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復盛壓縮機過熱故障分析

2014-11-16 12:48:35點擊:

復盛壓縮機故障分析(4)-―過熱
1.引言
壓縮機正常運轉時的發熱量不應該引起過熱。正常的電機發熱、壓縮熱以及摩擦熱在設計壓縮機時均做過認真的考慮,并有相應的冷卻措施。然而在實際使用中,由于超范圍使用、電源不正常、電機過載、制冷劑泄漏、冷凝壓力太高等問題引起的電機高溫、排氣溫度過高、潤滑油焦糊等過熱現象比較常見,并已成為壓縮機常見故障之一。
氣缸排氣溫度是判斷壓縮機是否過熱的重要指標之一。由于測量上的困難,實際應用中是通過測量排氣管表面的溫度(即排氣管溫度)來判斷是否過熱。由于潤滑油到150°C時會變得很稀薄,在175°C左右將開始分解變質,因此氣缸排氣溫度應該控制在150°C以內,而排氣管溫度通常比排氣溫度低10~40°C。因此,如果排氣管溫度超過135°C,一般認為壓縮機已經處于嚴重過熱狀態;而如果排氣溫度低于120°C,壓縮機溫度正常。空調壓縮機和冰箱壓縮機的排氣溫度通常還要低一些。

2.危害
高溫對壓縮機電機和潤滑油具有很大的危害。長時間過熱,不僅會降低電機絕緣性能和可靠性,縮短電機壽命,而且還會降低潤滑油的潤滑能力,甚至引起潤滑油碳化和酸解。
潤滑油碳化后潤滑能力大大降低,將引起曲軸、連桿、活塞、活塞環等嚴重磨損,甚至會出現抱軸、卡缸等堵轉現象以及由堵轉而引起的連桿折斷事故。碳化油還會在閥片和閥板上結碳,引起閥片泄漏和閥片斷裂。潤滑油中的酸性物質會腐蝕繞組漆包線、降低繞組的絕緣性能。酸化潤滑油還會引起鍍銅現象。
實際中,潤滑油碳化總是伴隨著酸解,因而磨損和腐蝕總是行影相隨。磨損產生的細小金屬屑夾雜于潤滑油中,一方面削弱了潤滑油的潤滑作用;另一方面,細小的金屬屑由于磁性而聚集于電機繞組中,構成導電回路。漆包線絕緣層被腐蝕后就可能出現一些微小的裸露點,很容易引起局部放電。如果金屬粒形成導電回路,立即會短路或擊穿,燒毀電機。
活塞環和活塞磨損后還容易引起回油困難和油壓保護器動作。許多半封閉壓縮機是靠負壓回油的,即曲軸箱壓力低于電機腔壓力時回油單向閥會打開,潤滑油就能回到曲軸箱。活塞和活塞環磨損后,高壓氣體會泄漏到曲軸箱,曲軸箱負壓狀態受到破環,造成回油困難。這一問題常表現為:壓縮機油位不斷降低,最后油壓保護器動作,壓縮機停機,停機后油位會慢慢恢復。再次啟動壓縮機后,一切正常,但一段時間后上述現象再次出現。
此外,潤滑油中混雜著細小的鐵屑還會由于抽吸作用而聚集在油泵吸油管的油網外面,造成油網臟堵。

3. 電機過熱
電機過熱是相對于電機的正常工作溫度而言的。電機正常工作溫度不能超過其絕緣等級所對應的最高允許溫度(見下表)。
制冷壓縮機本身并沒有耐熱絕緣等級規定,而電機是有耐熱絕緣等級的(見下表)。然而這個絕緣等級對于壓縮機電機只能是個參考,因為壓縮機電機的使用工況與普通電機的工況有很大差異。
絕緣的熱老化是電氣設備不可避免的現象。絕緣壽命與溫度之間的經驗關系即“10規則”認為,溫度每升高10°C絕緣壽命減半(見下表)。
絕緣等級表
絕緣等級AEBFHC
允許工作溫度(°C)105120130155180220
顯然,電機高溫是非常有害的。壓縮機在設計時已經考慮到電機冷卻,正常工作時不應該出現高溫現象,更不應該出現熱保護停機。熱保護停機的兩個必要條件是溫度超過設定安全限和高溫持續時間超過熱保護系統的響應時間(一般在5分鐘以內)。
電機溫度升高的原因不外乎發熱太多、冷卻不足或二者兼有。
(1)電機發熱量大
供電不正常會引起電機發熱量增大。電壓不穩、電壓太低或太高、電壓不平衡、缺相都屬于電源供電不正常。
啟動電流和堵轉電流是正常電流的4-8倍,因此壓縮機頻繁啟動、連桿抱軸、活塞咬缸、潤滑不足或缺油等問題均會大大增加發熱量。
此外,超范圍使用壓縮機很容易引起電機過熱和損壞,這在冷凍行業時有發生。蒸發溫度每提高10°C,電機負載可增加30%甚至更高,造成小馬拉大車的現象。因此,低溫壓縮機用于中高溫系統、冷庫降溫過程持續時間過長,壓縮機就長時間處于超負荷狀態,對電機的損傷很大,大大降低了電機的可靠性,使電機以后遇到電壓波動、電涌等突發情況時很容易燒毀。
(2)電機冷卻不足
蒸發溫度越低,制冷劑質量流量越小,實際需要的電機功率也就越小。因此將空調壓縮機和中高溫冷凍壓縮機用于低溫時,盡管電機的實際功耗比名義功率減小了很多,但相對于低溫時的實際功率需要和冷卻情況還是太大,電機冷卻很容易出現問題。
此外,制冷劑泄漏量比較大時,回氣冷卻型電機的冷卻也得不到保證。而空冷壓縮機在高溫環境或冷卻風扇故障時的冷卻也是個問題。如果壓縮機配有附加冷卻(如噴液冷卻系統等),應該維持附加冷卻的正常運行。
為防止電機高溫損壞,壓縮機電機都有熱保護器。不同電機的熱保護跳開溫度不盡相同,一般為100~135°C。顯然,熱保護是電機安全的最后防線,出現熱保護停機表明電機嚴重過熱。

4.排氣溫度過高
排氣溫度過熱的原因主要有以下幾種:回氣溫度高、電機加熱量大、壓縮比高、冷凝壓力高、制冷劑選擇不當。

(1)回氣溫度高
回氣溫度高低是相對于蒸發溫度為而言的。為了防止回液,一般回氣管路都要求20°C的回氣過熱度。如果回氣管路保溫不好,過熱度就遠遠超過20°C。
回氣溫度越高,氣缸吸氣溫度和排氣溫度就越高。回氣溫度每升高1°C,排氣溫度將升高1~1.3°C。
(2)電機加熱
對于回氣冷卻型壓縮機,制冷劑蒸氣在流經電機腔時被電機加熱,氣缸吸氣溫度再一次被提高。
電機發熱量受功率和效率影響,而消耗功率與排量、容積效率、工況、摩擦阻力等密切相關。為了使電機熱引起的溫升更為明了,本文推導出如下關系式:
C1 (1-h) Dh 1
Cp COP
DT1 = (1)
這里,DT1和Cp分別代表流經電機腔的制冷劑蒸氣的溫升和比熱;h為電機效率, C1代表被回氣吸收的電機熱比例。環境溫度越高,空氣冷卻越差,C1越接近100%。焓差Dh代表每千克制冷劑制冷量;COP為制冷系數。
式(1)清楚地顯示了溫升與COP之間的關系:COP越小,氣體溫升越大。
對于R22壓縮機,當蒸發溫度從-5°C降低到-40°C時,一般COP會降低4倍,而其他參數變化不大,氣體在電機腔的溫升會增加三四倍。由于氣缸吸氣溫度每升高1°C,排氣溫度可升高1~1.3°C。因此,蒸發溫度從-5°C降低到-40°C,排汽溫度會上升約30~40°C。
回氣冷卻型半封壓縮機,制冷劑在電機腔的溫升范圍大致在15~45°C之間。 空氣冷卻(風冷)型壓縮機中制冷制不經過繞組,因而不存在電機加熱問題。

(3)壓縮比過高
排氣溫度受壓縮比影響很大,壓縮比越大,排氣溫度就越高。降低壓縮比可以明顯降低排氣溫度,具體方法包括提高吸氣壓力和降低排氣壓力。
吸氣壓力由蒸發壓力和吸氣管路阻力決定。提高蒸發溫度,可以有效提高吸氣壓力,迅速降低壓縮比,從而降低排氣溫度。
一些用戶偏面地認為,蒸發溫度越低冷度速度越快,這種想法其實有很多問題。降低蒸發溫度雖然可以增加冷凍溫差,但壓縮機的制冷量卻減小了,因此冷凍速度不一定快。何況蒸發溫度越低,制冷系數就越低,而負荷卻有增加,運轉時間延長,耗電量會增大。
降低回氣管路阻力也可以提高回氣壓力,具體方法包括及時更換臟堵的回氣過濾器、盡可能縮小蒸發管和回氣管路的長度等。
此外,制冷劑不足也是吸氣壓力低的一個因素。制冷劑漏失后要及時補充。
實踐表明,通過提高吸氣壓力來降低排氣溫度,比其他方法更簡單有效。
排氣壓力過高的主要原因是冷凝壓力太高。冷凝器散熱面積不足、積垢、冷卻風量或水量不足、冷卻水或空氣溫度太高等均可導致冷凝壓力過高。選擇合適的冷凝面積、維持充足的冷卻介質流量是非常重要的。
高溫和空調壓縮機設計的運轉壓縮比較低,用于冷凍后壓縮比成倍提高,排氣溫度很高,而冷卻跟不上,造成過熱。因該避免超范圍使用壓縮機,并使壓縮機工作在可能的最小壓比下。在一些低溫系統中,過熱是壓縮機故障的首要原因。

(4)反膨脹與氣體混合
吸氣行程開始后,滯留在氣缸余隙內的高壓氣體會有一個反膨脹過程。反膨脹后氣體壓力恢復到吸氣壓力,用于壓縮這部分氣體而消耗的能量在反膨脹中就損失掉了。余隙越小,一方面反膨脹引起的功耗越小,另一方面吸氣量越大,壓縮機能效比因此大大增加。
反膨脹過程中,氣體與閥板、活塞頂部和氣缸頂部的高溫面接觸吸熱,因而反膨脹結束時氣體溫度不會降低到吸氣溫度。
反膨脹結束后,正真的吸氣過程才開始。氣體進入氣缸后一方面與反膨脹氣體混合,溫度升高;另一方面,混合氣體從壁面上吸熱升溫。因此壓縮過程開始時的氣體溫度比吸氣溫度高。但由于反膨脹過程和吸氣過程非常短暫,實際的溫升很非常有限,一般不足5°C。
反膨脹是由氣缸余隙引起的,是傳統活塞式壓縮機無法回避的缺點。閥板排氣孔中的氣體排不出,就會有反膨脹。
谷輪公司的專利碟型閥板的排氣閥片非常特殊,可以消滅排氣孔余隙和氣體滯留,從根本上控制了反膨脹。從發明至今,碟閥壓縮機一直保持著效率最高的記錄。

(5)壓縮溫升與制冷劑種類
不同的制冷劑的熱物理性質不同,經歷同樣的壓縮過程后排氣溫度升高量不同。因此對于不同的制冷溫度,應該選用不同的制冷劑。圖1-3顯示了冷凝溫度為50°C、回氣過熱度20°C時不同制冷劑的絕熱壓縮引起的溫度升高值。
由圖可見,R404A與R502的絕熱壓縮溫升比R22和R410A低大約20~40°C。由圖可見,當蒸發溫度低于-30°C后,R22和R410A的壓縮溫升會超過130°C,考慮到20°C的回氣過熱度和30°C的電機加熱,理論排氣溫度將超過150°C,需要附加冷卻。對于蒸發溫度在0°C以上(比如空調)來說,排氣溫度不應該超過110°C,不存在過熱問題。

5. 結論與建議
壓縮機在使用范圍內正常運轉不應該有電機高溫和排汽溫度過高等過熱現象。壓縮機過熱是一個重要的故障信號,表明制冷系統存在較嚴重的問題,或者壓縮機的使用和維護不當。
如果壓縮機過熱的根源在于制冷系統,只能從改進制冷系統設計和維護方面著手解決問題。換一臺新壓縮機上去不能從根本上消除過熱問題。