鐵路客車空調機組制冷量低解決方案

劉海軍

中車四方車輛有限公司 山東 青島 266111

引言

自20世紀80年代起，我國空調客車基本采用車頂單元式空調機組作為夏季制冷裝置。單元式空調機組的主要特點是：結構緊湊、體積小、重量輕、互換性好、檢修方便；把各制冷部件組裝在一個箱內，縮短了連接管路，減少了泄漏；如果運行中機組出現問題，可以很方便地整體調換。目前在國鐵線路上運行的標記速度不大于160km/h的客車，空調客車主要采用KLD45、KLD40、KLD35、KLD29、KLD9系統單元式空調機組。

空調機組在檢修過程中，難免會遇到各種各樣的故障，其中空調機組制冷量不足是最重要也是最常遇見的故障。各鐵路客車檢修主機廠已經對解決制冷量不足積累了較為全面的經驗，但是難免有疏漏之處。本人通過理論聯系實際，探究總結并進一步完善了空調機組的檢修工藝，相信在空調機組檢修過程中具有重要的實際意義。

1 鐵路客車空調機組制冷工作原理簡介

鐵路客車空調機組制冷系統采用機械制冷方法，其系統由壓縮機、冷凝器、節流毛細管、蒸發器等幾個主要部件用管道連接起來形成一套封閉系統。在封閉系統里，由壓縮機將工質壓縮成高溫高壓的過熱蒸汽進入冷凝器，經外界空氣的強制冷卻，冷凝成高壓液體，進入毛細管降壓成低溫低壓的液體，經分流器進入蒸發器，吸收通過蒸發器空氣的熱量，蒸發成為低壓蒸汽，再經過氣液分離器被壓縮機吸入，壓縮成高溫高壓的過熱蒸汽，完成一個制冷循環。壓縮機不斷工作，達到連續制冷的效果。

車內循環空氣被通風機從回風口吸入與新風混合后進入蒸發器冷卻，并由出風口吹出，向車內送出冷風，在制冷系統連續工作下使車內溫度逐漸降低，并由溫度調節器自動控制車內溫度，車內溫度可調節在22～30℃范圍內。

冷凝器的冷凝借助于軸流風機，從機組上方吸進室外空氣，經過冷凝器后，進行強制性熱交換，向機組兩側排出熱風，從而完成熱量的轉換。

車內的空氣通過蒸發器時，空氣中的水分冷凝成水滴，被引到車外而起除濕作用。

圖1為鐵路客車單元式空調機組制冷系統構成圖，其中一套制冷系統的制冷劑的工作流程為：

全封閉制冷壓縮機2 → 冷凝器11 → 干燥過濾9 → 毛細管8 →蒸發器6 → 氣液分離器4 → 壓縮機2。空調控制裝置可以根據車內溫度的需要，控制開啟空調機組的一套或兩套制冷系統。

圖1 ：鐵路客車空調機組制冷系統構成圖

2 空調機組制冷量低原因分析及解決方案

本章針對制冷量低的故障采取的措施是首先根據試驗數據盡可能立刻判斷故障原因。當懷疑多個原因而不能確定時采取分析所有可能原因然后逐項排除的措施。首先介紹下傳熱方程式[1]，因為接下來的引起制冷量低的原因分析主要也是建立在該方程式上進行的。

該方程式反映的是換熱器的換熱效果，而換熱效果也是對空調制冷量影響最大的關鍵因素。由該方程式可以看到，換熱系數、換熱面積以及平均傳熱溫差都和換熱器的換熱量成正比關系。換熱系數和換熱器結構以及材料有關，換熱面積和換熱器結構以及注氟量等有關，傳熱溫差和換熱器結構、通風量以及注氟量有關。接下來進行制冷量低的原因分析及解決方案，主要分為三個方面：

2.1 空調機組試驗臺故障

如果空調機組是按照檢修工藝進行正常分解清洗、部件檢修、機組組裝的話，性能試驗制冷量仍低于原設計的90%[4]，有可能是焓差試驗臺維護不當，個別傳感器檢測數據不準確或者位置有變動，風道保溫措施不到位、空調機組與試驗臺風道接口處密封不嚴漏風等都會造成正常機組制冷量不足，因此每次做空調機組性能試驗前，需對試驗臺進行點檢，確認試驗臺性能合格，并且需要定期對試驗臺進行保養、維護，確保試驗臺性能良好。

2.2 系統內外介質狀態不良

2.2.1 系統中含有空氣。空調機組系統中混有空氣，將造成相同壓力充注并參與循環的制冷劑量有所下降，從而造成機組的制冷量不足。

2.2.2 系統中含有水分。系統中含有水分時，易造成空調機組節流元件處結霜，嚴重時還會造成冰塞，導致制冷系統循環管路堵塞。

2.2.3 系統中含有固態雜質。機組循環管路中混入固態雜質會造成節流元件堵塞，如果進入壓縮機會對壓縮機造成永久損壞，進而影響制冷量。

造成以上三點的原因主要為空調機組在分解、清洗過程中對機組管路、壓縮機、冷凝器、蒸發器等部件的管路口封堵防護不良，造成雜質進入系統內，采取的措施是在空調機組各部件分解后，在清洗前，用防水膠帶或管堵對空調管路、壓縮機、氣液分離器、干燥過濾器等管口進行封堵，對冷凝器、蒸發器等部件管口進行焊堵，空調機組各部件焊接組裝前對各部件用氮氣吹除雜質后進行干燥處理。

2.2.4 流過換熱器的空氣量不足。當外界空氣流量不足時，蒸發器側被冷卻的空氣不能及時被帶走，就會降低蒸發器內外兩種流質之間的溫差，或者冷凝器側冷卻空氣不能及時被帶走，造成冷凝器周圍空氣溫度上升，降低了冷凝器內外兩種流質之間的溫差。根據式1可知，溫差降低，換熱器換熱效率就會降低，制冷量就下降。

該現象主要和蒸發器側離心風機轉速或者冷凝器側軸流風機轉速以及換熱器的表面潔凈度有關。風機轉速直接影響通風量，而換熱器表面潔凈度不足或者換熱器外翅片變形嚴重，就會阻礙空氣流動，同樣會影響通風量。因此空調機組風機按照檢修工藝要求檢修后，須進行性能試驗，在額定風壓下，風機風量需達到額定風量的95%以上，否則需返工進行重新檢修或更新；對于換熱器，重點檢修管路和翅片，如果翅片腐蝕面積超過5%或管路破損造成內漏無法修復等情況時，該換熱器需更新。當換熱器腐蝕情況因腐蝕區域以及腐蝕程度不規則而無法精確測量時，為節省檢修成本，可根據實際情況，將該換熱器試裝至空調機組上進行性能試驗，若制冷量達到額定制冷量的95%以上，可直接利用，否則，需進行更新。

2.2.5 制冷劑充注量不足或過高[2]。注氟量和節流元件的節流效果共同決定了機組的制冷量，當出現制冷量不足時，應當將注氟量和節流效果結合起來綜合分析。

在相同的充注量下，隨著節流效果的增加，節流阻力就會增加，制冷劑循環流量減小，從而單位時間內通過制冷劑帶走的熱量就會減小，并且因為節流元件處的阻力作用，導致蒸發器中因制冷劑減少而壓力降低，冷凝器中制冷劑增加而壓力升高，從而降低了壓縮機的輸送能力。

在相同的毛細管長度或節流閥開度的情況下，隨著制冷劑充注量的持續增加，機組制冷量將會先上升后下降。因為隨著充注量的增加，制冷劑流量增加，換熱器有效換熱面積增大，由式1可知，制冷量增大。但隨著充注量的進一步增加，由于蒸發壓力、溫度的提高使傳熱溫差減小，抑制了制冷量的進一步上升。當傳熱溫差與有效換熱器面積的變化比較，傳熱溫差降低占主導地位時，就會出現制冷量下降情況[3]。并且當制冷劑充注量過足時，會出現冷凝器內部出現制冷劑積存現象，同樣會減小冷凝器側的換熱面積，降低制冷量。

針對該項原因采取的措施是盡量依據機組銘牌標識的注氟量原始數據進行充注，可在上下小范圍內進行調整。具體操作時可以先充注偏少的制冷劑，再慢慢加注，這樣可以統計實際充注量。如果先加注較多的制冷劑，調整時需釋放出一部分制冷劑，而這部分計算重量比較困難，確定不了最后最佳充注量。另外因為檢修過程中空調蒸發器上所帶的毛細管或者節流閥的節流效果都已確定，所以該項目可以當成固定條件，不做調整。

2.3 系統部件性能不足

2.3.1 壓縮機性能不足。壓縮機是整個循環系統的動力來源，當壓縮機性能不足時，吸排氣壓力失常，對制冷效果產生直接影響。壓縮機按照檢修工藝要求檢修后，需進行制冷量和排氣量測試，不得低于原設計參數的90%[4]，如達不到要求，則需重新返工檢修或更換。

2.3.2 壓縮機性能不足。換熱器是直接與空氣進行熱量交換的部件，如果換熱器換熱效果不足的話，制冷量同樣會受到直接影響。

換熱器換熱效果不足主要體現在單位時間通過換熱器的制冷劑流量和換熱面積上。流量大小在換熱器部分是受盤管內徑決定的，當管路過細時，造成制冷劑流量過小，單位面積內傳遞的由制冷劑帶來的熱量就會變小。

換熱面積由制冷劑側面積和外部空氣側面積共同決定。制冷劑側面積不僅由盤管內徑以及長度確定，還與盤管內部結構決定。當前廣泛利用的盤管有光面銅管、內螺紋管、內翅片管等。至于空氣側的換熱面積，很大程度上是由外部翅片決定的。綜合三種盤管性能比較，內螺紋管結構的換熱器換熱性能比最高，因此空調機組換熱器檢修后達不到要求時，更新的換熱器選用內螺紋管型式的換熱器。

2.3.3 外翅片與盤管的連接緊密程度[3]。換熱器是由內部銅管管束間套以鋁質薄片形成的管式換熱器，對于此類的結構，銅管與鋁質薄片此兩個名義上相互接觸的固體表面，實際上接觸僅發生在一些離散的面積元上。在未接觸的界面之間的間隙中常常充滿了空氣，熱量將以導熱的方式穿過這種氣隙層。這種情況與兩固體表面真正完全接觸相比，增加了附件的傳遞阻力，即增大了接觸熱阻。

當外翅片與盤管連接松動，即連接處出現松動時，就會進一步增大了此處的接觸熱阻，造成換熱效果差。此類故障一般是由換熱器的生產工藝中對管片配合間隙控制不嚴謹造成的，后期無法修復，需更換故障換熱器解決。

2.4 回熱循環系統設計方案

空調機組壓縮機、冷凝器、蒸發器、冷卻風機、通風機等主要空調機組部件按照檢修工藝要求檢修后進行性能試驗，雖然各零部件性能參數均符合要求，但由于各零部件性能不達標率的累計，各部件組裝后造成個別空調機組制冷量達到原設計參數80%以上，但達不到90%[4]的情況，更換空調機組主要零部件價格較高，考慮到檢修成本的因素，在保證空調機組安全運行的前提下，改造循環回路為回熱循環，以提高制冷量。

2.4.1 回熱循環空調系統的工作原理[1]。液態制冷劑節流后進入濕蒸汽區，節流后制冷劑的干度愈小，它在蒸發器中氣化時的吸熱量愈大，循環的制冷系數愈高，而在蒸發后的制冷劑過熱度越高，通過壓縮后，到達冷凝器的制冷劑溫度越高，與外界空氣的換熱溫差越大，產生的效果就是排到室外的熱量越多，循環的制冷系數愈高。在實際循環中，在一定的冷凝溫度和蒸發溫度下，如果能夠設置一個裝置，能同時滿足使進入節流裝置前的制冷劑達到過冷，使進入壓縮機前的制冷劑達到過熱，即用節流前的制冷劑對壓縮機前的制冷劑進行加熱，交換熱量，不但可增加單位制冷量，而且可以減少蒸發器出口管與環境空氣之間的傳熱溫差，減少甚至消除吸氣管道中的有害過熱[2]。該裝置即為氣-液熱交換器。具有氣-液熱交換器的壓焓圖如圖2所示。

即過熱部分的熱量是過冷部分的熱量傳遞過來的，該循環在制冷技術中稱為回熱循環。圖3：為單級壓縮制冷循環與回熱循環系統結構對比圖。

圖2：回熱循環的P-h圖

圖3：單級壓縮制冷循環與回熱循環系統結構對比圖

2.4.2 回熱循環空調系統改造方案。安裝具有回熱效果的氣液分離器，從干燥過濾器出來的高壓液態制冷劑通過氣液分離器的換熱管道，與通過氣液分離器的低壓氣液混合狀態的制冷劑進行換熱，達到回熱目的。同樣是高壓液態制冷劑走管程，低壓氣態制冷劑在氣液分離器內進行氣液分離。具體走向如圖4所示。咨詢杭州斯波蘭冷暖設備有限公司，以KLD40空調機組為例，根據空調機組內部空間結構，設計的熱交換氣液分離器尺寸如圖5。由圖5可以計算高壓制冷劑管路在氣夜分離器內部的長度為：

該型號尺寸的回熱功能氣夜分離器的熱量交換率為空調機組額定制冷量的10%左右。即蒸發器入口處的制冷劑吸熱能力提高10%，也就是說空調機組的制冷能力提高10%，使用該方案可以使KLD40空調機組制冷量提高至44KW以上，已達到了KLD45機組的制冷量合格標準。改造過程中增加的氣液分離器、管路及人工費用，經計算僅為385元，改造費用較低。

圖4 ：回熱功能氣液分離器外觀及制冷劑流向圖

圖5 ：回熱功能氣液分離器結構尺寸及內部結構尺寸

3 總結

本文系統全面的分析了從空調機組焓差試驗臺，空調機組系統內、外介質狀態，壓縮機、冷凝器、蒸發器、風機、管路等主要空調機組零部件狀態不良造成空調機組制冷量不達標的原因，并給出了具體解決措施；并且在空調機組各主要部件按照檢修工藝要求檢修后性能合格，但空調機組整機組裝完成后制冷量達到原設計參數80%以上，但達不到90%[4]的情況下，設計改造循環回路為回熱循環，制冷量提高了10%，改造費用遠低于更換空調機組其它主要部件，節省了檢修成本。