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机房维谛精密空调用涡旋压缩机常见故障浅析(2)—液击-维谛UPS电源维谛蓄电池



机房
维谛精密空调用涡旋压缩机常见故障浅析(1)-电机烧毁
摘要:
机房
维谛空调用涡旋压缩机的产生液击是压缩机常见的故障。众所周知,液击对压缩机的破坏是非常大的,它是制冷系统设计时防范的重点。因为涡旋压缩机的软性压缩特点使其比其它形式的压缩机有更强的抗液击能力,所以涡旋压缩机液击故障常常被忽视。本文从制冷系统液态制冷剂回流、带液启动、润滑油太多这几方面进行了分析,揭示了这些因素与压缩机液击之间的关系,以提高维谛UPS电源用户及维护工程师对压缩机损坏前的异常现象的重视
关键词:机房维谛精密空调、压缩机故障、液击、带液启动、润滑油太多
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液击就是指制冷压缩机吸入液态制冷剂或润滑油,被压缩而产生的瞬间高压的现象,造成压缩机的异常冲击现象。简单的说就是气体是可压缩的,而液体是不可压缩的。液击可以在很短时间内造成压缩受力件(如阀片、活塞、连杆、曲轴、涡旋盘等)的损坏,是压缩机的致命杀手。对于涡旋式压缩机来说,尽管无吸、排气阀片,而且采用气体支承机构,允许带液压缩。即使压缩腔内压力过高,动涡盘与静涡盘端面还可以轴向或径向脱离,立即释放压力。因此轻微短时的异常冲击,对涡旋式压缩机来说,问题不大,但经常长时间带液压缩和较重的液击会使压缩机的内部构变形、破裂。
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涡旋压缩机原理是在1905年就被发明。涡旋压缩机的压缩部分主要由一个动涡旋盘和一个静涡旋盘组成的,如图1所示。工作时静涡旋盘不运动,动涡旋盘由电机驱动下转动如图3。由于动涡旋盘不停的旋转,气体在动涡旋盘和静涡旋盘之间的月牙形封闭空间内,从外周向中心卷进,不停被压缩,最终从中间喷出,如图1和图2所示。

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由于二十世纪末的高精度数控机床技术的发展,使涡旋压缩机生产成本大大降低,从而逐步地代替了传统的活塞压缩机,在机房维谛精密空调行业中,机房维谛空调几乎都是采用涡旋压缩机,如图3所示。本文所说的压缩机,如没有特别注明的,皆指机房维谛精密空调所使用谷轮公司的涡旋压缩机,未注明的维谛空调皆指维谛公司的机房维谛精密空调,本文所有进行压缩机分析不包含压缩机质量问题。
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液体的密度是气体的数十甚至数百倍,因而液体流动时的动量比气体大得多的,产生的冲击力也大得多。吸气中夹杂较多液滴进入气缸时的流动属于两相流。在进入气缸时,两相流的流速和流向发生突变,产生的冲击不仅强度大而且频率高,就好像台风夹杂着鹅卵石敲打在玻璃窗上,对吸气口的涡盘破坏是不言而喻的。如果液体没有及时蒸发,随着涡盘的旋转,气缸空间不断变小,最终会压缩液体,由于液体是不可压缩的,且压缩时间很短,瞬间产生的高压具有极强的破环性。压缩液体的过程好像是撞击,压缩机会传出金属敲击声。
压缩机液击最主要现象就是不正常的工作声音,异常冲击(金属敲击或撞击)声,并会强烈摇摆振动,压缩机外壳常伴有结霜结露的现象。
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压缩机在机房维谛空调制冷系统的作用:压缩气体制冷剂,保证制冷系统的高低压力,并提供制冷剂循环流动的动力。如果压缩机出现故障,维谛精密空调就不能制冷。
涡旋压缩机的故障可分为机械故障和电机故障。机械故障主要指压缩机的压缩部分故障,不能完成压缩功能,制冷系统不能建立高低压,比如压缩机轴卡死。压缩机电机故障主要指压缩机的电机烧毁,主要表现为定子绕组绝缘层破坏(短路)和断路。
当压缩机发生机械故障时,如果排除压缩机本身的质量问题,那么最可能故障原因就是液击。当压缩机发生电机故障时,电机故障的原因很多,很难确定是由液击引起的。通过对故障压缩机的拆解,观察主轴的磨损程度,可以确认压缩机先发生液击故障,再发生电机故障。例如图4的某一故障压缩机拆解后内部零件图片。图4的1是静涡旋盘,已碎裂。图4的2是动涡旋盘,已碎裂。图4的3、4是电机主轴磨损图片,轻度磨损。因为主轴磨损为轻度磨损,所以主轴不存在偏心故障,同时也可以排除润滑不良故障,再加上动静涡旋盘已碎裂故障现象,可以认为其压缩机发生液击的可能性很大。
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能引起涡旋压缩机液击的液体不外乎如下几种原因:
(1)带液启动,开机的瞬间有大量的制冷剂液体进人压缩机。
(2)回液,即从蒸发器中流回涡旋压缩机的液态制冷剂。
(3)润滑油太多。
本文将对这几种原因逐一分析。
3.1带液启动
带液启动是压缩机在启动的瞬间的大量的液态制冷剂涌入到压缩机吸气口,主要原因是在蒸发器、压缩机吸气管路,压缩机吸气腔(油箱)驻留了大量的液态制冷剂。最严重的情况是压缩机吸气腔(油箱)充满了液态制冷剂。
引起带液启动的制冷剂是以“制冷剂迁移”的方式进入蒸发器、压缩机吸气管路,压缩机吸气腔(油箱)的。制冷剂迁移是系统管路内制冷剂在温度差和在重力的作用下,在压缩机停止工作的情况下,制冷剂从系统管路中的高温部位向低温部位移动、积聚的情况。制冷剂迁移是一个很缓慢的过程。总上所述,压缩机因制冷剂迁移发生液击,必须满足以下三个条件:
1、制冷系统必须存在温差,而且低温部分必须在制冷系统的低压侧。
2、制冷系统必须给制冷剂迁移的足够的时长,或制冷剂迁移的速度足够快。
3、制冷系统里必须存出大量的制冷剂。
涡旋压缩机停机后,电机停止工作,压缩机的温度会慢慢地降低,而压力因高低压力平衡和低压侧的温度升高而升高。由于其时润滑油中的制冷剂溶解度小,制冷剂蒸汽分压低,就会吸收油面上的制冷剂蒸汽,造成油箱气压低于蒸发器气压。如果油温越低,制冷剂蒸汽压力越低,对制冷剂蒸汽的吸收力就越大。蒸发器中的蒸汽就会慢慢向油箱“迁移”。由于溶解了制冷剂的润滑油较重,它会沉在油箱的底部,而浮在上面的润滑油还会不断吸收更多的制冷剂。当压缩机启动时,压力突然降低,溶解的制冷剂立刻气化,并引起润滑油的起泡沸腾。这种现象就像打开啤酒瓶时的啤酒起泡的一样。起泡持续的时间长短与制冷剂的量有关,通常为几分钟或十几分钟。大量泡沫漂浮在油面上,甚至充满了油箱。一旦通过进气道吸入气缸,很容易产生液击。机房维谛精密空调针对其问题的处理办法:(1)在压缩机油箱位置上安装电加热带,如图5所示。电加热在压缩机停止时,处于加热状态。可以使润滑油温度高于系统其它部位,制冷剂将不会迁移。如果长时间断电停机的维谛空调,开机前应先加热润滑油,可以蒸发掉润滑油中的大部分制冷剂,既可以大大减小带液启动时液击的可能性,也可以降低制冷剂稀释造成的危害。(2)抽空停机(PUMPDOWN)。制冷需求控制液路电磁阀通断,当低压压力达到时上限值,涡旋压缩机启动抽干蒸发器中液态制冷剂;当低压压力达到时下限值,涡旋压缩机停止抽空。这样可以从根本上避免制冷剂迁移。
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图5压缩机
绝大部分的机房
维谛精密空调的压缩机是处室内的,只有在夏季时,室内机的温度比室外机的温度低,制冷剂才会迁移到压缩机里。如果涡旋压缩机在室外,在天气寒冷季节时或在夜晚,压缩机的温度往往比室内的蒸发器低,制冷剂才会迁移到涡旋压缩机里。
涡旋压缩机停机时间越长,迁移的制冷剂就会越多。只要制冷系统中存在液态制冷剂,这一过程就会进行。当机房维谛空调的冷凝器位于室内机上方时,如图6所示,压缩机停止运行后,在内外维谛精密空调机的压力平衡过程中,冷凝器中的液态制冷剂因重力和压力作用下会大量回流到室内机。会大大地加速了制冷剂迁移速度。维谛UPS电源机房维谛空调针对其问题的处理办法,在冷凝器进出铜管上安装反向U型弯,如图6所示,要求反向U型弯的顶部高于最上一排盘管,阻止液态制冷剂回流。
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图6机房空调安装图
制冷系统的管路越长,充注的制冷剂的量就会越多。对涡旋压缩机来说,瞬间的少量的液态制冷剂进入到压缩机,并不能构成严重的危害,因涡旋压缩机有一定抗液击能力。但是瞬间的大量的液态制冷剂涌入到压缩机,就会造成严重的伤害。因此,对于超长管路的机房维谛精密空调,厂家会要求安装“延长组件”,其实就是一个单向阀和一个电磁阀,如图6所示。单向阀安装在冷凝器进气口,当停机时,制冷剂不能从气管回流到压缩机。电磁阀安装在膨胀阀前的管路上,当停机时,电磁阀处关阀状态。在单向阀和电磁阀作用下,制冷系统中的制冷剂分成了两部分,防止了制冷剂向一处聚集。
机房维谛空调系统为了保证机房安全性,都有备份维谛精密空调机。如果维谛空调停机时间过长,就为制冷剂迁移提供了时间条件。针对其问题的处理办法:给维谛精密空调做集群控制功能,让所有维谛空调轮流工作。有些机房因各种原因,机房维谛精密空调需要长时间停机,客户为节约电费,会给维谛空调断电。有些客户也会给正常工作的维谛精密空调直接断电,并长时间停机。再次开机时,维谛空调上电后就立即启动。这都是不合理的,如上所述,如果维谛精密空调断电,压缩机的电加热将失去保护作用。所以在长时间停机情况下再次开机时,应该先给维谛空调送电,让压缩机的电加热给压缩机预热好后,才能启动维谛精密空调
制冷剂迁移除容易引起液击外,还会稀释润滑油。被稀释的润滑油被油泵送到各摩擦面后,可能冲涮掉原有油膜,润滑性能下降,引起严重磨损。
3.2回液
回液是指涡旋压缩机运行时蒸发器中的液态制冷剂通过吸气管路回到涡旋压缩机的现象或过程。回液,很容易引发液击。即使没有引起液击,回液还会稀释润滑油。
对于机房维谛空调的制冷系统,回液与膨胀阀选型、安装、使用、性能密切相关,与制冷系统的也密切相关。回液的故障现象主要有压缩机外壳的温度低,有凝结水,低排气温度等。
回液的故障原因主要有以下几点:
(1)膨胀阀选型过大。
(2)感温包安装方法不正确,保温层破损、
(3)过热度设定太小。
(4)热力膨胀阀在高压差下或低压差下性能失灵,造成回液。
(5)压缩机工作时间短,停机时间短,频繁启停,回气过热度波动大。
(6)开机调试时充注太快。
(7)膨胀阀直通故障或液态制冷旁通。
热力膨胀阀的结构和工作过程如图7。膨胀阀在感温包、压力平衡管和弹簧三个力的作用下,调节阀杆上下移动,改变阀芯的面积,控制制冷剂流量大小,从而达到控制压缩机吸气过热度要求。
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(1)膨胀阀选型过大。如果选型过大,膨胀阀将不能有效控制制冷剂流量,也就无法控制压缩机吸气过热度,必然导致液态制冷剂回流。膨胀阀选型过大的制冷系统的低压运行压力比较高、过热度小,调节过热度调节螺丝无明显作用等现象。多发生于二次维修,维修人员用其它型号膨胀阀代替原型号。
(2)感温包安装方法不正确,保温层破损。感温包安装方法不正确包括:安装的位置不正确、感温包贴附的位置不正确、绑扎的方法不正确、绑扎不紧实、易脱落、感温包与铜管壁之间热阻大、感保温层破损等等。这些都会使感温包检测的温度不能反应实际制冷剂温度,导致膨胀阀不能准确地控制压缩机吸气过热度。如果感温包检测的温度偏大,就会导致膨胀阀阀芯开度大,制冷剂的流量,很容易导致压缩机回液。
(3)过热度设定太小。很明显过热度越小,越容易导致制冷系统回液。过热度越大,制冷系统越不容易回液,但是维谛精密空调制冷效率会下降。机房维谛空调的膨胀阀的目标过热度一般是5-8°c,部分为了提高压缩机的安全性,将目标过热度提高到12°c。有一种情况,为维谛精密空调系统能运行,人为调小过热度。比如维谛空调主风机的通风风阻大,实际通风量小,维谛精密空调的低压压力低,正常情况下,维谛空调不能长时间运行,经常的低压报警。有些维护人员会误以为膨胀阀有故障,为了提高低压运行压力,调小膨胀阀过热度,增加维谛精密空调回液的风险。
(4)热力膨胀阀在高压差下或低压差下性能失灵,造成回液。膨胀阀进口压力工作范围比较宽,比制冷剂R410A的系统,夏季可能达42Bar,高压报警点。冬季仅有19Bar,外风机启动点。如此宽的工作范围对膨胀阀性能提出严格的要求。在高压差下或低压差下对膨胀阀性能检查是寻找回液的根本原因一个重要方向。压差越大,制冷剂流量越大。性能不好膨胀阀在高压差下可能控制不住制冷剂流量,导致液态制冷剂回流。压差小主要发生在寒冷季节,常伴有制冷剂过冷度大的现象。压差小,制冷剂流量也小,再加上制冷剂过冷度大,制冷剂蒸发量也少,低压运行压力偏低。如果蒸发器的制冷剂蒸发量尚能满足压缩机吸气量,因低压压力偏低,压缩机回气总质量偏小,不足以冷却压缩机,此时会产生压缩机机壳温度高、排气温度高报警等现象。如果制冷剂蒸发量不能满足压缩机吸气量,低压运行压力会不断地降低,易产生液态氟回流,就会产生压缩机壳结露、回液、排气温度低报警等现象。功能正常的膨胀阀在其情况下,会控制低压运行压力会不断地下降,直至制冷系统低压报警停机。如果是功能不正常的膨胀阀,不能使低压运行压力不断地下降,直至制冷系统低压报警。如果维谛空调在冬季运行时,压缩机外壳有凝结水,排气温度低的现象,多是膨胀阀在低压差时功能不正常。如果制冷系统不能低压报警停机,压缩机会一直工作,直至损坏,或被发现,手动停机,其时维谛精密空调的蒸发器、回气管路、压缩机可能已结冰。
(5)压缩机工作时间短,停机时间短,频繁启停,回气过热度波动大。膨胀阀的感温包测量温度变化,因温度以热传导方式进行传递的,所以测量值一定是滞后的。对于不稳定的制冷系统,在滞后测量方式下,膨胀阀是不可能有效地控制制冷流量及其过热度,必然会有液态制冷剂回流。不稳定的制冷系统主要表现以下两方面:
1、压缩机工作时间短,停机时间短,频繁启停。引起其故障的原因有一、机房空调配置不合理,维谛精密空调制冷量远大机房冷负荷,所谓的大马拉小车。二、机房的气流组织不合理,冷风短路回流。三、参数设置错误,调长压缩机最短工作时间,停机时间。
2、蒸发器的气流温度场、速度场不稳定。回风口气流组织不好,比如回风口处有物体阻碍,流通面积小、有突变,气流速度急变,产生紊流,致使蒸发器的气流速度场不稳定。如果机房的气流组织不合理,冷风短路回流,还会蒸发器的气流温度场不稳定。
(6)开机调试时充注太快。调试或维护工程师在给制冷系统充注制冷剂时,短时间内,向压缩机吸气注入过量的液态制冷剂,制冷系统不能快速气化注入液态制冷剂,致使压缩机吸入液态制冷剂。
(7)膨胀阀直通故障或液态制冷旁通。膨胀阀直通故障是指阀内部结构损坏,膨胀阀前后压力差比较小,无膨胀节流功能,制冷剂直接以液态回流至压缩机。有些机房维谛空调还附有一些特殊的功能,比如泵循环功能,水冷功能等,这些机房维谛精密空调制冷系统要求给膨胀阀安装旁通电磁阀,如果旁通电磁阀有直通故障,制冷剂将没有被膨胀节流情况下,直接以液态回流至压缩机。
3.3润滑油太多
(1)制冷系统里的润滑油太多,压缩机的底位油箱装满油,液态油被吸入涡旋盘的气腔,产生液击。润滑油太多的原因:
安装调试时未安要求操作,有意或错误加入过多润滑油,有工程师错误地认为润滑油加多没关系统,反而润滑效果更好。长制冷管路的机房维谛空调在安装调试时,需要适当补充润滑油。对于什么情况下要补油?补什么油?补多少油?机房维谛精密空调设备厂家都会严格的说明。
在日常维护过程中,因维谛空调管路发生泄漏,每一次泄漏,都泄漏一部分润滑油。为了防止制冷系统润滑不足,就需要补充一部分润滑油,但数量不确定,久而久之,造成制冷系统里的润滑油太多。
针对上述现象的根本原因是现在的涡旋压缩机几乎都没有油镜,已无法通过油镜里的油位和状态来判断系统的润滑油是不足还过量。建议处理方案:如果工程师感觉到制冷系统里的润滑油不合理,就重新开机调试,用氮气将系统的润滑油全部吹扫干净,安照设备厂家要求重新加油。
(2)润滑油突然大量返回,充满压缩机的油箱,液态油被吸入涡旋盘的气腔中,产生液击。润滑油突然大量返回原因:
往往是管路的回油性能不好。现在机房维谛精密空调的制冷剂主要是R22、R410A、R407C。这些的制冷系统的润滑油要与制冷剂一起循环。润滑油与制冷剂是互溶的,所以在液态管路中回油是没问题的。但在气态管路中,制冷剂是气态,润滑油是小液滴,液态。润滑油的回油是依靠的气态制冷剂的速度将其带回,所以保证气态管路的气态制冷剂流速是回油关键因数,尤其对垂直管路。控制的制冷剂流速关键是控制管路管径,管径大,流速慢,回油不好。为了加强管路回油性能,气态垂直管路底部、每隔一定的距离要做回油弯如图6。
对于回油不好的系统,要认真寻找影响回油的根源,不能一味地补充润滑油。当其个部位回油不好,就会这个部位聚集大量的润滑油。当润滑油达到管路虹吸点时,润滑油会突然大量返回时,可能造成的液击危险。
液击是涡旋压缩机常见故障。发生液击,表明制冷系统或维护过程中一定存在问题,需要加以纠正。认真观察分析系统的设计、施工和维护,不难找到引起液击的根源。不从根源上防止液击,而简单地将故障涡旋压缩机维修或更换一台新涡旋压缩机,只能使液击再次重演。在更换压缩机前,一定要进行压缩机故障根本原因分析,找出真实的原因。如果从故障现象上判断,压缩机可能发生了液击,或已确认了发生了液击,那么以下的检查是必不可少:
1、压缩机电加热带是否工作正常。
2、冷凝器有无防制冷剂的回流的,措施,并检查其措施是否有有效。比如反向U型弯。
3、制冷管路是否已达到厂家规定超长管路要求,超长管路有没有做防制冷剂迁移的措施,并检查其措施是否有有效。比如延长组件。
4、检查客户维谛精密空调使用情况,是否断电停机,如果是断电停机,再开机时,需要对压缩机进行预热。
5、检查膨胀阀功能,测量吸气过热度是否符合要求。
6、检查膨胀阀功能,改变室外机风机转速,使压缩机的排气压力接近高压报警值时,测量吸气过热度是否符合要求。
7、检查膨胀阀功能,调小室内机风机转速或关阀风机,检查压缩机吸气过热度是否符合要求,能否触发低压报警并停机。
8、检查低压开关功能,使压缩机的吸气压力低于低压报警值时,维谛空调有无低压报警并停止压缩机运行。
9、向客户了解维谛精密空调维护情况,有没有可能润滑油充注过量,如无法确认,建议重新做制冷系统。


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