空调技术：关键部件的温度分析与控制

1、排气温度       
压缩机排气温度是衡量压缩机运行状态的重要指标 , 过高或过低都会损害压缩机的安全性和可靠性。

排气温度的理论计算公式为 [1]:  

t_d=t_s+(k/(k-1))×(p_d/p_s )^((k-1)/k )-1)×T_s  

式中 ,t_d 为排气温度 ,t_s 为吸气温度 ,p_d 为排气压力 ,p_s 为吸气压力 ,k 为压缩指数 ,T_s 为吸气绝对温度。该公式表明 , 排气温度主要取决于吸气温度、压缩比和制冷剂的类型。吸气温度越高、压缩比越大、制冷剂绝热指数越大 , 排气温度就越高。  

但在实际运行中 , 排气温度还受到吸气过热度、气缸壁热传导、润滑油喷射等因素的影响 , 导致实际排气温度往往高于理论值 30℃[2] 。一般来说 , 活塞式压缩机的正常排气温度为 80℃, 螺杆式压缩机为 95℃, 离心式压缩机为 60℃[3] 。排气温度过高 , 会引起润滑油氧化劣变、活塞环卡滞、电机绕组加速老化 ; 排气温度过低 , 又会导致吸气过热度不足、液体击缸和积碳。  

因此 , 压缩机设计时 , 应合理控制吸气过热度 , 一般要求吸气比排气温度低 40~70℃[4]; 同时应强化气缸套的散热 , 可在缸套外设肋片或水冷却 ; 在排气口装设排气温度保护装置 , 当温度超过 115℃ 时自动停机 [5] 。在系统运行时 , 还可采取喷液等中间冷却措施 , 降低排气温度。

2、壳体温度       
压缩机壳体温度反映了压缩机的散热状况和内部零部件的工作状态。一般来说 , 压缩机机身的温升不宜超过 50K, 表面温度应控制在 70~90℃[6] 。温度过高 , 说明散热不良或内部零件发生故障 ; 温度过低 , 则表明低压气体进入曲轴箱的量过多。  

导致壳体温度升高的原因较多 , 如曲轴箱通风口堵塞、散热器表面积不足导致的散热恶化 , 气缸和气阀磨损、间隙过大导致的漏气增加 , 主轴承磨损、润滑失效导致的摩擦发热等 [7] 。检修时 , 应重点检查清理曲轴箱通风口滤网 , 测量气缸和轴承的间隙尺寸 , 吹洗润滑油道 , 必要时更换磨损零件。  

导致壳体温度过低的主要原因是低压气体经活塞和气缸的间隙进入曲轴箱 , 破坏了曲轴箱内的油雾润滑。设计时 , 应合理配置活塞环的型线 , 控制缸套与活塞的配合间隙 , 并在曲轴箱设置呼吸阀平衡内外压差 [8] 。运行时 , 还应定期检查隔离低压腔与曲轴箱的隔离片密封性 , 避免泄漏。

1、冷凝器温度       
冷凝器温度是评价冷凝器换热效果的重要指标 , 直接影响系统的制冷效率和能耗。冷凝器温度一般指制冷剂在冷凝器出口处的饱和温度 , 理论上等于冷凝压力对应的饱和温度。冷凝温度的高低主要取决于环境条件、换热面积、制冷剂流量和空气侧阻力等因素。  

夏季高温时 , 冷凝器热负荷大 , 冷凝温度随之升高。提高冷凝器换热量的方法主要有 : 增加冷凝器迎风面积 , 加快空气流速 ; 提高制冷剂在管内的流速 , 强化换热系数 ; 合理布置翅片 , 减小空气阻力 ; 及时清洗表面 , 去除灰尘 [9] 。冬季低温时 , 冷凝器散热过剩 , 易发生过冷凝现象 , 此时可采取提高冷凝压力、减小冷风机风量等控制措施 , 维持冷凝温度在设计值附近。  

通常 , 风冷冷凝器的冷凝温度比环境温度高 12℃, 水冷冷凝器的冷凝温度比冷却水进水温度高 4℃[10] 。当实际温度明显高于此值时 , 说明冷凝器存在结垢、堵塞、漏气等异常情况 , 需要及时检修。

2、水冷冷凝器温度       
水冷式冷凝器常采用管壳式结构 , 冷却水在管程内流动 , 制冷剂在管外壳程冷凝。影响水冷冷凝器传热性能的主要因素有 : 冷却水的温度、流量和水质 , 制冷剂的温度、流量和油混情况 , 以及管壁内外侧水垢和油污附着程度等 [11] 。  

冷却水进水温度越低 , 管内外温差越大 , 冷凝温度就越低 ,COP 就越高。 但受冷却塔或冷冻水系统的制约 , 冷却水温度往往难以保证低于设计值。提高冷凝器换热系数的有效措施是加大水侧流速 , 一般要求冷却水流速大于 1.5m/s[12] 。但流速过高又会加剧管路和水泵的能耗 , 工程上一般控制在 2.5~3.0m/s 。  

水中的钙镁离子、氯离子、泥沙等杂质 , 易形成水垢或腐蚀产物附着在冷凝器管壁上 , 恶化换热性能。因此 , 应定期对冷却水进行软化除垢、 pH 调节等处理 , 并在冷凝器进口设置除污器 , 控制水侧水垢厚度小于 0.5mm[13] 。此外 , 制冷剂带入的冷冻机油也会在壳侧形成油污 , 影响传热 , 需要定期清洗。

1、过滤器温度         
过滤器是用于拦截制冷剂中固体杂质的部件 , 通常安装在热力膨胀阀或毛细管入口前。正常工况时 , 过滤器的进出口温差应小于 2℃[14] 。当过滤器堵塞时 , 制冷剂通过滤网时的压降骤然增大 , 使得过滤器前后的温差显著增大 , 后端因节流效应导致的温度下降明显。  

引起过滤器堵塞的主要原因有 : 制冷剂分解产生的焦炭 , 管路施工遗留的焊渣 , 压缩机零件磨损的金属碎屑 , 管内壁氧化脱落的铁锈等 [15] 。因此 , 制冷系统施工时应注意管道清洁 , 同时选用与制冷剂相容性好的冷冻机油 , 避免产生析蜡或胶质。运行中如发现过滤器堵塞 , 应及时切断电源 , 用高压氮气反吹滤芯 , 必要时拆开更换滤芯。

2、热力膨胀阀温度        
热力膨胀阀是依靠蒸发器出口过热度的变化 , 自动调节阀芯开度 , 控制进入蒸发器的制冷剂流量的精密节流装置。其感温包内的蒸发温度直接反映了阀后蒸发器的蒸发压力。膨胀阀的工作压差一般为 50.20MPa, 对应的感温包温度与蒸发温度的差值应为 4℃[16] 。  

当膨胀阀调节不当或失灵时 , 会引起供液量过大或过小 , 导致蒸发器进出口温差异常。供液过少时 , 蒸发器出口过热度过高 , 回气温度偏高 ; 供液过多时 , 蒸发器出现液态制冷剂溢出 , 回气温度偏低 , 严重时会发生压缩机液击 [17] 。因此 , 应根据负荷变化 , 及时调整膨胀阀的过热度设定值 , 并定期检查感温包的位置和密封性。  

对于热力膨胀阀的选型 , 应根据蒸发器的设计制冷量 , 并考虑一定的裕量系数 , 确定阀体通径 ; 平衡管直径应与主管路直径匹配 , 以降低节流损失 ; 感温包安装位置应紧贴蒸发器出口弯头 , 并用绝热材料包扎 , 减小散热损失 [18] 。

1、毛细管温度        
毛细管是一种管径很小、内壁光滑的铜管 , 广泛用于小型空调器和冰箱的节流元件。其工作原理是利用细长的流道产生摩擦阻力 , 迫使高压制冷剂等焓节流 , 压力和温度同时下降。由于毛细管内径细小 , 因此极易发生堵塞。  

当毛细管部分堵塞时 , 管内阻力骤增 , 使得管前后压差增大 , 蒸发温度下降 , 回气过热度上升 , 制冷量显著下降 [19] 。堵塞的原因与过滤器类似 , 主要是制冷剂分解、管道杂质、焊接残渣等。一旦发生堵塞 , 可采取机械疏通、化学清洗、加热驱赶等方法进行清通 , 疏通后应彻底排净管内污物 , 避免再次堵塞。  

毛细管的设计选型需要考虑管长、内径、弯曲度、插入深度等参数对节流和分配特性的影响。 一般来说 , 管径越小、管长越长 , 节流效果越好 , 但也越容易堵塞 ; 弯曲度越大 , 流动阻力越大 , 但也有利于管路布置 ; 插入深度越大 , 气液分离效果越好 , 但也可能干扰蒸发器的换热 [20] 。因此 , 设计时应在性能和可靠性之间寻求平衡。  

2、蒸发器温度      
蒸发器温度是指制冷剂在蒸发器内吸热蒸发时的温度 , 是衡量蒸发器制冷量和效率的关键参数。影响蒸发温度的主要因素有 : 蒸发压力、制冷剂流量、空气温湿度、风量风速、表面结霜等。  

蒸发温度的高低直接决定了空调的除湿量和送风温度。 温度过低 , 虽然除湿效果好 , 但供冷量不足 , 且表面易结霜 ; 温度过高 , 虽然制冷量大 , 但除湿效果差 , 回气温度高 , 系统效率低 [21] 。因此 , 应根据设计工况 , 合理控制蒸发温度 , 夏季空调一般控制在 10℃, 冬季空调在 -5℃ 。  

运行中 , 应及时调整压缩机频率和膨胀阀开度 , 使蒸发压力和制冷剂流量与负荷相匹配 ; 优化风机转速和出风口方向 , 使冷风均匀送至房间各处 ; 控制新风引入量和室内发潮 , 降低蒸发器负荷 ; 适时开启除霜装置 , 避免结霜严重时的制冷恶化 [22] 。对于易结露的表冷器 , 还应做好管路和接水盘的保温 , 并铺设导流板 , 使冷凝水迅速排出。  

在蒸发器的设计选型中 , 应重点关注翅片管的管径、排数、行距等几何参数对空气侧换热系数和流阻的影响 , 并合理匹配风机的风量和静压 [23] 。在制冷剂侧 , 应优化蒸发器的进出口接管方式 , 采用毛细分配管均匀布液 , 减小回油压降等措施 , 提高蒸发器的换热效率和压降特性。

1、多联机室外机故障诊断        
某小型办公楼采用一拖四风冷热泵多联机空调系统 , 额定制冷量 40kW, 使用 R410A 制冷剂。夏季高温天气下 , 用户反映室内环境不舒适 , 且室外机运行声音较大。  

现场检查发现 ,4 台室内机的出风温度均偏高 , 回风温差小于 5℃, 室外机的冷凝温度高达 65℃, 压缩机排气温度接近 130℃, 且压缩机壳体温度不均匀 , 顶部明显高于下部。测得室外机风机电流比额定值低 20%, 电容外观良好 , 线圈电阻正常。  

根据以上温度特征 , 初步判断室外机存在高压故障和压缩机润滑异常。进一步检查发现 , 冷凝器翅片表面覆盖厚厚的灰尘 , 阻碍了空气流通 , 风机叶片有轻微变形 , 转速比额定值低 10%, 因此冷凝散热恶化 , 冷凝压力和温度居高不下 , 引发了高压报警。同时还发现 , 压缩机油视窗油位偏低 , 低于正常液面 10mm, 且冷冻机油颜色发黑 , 说明压缩机缺油 , 高温引起了局部烧瓦。  

针对冷凝器问题 , 采取了高压水枪清洗表面 , 调整翅片角度 , 更换风机电容 , 恢复风机转速等措施 , 使冷凝温度降至正常范围。针对压缩机问题 , 补充了与原油牌号相同的冷冻机油至正常液面 , 清洗了油道和气道 , 高温烘烤排除了系统潮气 , 更换了磨损的活塞和气阀 , 使壳体温度均匀降低 , 排气温度恢复正常。维修后 , 空调系统运行平稳 , 室内送风温度和湿度达到了舒适标准。  

2、冷库蒸发器结霜故障分析      
某果蔬冷库使用 R22 直膨式制冷系统 , 蒸发温度 -5℃, 冷藏温度 0℃ 。运行一段时间后 , 库内温度逐渐升高 , 日温升速率超过 0.5℃, 压缩机吸气压力持续下降 , 日下降幅度超过 20kPa, 且蒸发器供液管温度频繁低于 0℃, 疑似蒸发器结霜所致。  

经现场检查 , 发现蒸发器翅片表面已覆盖一层厚厚的白霜 , 霜层最厚处超过 5mm, 严重阻碍了库内冷风的流通 , 风机功率比原设计值高出 15% 。而除霜系统电加热管因管路漏水 , 加热功率不足 , 既无法及时融化表面霜层 , 又使蒸发器表面持续湿润 , 加剧了再次结霜。同时还发现 , 冷库门开启频繁 , 门框密封条老化失效 , 使大量水蒸气进入库内 , 亦是造成结霜的重要原因。  

针对上述问题 , 对蒸发器实施了手工融霜 , 融化并铲除了表面霜层 , 露出了翅片原貌。更换了除霜系统的电加热管 , 并在其表面涂刷防水涂层 , 提高了防潮性能。调整了化霜温度和时间 , 使蒸发器表面温度在融霜结束时高于露点温度 5℃ 以上。对冷库门更换了新的密封条 , 并在门外设置了挡风门帘 , 以减少冷量损失。经过整改 , 蒸发器恢复了良好的传热状态 , 库温波动小于 ±1℃, 压缩机吸气压力稳定在设计值附近 , 使冷藏品质得到了有效保障。