復(fù)盛壓縮機(jī)過熱故障分析
復(fù)盛壓縮機(jī)故障分析(4)－―過熱
1.引言
壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的發(fā)熱量不應(yīng)該引起過熱。正常的電機(jī)發(fā)熱、壓縮熱以及摩擦熱在設(shè)計(jì)壓縮機(jī)時(shí)均做過認(rèn)真的考慮，并有相應(yīng)的冷卻措施。然而在實(shí)際使用中，由于超范圍使用、電源不正常、電機(jī)過載、制冷劑泄漏、冷凝壓力太高等問題引起的電機(jī)高溫、排氣溫度過高、潤滑油焦糊等過熱現(xiàn)象比較常見，并已成為壓縮機(jī)常見故障之一。
氣缸排氣溫度是判斷壓縮機(jī)是否過熱的重要指標(biāo)之一。由于測(cè)量上的困難，實(shí)際應(yīng)用中是通過測(cè)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(shí)會(huì)變得很稀薄，在175°C左右將開始分解變質(zhì)，因此氣缸排氣溫度應(yīng)該控制在150°C以內(nèi)，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(rèn)為壓縮機(jī)已經(jīng)處于嚴(yán)重過熱狀態(tài)；而如果排氣溫度低于120°C，壓縮機(jī)溫度正常�？照{(diào)壓縮機(jī)和冰箱壓縮機(jī)的排氣溫度通常還要低一些。
2.危害
高溫對(duì)壓縮機(jī)電機(jī)和潤滑油具有很大的危害。長時(shí)間過熱，不僅會(huì)降低電機(jī)絕緣性能和可靠性，縮短電機(jī)壽命，而且還會(huì)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(huán)等嚴(yán)重磨損，甚至?xí)霈F(xiàn)抱軸、卡缸等堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象以及由堵轉(zhuǎn)而引起的連桿折斷事故。碳化油還會(huì)在閥片和閥板上結(jié)碳，引起閥片泄漏和閥片斷裂。潤滑油中的酸性物質(zhì)會(huì)腐蝕繞組漆包線、降低繞組的絕緣性能。酸化潤滑油還會(huì)引起鍍銅現(xiàn)象。
實(shí)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(chǎn)生的細(xì)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(xì)小的金屬屑由于磁性而聚集于電機(jī)繞組中，構(gòu)成導(dǎo)電回路。漆包線絕緣層被腐蝕后就可能出現(xiàn)一些微小的裸露點(diǎn)，很容易引起局部放電。如果金屬粒形成導(dǎo)電回路，立即會(huì)短路或擊穿，燒毀電機(jī)。
活塞環(huán)和活塞磨損后還容易引起回油困難和油壓保護(hù)器動(dòng)作。許多半封閉壓縮機(jī)是靠負(fù)壓回油的，即曲軸箱壓力低于電機(jī)腔壓力時(shí)回油單向閥會(huì)打開，潤滑油就能回到曲軸箱�；钊突钊h(huán)磨損后，高壓氣體會(huì)泄漏到曲軸箱，曲軸箱負(fù)壓狀態(tài)受到破環(huán)，造成回油困難。這一問題常表現(xiàn)為：壓縮機(jī)油位不斷降低，最后油壓保護(hù)器動(dòng)作，壓縮機(jī)停機(jī)，停機(jī)后油位會(huì)慢慢恢復(fù)。再次啟動(dòng)壓縮機(jī)后，一切正常，但一段時(shí)間后上述現(xiàn)象再次出現(xiàn)。
此外，潤滑油中混雜著細(xì)小的鐵屑還會(huì)由于抽吸作用而聚集在油泵吸油管的油網(wǎng)外面，造成油網(wǎng)臟堵。
3. 電機(jī)過熱
電機(jī)過熱是相對(duì)于電機(jī)的正常工作溫度而言的。電機(jī)正常工作溫度不能超過其絕緣等級(jí)所對(duì)應(yīng)的最高允許溫度（見下表）。
制冷壓縮機(jī)本身并沒有耐熱絕緣等級(jí)規(guī)定，而電機(jī)是有耐熱絕緣等級(jí)的（見下表）。然而這個(gè)絕緣等級(jí)對(duì)于壓縮機(jī)電機(jī)只能是個(gè)參考，因?yàn)閴嚎s機(jī)電機(jī)的使用工況與普通電機(jī)的工況有很大差異。
絕緣的熱老化是電氣設(shè)備不可避免的現(xiàn)象。絕緣壽命與溫度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系即“10規(guī)則”認(rèn)為，溫度每升高10°C絕緣壽命減半（見下表）。
絕緣等級(jí)表
絕緣等級(jí)AEBFHC
允許工作溫度(°C)105120130155180220
顯然，電機(jī)高溫是非常有害的。壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到電機(jī)冷卻，正常工作時(shí)不應(yīng)該出現(xiàn)高溫現(xiàn)象，更不應(yīng)該出現(xiàn)熱保護(hù)停機(jī)。熱保護(hù)停機(jī)的兩個(gè)必要條件是溫度超過設(shè)定安全限和高溫持續(xù)時(shí)間超過熱保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間（一般在5分鐘以內(nèi)）。
電機(jī)溫度升高的原因不外乎發(fā)熱太多、冷卻不足或二者兼有。
（1）電機(jī)發(fā)熱量大
供電不正常會(huì)引起電機(jī)發(fā)熱量增大。電壓不穩(wěn)、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(dòng)電流和堵轉(zhuǎn)電流是正常電流的4－8倍，因此壓縮機(jī)頻繁啟動(dòng)、連桿抱軸、活塞咬缸、潤滑不足或缺油等問題均會(huì)大大增加發(fā)熱量。
此外，超范圍使用壓縮機(jī)很容易引起電機(jī)過熱和損壞，這在冷凍行業(yè)時(shí)有發(fā)生。蒸發(fā)溫度每提高10°C，電機(jī)負(fù)載可增加30％甚至更高，造成小馬拉大車的現(xiàn)象。因此，低溫壓縮機(jī)用于中高溫系統(tǒng)、冷庫降溫過程持續(xù)時(shí)間過長，壓縮機(jī)就長時(shí)間處于超負(fù)荷狀態(tài)，對(duì)電機(jī)的損傷很大，大大降低了電機(jī)的可靠性，使電機(jī)以后遇到電壓波動(dòng)、電涌等突發(fā)情況時(shí)很容易燒毀。
（2）電機(jī)冷卻不足
蒸發(fā)溫度越低，制冷劑質(zhì)量流量越小，實(shí)際需要的電機(jī)功率也就越小。因此將空調(diào)壓縮機(jī)和中高溫冷凍壓縮機(jī)用于低溫時(shí)，盡管電機(jī)的實(shí)際功耗比名義功率減小了很多，但相對(duì)于低溫時(shí)的實(shí)際功率需要和冷卻情況還是太大，電機(jī)冷卻很容易出現(xiàn)問題。
此外，制冷劑泄漏量比較大時(shí)，回氣冷卻型電機(jī)的冷卻也得不到保證。而空冷壓縮機(jī)在高溫環(huán)境或冷卻風(fēng)扇故障時(shí)的冷卻也是個(gè)問題。如果壓縮機(jī)配有附加冷卻（如噴液冷卻系統(tǒng)等），應(yīng)該維持附加冷卻的正常運(yùn)行。
為防止電機(jī)高溫?fù)p壞，壓縮機(jī)電機(jī)都有熱保護(hù)器。不同電機(jī)的熱保護(hù)跳開溫度不盡相同，一般為100~135°C。顯然，熱保護(hù)是電機(jī)安全的最后防線，出現(xiàn)熱保護(hù)停機(jī)表明電機(jī)嚴(yán)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(jī)加熱量大、壓縮比高、冷凝壓力高、制冷劑選擇不當(dāng)。
（1）回氣溫度高
回氣溫度高低是相對(duì)于蒸發(fā)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)加熱
對(duì)于回氣冷卻型壓縮機(jī)，制冷劑蒸氣在流經(jīng)電機(jī)腔時(shí)被電機(jī)加熱，氣缸吸氣溫度再一次被提高。
電機(jī)發(fā)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(guān)。為了使電機(jī)熱引起的溫升更為明了，本文推導(dǎo)出如下關(guān)系式：
C1 (1-h) Dh 1
Cp COP
DT1 = (1)
這里，DT1和Cp分別代表流經(jīng)電機(jī)腔的制冷劑蒸氣的溫升和比熱；h為電機(jī)效率， C1代表被回氣吸收的電機(jī)熱比例。環(huán)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(shù)。
式（1）清楚地顯示了溫升與COP之間的關(guān)系：COP越小，氣體溫升越大。
對(duì)于R22壓縮機(jī)，當(dāng)蒸發(fā)溫度從－5°C降低到－40°C時(shí)，一般COP會(huì)降低4倍，而其他參數(shù)變化不大，氣體在電機(jī)腔的溫升會(huì)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(fā)溫度從－5°C降低到－40°C，排汽溫度會(huì)上升約30~40°C。
回氣冷卻型半封壓縮機(jī)，制冷劑在電機(jī)腔的溫升范圍大致在15~45°C之間。 空氣冷卻（風(fēng)冷）型壓縮機(jī)中制冷制不經(jīng)過繞組，因而不存在電機(jī)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(fā)壓力和吸氣管路阻力決定。提高蒸發(fā)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(rèn)為，蒸發(fā)溫度越低冷度速度越快，這種想法其實(shí)有很多問題。降低蒸發(fā)溫度雖然可以增加冷凍溫差，但壓縮機(jī)的制冷量卻減小了，因此冷凍速度不一定快。何況蒸發(fā)溫度越低，制冷系數(shù)就越低，而負(fù)荷卻有增加，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間延長，耗電量會(huì)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(shí)更換臟堵的回氣過濾器、盡可能縮小蒸發(fā)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(gè)因素。制冷劑漏失后要及時(shí)補(bǔ)充。
實(shí)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(jiǎn)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(fēng)量或水量不足、冷卻水或空氣溫度太高等均可導(dǎo)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(zhì)流量是非常重要的。
高溫和空調(diào)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的運(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)，并使壓縮機(jī)工作在可能的最小壓比下。在一些低溫系統(tǒng)中，過熱是壓縮機(jī)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(nèi)的高壓氣體會(huì)有一個(gè)反膨脹過程。反膨脹后氣體壓力恢復(fù)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(jī)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(jié)束時(shí)氣體溫度不會(huì)降低到吸氣溫度。
反膨脹結(jié)束后，正真的吸氣過程才開始。氣體進(jìn)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(shí)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(shí)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(tǒng)活塞式壓縮機(jī)無法回避的缺點(diǎn)。閥板排氣孔中的氣體排不出，就會(huì)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(fā)明至今，碟閥壓縮機(jī)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(zhì)不同，經(jīng)歷同樣的壓縮過程后排氣溫度升高量不同。因此對(duì)于不同的制冷溫度，應(yīng)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(shí)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(dāng)蒸發(fā)溫度低于－30°C后，R22和R410A的壓縮溫升會(huì)超過130°C，考慮到20°C的回氣過熱度和30°C的電機(jī)加熱，理論排氣溫度將超過150°C，需要附加冷卻。對(duì)于蒸發(fā)溫度在0°C以上（比如空調(diào)）來說，排氣溫度不應(yīng)該超過110°C，不存在過熱問題。
5. 結(jié)論與建議
壓縮機(jī)在使用范圍內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)不應(yīng)該有電機(jī)高溫和排汽溫度過高等過熱現(xiàn)象。壓縮機(jī)過熱是一個(gè)重要的故障信號(hào)，表明制冷系統(tǒng)存在較嚴(yán)重的問題，或者壓縮機(jī)的使用和維護(hù)不當(dāng)。
如果壓縮機(jī)過熱的根源在于制冷系統(tǒng)，只能從改進(jìn)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)方面著手解決問題。換一臺(tái)新壓縮機(jī)上去不能從根本上消除過熱問題。
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