鄭仲金

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007)

某船往返我國(guó)與東南亞地區(qū)進(jìn)行不定線航行，其伙食冷庫(kù)制冷系統(tǒng)采用R22制冷劑，配備2臺(tái)無(wú)能量卸載機(jī)構(gòu)的制冷壓縮機(jī)(互為備用)，作用于2個(gè)冷庫(kù)，分別是庫(kù)溫為4～6 ℃的菜庫(kù)和庫(kù)溫為-18～-16 ℃的魚、肉庫(kù)。某日，該船航經(jīng)北方海域，大管輪根據(jù)大廚的報(bào)告，檢查后發(fā)現(xiàn)：菜庫(kù)溫度正常，而低溫庫(kù)溫度偏高(-5 ℃左右)，蒸發(fā)器后部霜層融化。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，制冷壓縮機(jī)啟停頻繁，其工作時(shí)排出壓力表顯示0.65 MPa，低壓繼電器工作正常(低壓斷開時(shí)表壓力0.05 MPa，低壓接通時(shí)表壓力0.15 MPa);換用另一臺(tái)壓縮機(jī)工作，情況沒有得到改善。

通過參照制冷循環(huán)壓-焓圖，并結(jié)合船舶伙食冷庫(kù)的制冷循環(huán)原理，可進(jìn)行故障的排除。船舶伙食冷庫(kù)的制冷循環(huán)原理和進(jìn)行故障排除及預(yù)判性管理的方法如下。

1 逆卡諾循環(huán)

逆卡諾循環(huán)是一個(gè)在定溫?zé)嵩粗g的可逆循環(huán)，由絕熱壓縮過程、等溫壓縮過程、絕熱膨脹過程、等溫膨脹過程組成。根據(jù)熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律證明，在一定的溫度條件下，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)可以達(dá)到最大。逆卡諾循環(huán)(1-2-3-4-1)的溫-熵圖(T-S示意圖)，如圖1所示。

圖1 逆卡諾循環(huán)的T-S示意圖

進(jìn)入濕蒸氣區(qū)的逆卡諾循環(huán)(1-2-3-4-1)的T-S示意圖如圖2所示。圖1、圖2中，T為溫度，S為比熵。圖2的過程中，等溫壓縮機(jī)、等溫膨脹機(jī)被調(diào)整為等溫?fù)Q熱器(等溫冷凝器、等溫蒸發(fā)器)。

圖2 進(jìn)入濕蒸氣區(qū)的逆卡諾循環(huán)T-S示意圖

2 理論制冷循環(huán)

理論制冷循環(huán)(1′-2′-3-4′-1′)的T-S示意圖如圖3所示。

圖3 理論制冷循環(huán)的T-S示意圖

理論制冷循環(huán)的設(shè)備使用及其過程特點(diǎn)如下。

1)絕熱壓縮機(jī)。壓縮增壓過程為等熵壓縮過程，其中不存在任何不可逆損失。但是，其吸入流體為氣體。

2)等溫冷凝器調(diào)整為等壓冷凝器。制冷劑的放熱是在有溫差的條件下進(jìn)行等壓放熱的。

3)絕熱膨脹機(jī)調(diào)整為節(jié)流閥。節(jié)流降壓過程為絕熱節(jié)流過程，并假設(shè)制冷劑液體流過節(jié)流閥時(shí)未作功又無(wú)熱交換，則在節(jié)流閥前后的焓值相等。

4)等溫蒸發(fā)器調(diào)整為等壓蒸發(fā)器。制冷劑的吸熱是在有溫差的條件下進(jìn)行等壓吸熱，同時(shí)，蒸發(fā)器出口的制冷劑為飽和蒸氣，使壓縮機(jī)采用干壓縮，解除了濕壓縮危險(xiǎn)性。

為了更直觀地進(jìn)行熱力分析，把理論制冷循環(huán)(1′-2′-3-4′-1′)的示意圖調(diào)整在壓-焓圖(p-h示意圖)上表示。理論制冷循環(huán)的p-h示意圖如圖4所示，圖4中，p為壓力，h為焓值。

圖4 理論制冷循環(huán)的p-h示意圖

3 簡(jiǎn)化的實(shí)際制冷循環(huán)

根據(jù)對(duì)實(shí)際制冷裝置的檢測(cè)分析，實(shí)際制冷循環(huán)是非常復(fù)雜的，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①壓縮過程并非等熵過程，而是前期吸熱、后期放熱、熵值增加的過程；②制冷劑在熱交換器和管道中流動(dòng)時(shí)存在流阻而有壓力損失；③節(jié)流過程有吸熱，焓值略有增加；④制冷劑在管道流動(dòng)中有部分熱交換；⑤制冷系統(tǒng)中存在著不凝性氣體。

實(shí)際制冷循環(huán)的p-h示意圖見圖5。實(shí)際制冷循環(huán)的路徑為1′-a-b-c-2″-e-f-g-1′，工程上常將實(shí)際循環(huán)簡(jiǎn)化為1′-2′-3-4′-1′。其中， 1-2′表示熵值增加的壓縮過程(1-2是等熵壓縮過程)。用簡(jiǎn)化的實(shí)際循環(huán)進(jìn)行熱力計(jì)算，其結(jié)果與實(shí)際循環(huán)相近[1]。說(shuō)明簡(jiǎn)化的實(shí)際循環(huán)基本可以替代實(shí)際循環(huán)，作為日常管理的判斷依據(jù)。

圖5 實(shí)際制冷循環(huán)的p-h示意圖

4 預(yù)判性管理

根據(jù)不同制冷劑種類，參照T-S示意圖和p-h示意圖及圖中數(shù)值，結(jié)合壓縮式制冷的理想制冷循環(huán)、理論制冷循環(huán)和實(shí)際制冷循環(huán)的不同特點(diǎn)，輪機(jī)員就很容易判斷制冷系統(tǒng)中制冷劑在不同位置的熱力狀態(tài)和大致的壓力、溫度等參數(shù)，從而判斷伙食冷庫(kù)的工作性能，預(yù)測(cè)其發(fā)生故障的可能性，提前做好保養(yǎng)維修措施。同時(shí)，根據(jù)制冷循環(huán)圖，結(jié)合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，可以判斷制冷壓縮機(jī)與冷凝器、熱力膨脹閥與蒸發(fā)器、蒸發(fā)器與制冷壓縮機(jī)[2]的匹配問題，深度分析制冷系統(tǒng)的性能和故障等。

在船舶伙食冷庫(kù)制冷系統(tǒng)內(nèi)制冷劑的循環(huán)過程中，從節(jié)流閥后至壓縮機(jī)進(jìn)口為系統(tǒng)的低壓部分。因?yàn)槲鼩夤艿牧鲃?dòng)阻力不大，可近似地認(rèn)為蒸發(fā)器中的蒸發(fā)壓力、壓縮機(jī)的吸入壓力(可從壓縮機(jī)吸入壓力表讀得)、低壓系統(tǒng)的壓力相等。蒸發(fā)壓力的大小，主要取決于蒸發(fā)器的單位時(shí)間蒸發(fā)量和壓縮機(jī)的單位時(shí)間吸氣量的動(dòng)態(tài)平衡。

冷庫(kù)溫度降低的同時(shí)，吸氣壓力降低是正常的。但是，本文案例中，伙食冷庫(kù)溫度不降反升，壓縮機(jī)吸氣性能正常，而蒸發(fā)壓力卻降低使低壓繼電器動(dòng)作導(dǎo)致停車。排除低壓繼電器本身故障之后，其原因只有一種可能：蒸發(fā)器的蒸發(fā)量減少了，即在熱負(fù)荷不改變的情況下，蒸發(fā)器的制冷量減少了。排除蒸發(fā)器性能改變的可能性之后，說(shuō)明制冷劑循環(huán)量減少。故障原因有以下3種情況。

1)制冷劑充注量過少。系統(tǒng)中制冷劑不足，這從貯液器的液位可以判斷， 檢查后排除。

2)制冷管路出現(xiàn)堵塞。包括液管上的某個(gè)閥門關(guān)閉，電磁閥失靈未開，低壓管路出現(xiàn)冰塞、臟堵、油堵等情況。檢查后全部排除。

3)熱力膨脹閥調(diào)節(jié)失當(dāng)。①滑油分離器分離效果差導(dǎo)致進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)的滑油過多，使流經(jīng)膨脹閥的制冷劑流量減少，檢查后排除；②熱力膨脹閥安裝不當(dāng)、調(diào)節(jié)過緊或溫包充劑漏失，檢查后排除；③冷凝壓力過低[3]。經(jīng)檢查，制冷壓縮機(jī)啟停頻繁期間，工作時(shí)排出壓力表顯示0.65 MPa，考慮到冷凝器和液管的阻力，進(jìn)入熱力膨脹閥的液體壓力最多只有0.60 MPa左右，而本船伙食冷庫(kù)制冷系統(tǒng)說(shuō)明書推薦的表壓力是1.10 MPa，說(shuō)明數(shù)據(jù)異常。

結(jié)合制冷循環(huán)壓-焓圖可以看出，由于冷凝器的冷凝量與制冷壓縮機(jī)的排氣量不匹配，使冷凝壓力過低，引起熱力膨脹閥調(diào)節(jié)失當(dāng)、制冷劑循環(huán)量減少、蒸發(fā)器的制冷量減少，從而導(dǎo)致庫(kù)溫?zé)o法達(dá)到設(shè)定值。同時(shí)蒸發(fā)器的蒸發(fā)量不足，而壓縮機(jī)的吸氣量又不變，于是吸氣壓力迅速降低，觸發(fā)低壓繼電器斷開動(dòng)作，導(dǎo)致制冷壓縮機(jī)停車。然而，由于低溫庫(kù)庫(kù)溫不符合要求，溫度繼電器控制著電磁閥繼續(xù)向低溫庫(kù)熱力膨脹閥供液，又導(dǎo)致蒸發(fā)器內(nèi)很快充滿了一定壓力的制冷劑蒸氣，觸發(fā)低壓繼電器閉合動(dòng)作導(dǎo)致制冷壓縮機(jī)啟動(dòng)，于是就出現(xiàn)了啟停頻繁的故障。其原因是該船從溫暖海域駛?cè)牒浜Ｓ蜻^程中，沒有預(yù)先調(diào)節(jié)冷卻水量旁通閥開度。開大冷凝器的冷卻水量旁通閥，減少冷卻海水進(jìn)入冷凝器的流量，經(jīng)過短時(shí)間等候和多次微調(diào)，當(dāng)制冷壓縮機(jī)排出壓力升高到1.10 MPa左右后，該故障排除。

綜上所述，結(jié)合制冷循環(huán)壓-焓圖對(duì)熱力狀態(tài)和參數(shù)值進(jìn)行預(yù)判性管理，是保證船舶運(yùn)輸中伙食冷庫(kù)可靠性運(yùn)行的有效管理方法之一。