能在摩擦表面形成足够的油膜,导致运动部件快速磨损。另外,润滑油中的制冷剂在运输过程中遇热会沸腾,影响润滑油的正常运输。离泵越远,问题就越严重。如果电机端轴承磨损严重,曲轴可能会偏向一侧,容易导致定子扫线和电机烧损。
显然,回流液不仅会引起液锤,还会稀释润滑油引起磨损。电动机磨损时,其负载和电流将大大增加,久而久之会导致电动机故障。
对于难以避免回液的制冷系统,安装气液分离器和采用抽空停车控制可以有效地防止或减少回液的危害。
回风冷却压缩机启动时,曲轴箱内的润滑油剧烈起泡,称为液体启动。在油视镜上可以清楚地观察到液体启动时的起泡现象。液体启动的根本原因是,当压力骤降时,大量制冷剂溶解在润滑油中并沉入润滑油下突然沸腾,造成润滑油起泡现象。这种现象与人们日常生活中突然打开可乐瓶时的起泡现象非常相似。发泡的持续时间与制冷剂的量有关,通常为几分钟或更长时间。很多气泡漂浮在机油表面,甚至充满曲轴箱。一旦通过进气口吸入气缸,泡沫就会变成液体(润滑油和制冷剂的混合物)。显然,液体启动引起的液锤只发生在启动过程中。
与回油不同,导致带液启动的制冷剂以“制冷剂迁移”的方式进入曲轴箱。制冷剂迁移是指压缩机停止运行时,蒸发器中的制冷剂通过回油管以气体的形式进入压缩机,被润滑油吸收,或在压缩机中冷凝后与润滑油混合的过程或现象。
当压缩机关闭时,温度将降低,压力将升高。由于润滑油中制冷剂蒸汽分压较低,会吸收油面上的制冷剂蒸汽,导致曲轴箱气压低于蒸发器气压的现象。油温越低,蒸汽压力越低,制冷剂蒸汽的吸收量越大。蒸发器中的蒸汽将缓慢“迁移”到曲轴箱。此外,如果压缩机在室外、寒冷天气或夜间,其温度往往低于室内蒸发器,曲轴箱内的压力也很低,制冷剂输送到压缩机后容易冷凝成润滑油。
制冷剂迁移是一个非常缓慢的过程。压缩机关闭的时间越长,输送到油中的制冷剂就越多。只要蒸发器中有液态制冷剂,就会执行此过程。因为溶解制冷剂的润滑剂比较重,它会沉在曲轴箱的底部,漂浮在上面的润滑剂可以吸收更多的制冷剂。
除易引起液锤外,制冷剂的迁移还会稀释润滑油。很薄的润滑油被泵送到每个摩擦表面后,可能会冲掉原来的油膜,造成严重磨损(这种现象通常称为制冷剂冲洗)。过大的磨损会增大配合间隙,造成漏油,影响远处零件的润滑,甚至引起油压保护器的动作。
由于结构原因,空冷压缩机启动时曲轴箱压力下降得慢得多,起泡现象也不是很严重。泡沫很难进入钢瓶。因此,空冷压缩机不存在液体吹出的问题。
理论上,在压缩机上安装曲轴箱加热器(电加热器)可以有效防止制冷剂的迁移。短期停机(如夜间)后,保持曲轴箱加热器通电,可使润滑油温度略高于系统其它部位,不发生制冷剂迁移。在长期停机(如冬季)后,在启动前将润滑油加热几个小时或更长时间,这会使润滑油中的大部分制冷剂蒸发。它不仅可以大大降低液体起动时产生液锤的可能性,而且还可以减少制冷剂冲洗造成的危险。但在实际应用中,加热器在停机后很难维持供电或在启动前10小时向加热器供电。因此,曲轴箱加热器的实际效果将大大降低。
对于较大的系统,通过让压缩机干燥蒸发器中的液态制冷剂(称为排空关闭),可以从根本上避免制冷剂的迁移。安装在回流管上的气液分离器可以增加制冷剂的迁移阻力,减少迁移量。
当然,通过改进压缩机结构,可以防止制冷剂的迁移,减缓润滑油的起泡程度。通过改进回风冷却压缩机的回油通道,在电机室和曲轴箱的通道上加一个液位(回油泵),停机后切断通道,制冷剂不能进入曲轴腔。减小进气和曲轴箱之间的横截面可以减缓发动机起动时曲轴箱的压力降,从而控制气泡的程度和进入气缸的泡沫量。
半封闭式压缩机通常有观察油位的油视镜。机油油位高于机油观察窗的范围,表明机油过多。如果油位过高,高速旋转的曲轴和连杆大端经常会碰到油面,造成大量润滑油飞溅。飞溅的润滑油一旦进入进气口进入气缸,就可能引起液锤。
大型制冷系统在安装调试过程中,经常需要适当补充润滑油。但对于回油不良的系统,盲目查找影响回油和补充润滑油的根本原因是危险的。即使暂时油位不高,也要注意大量润滑油突然回流(如除霜后)时可能造成的危险。润滑油引起的液锤现象并不少见。
液锤是压缩机常见故障之一。液锤的出现表明系统或维护中一定存在问题,需要纠正。仔细观察和分析系统的设计、施工和维护,不难发现液锤的根本原因。与其从根本上防止液锤,不如简单地用新的压缩机修理或更换故障压缩机,只会使液锤再次发生。