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控制器和压缩机:HVAC/R应用的大脑和心脏

发表日期:2019/11/15 16:26:27 来源:卡乐电子 评论 总点击量:

在HVAC/R中,压缩机通常被称为制冷回路的“心脏”。事实上,和心脏一样,压缩机起初是一种泵送装置。这也是有历史原因的,并且不会随着时间的推移而改变:在大多数HVAC/R应用中,压缩机既是最昂贵的组件,同时也是耗电最大的组件。

制冷回路中的其他部件也是必不可少的。效率低下的热交换器会浪费压缩机已经完成的做功。如果过量的制冷剂以液态形式经由膨胀阀进入压缩机,那么压缩机在几分钟内即会损坏。此外,风扇,水泵和曲轴箱加热器也都有各自的作用。我很确定这一点,正如我经常看到的那样,每个组件的制造商都会强调其产品在对应应用环境中的重要性。

不管你如何看待,不可否认的是,制冷回路代表“一种生物体”,其组成部分之间的相互作用会比较复杂。这就是为什么以“人体”类比为例会给我们带来很多有趣的分析。


HVAC/R应用如同人体一样工作

我首先要说的是:下文中的任何描述都没有将制冷回路与人类相提并论,仅仅是类比罢了。虽然看起来很明显,但我仍要先就此作出澄清,以免冒犯读者朋友们对此的敏感和道德准则。

那么让我们从基本操作的描述开始:

心脏会泵送血液,在人体动脉内循环,从而将氧气和其他营养物质输送到身体其他部位。例如,手部肌肉让我们能够与外界世界相互作用,比如拿起杯子。

压缩机泵送制冷剂,在制冷回路的管道中循环,从而将能源输送到回路的其他部分,例如热交换器能与外部环境相互作用,比如为房间提供空气调节。

由于血液凝固系统的正常作用,人身体上的小伤口通常能自己愈合。而另一方面,由于振动引起的制冷循环回路中的裂缝,通常会引起缓慢的制冷剂泄漏。冷却装置的效率会缓慢下降,直至停止工作。在这种情况下,系统是没有自我修复能力的。

针对制冷剂泄漏,我们还需要考虑这些原因造成的负面影响,例如(顺序随机):毒性,爆炸性,窒息,可能导致重大伤害的烫伤和冷烫,以及环境危害。我们也知道,对于HVAC/R中常用的许多制冷剂,泄漏到环境中会导致臭氧层空洞和温室效应这些不良影响。

因此,我们不应该感到惊讶的是,这样一个常见的而且被忽略几十年的事件,转而成为了确定使用和淘汰规则的国际协议、指令和法规的主题,并且对HVAC/R市场影响越来越大。

制冷回路的复杂程度取决于其不同化学和物理过程的非线性。即使在当今的计算技术下,这一特点也使得循环回路的建模和故障分析非常困难。

因此,就像人体一样,故障分析绝非易事。此外,正如简介中所述,它们不仅仅涉及压缩机。事实上,他们通常还和明显更便宜更简单的小组件息息相关。


以下是一些例子:

热泵需要“医生”吗?

集液器是无源元件,既不吸收也不产生能量。它被用于确保进入膨胀装置的液体能实现液体过冷。集液器尺寸过小会导致一些无法立刻察觉的故障。

在空气/水热泵上,在低负荷工况、低容量或者压缩机部分负荷情况时,如果达到高压极限,,则有可能发生停机。诊断困难是由于高压=最大容量的正常关联。一旦制冷剂按照最大容量工况的标准充注完毕,工程师就会开始考虑完成安装和维护。

然而,当空气冷却蒸发器和水冷冷凝器之间的容积不平衡,并需要在回路的其他地方存储更多的制冷剂时,它会处于低容量状态。在这些情况下,机组会“使用较少的制冷剂”,这意味着制冷剂一定会在回路中的其他地方积聚。如果集液器容量不足,制冷剂会积聚在冷凝器中,聚集到极限并导致压力过高。

另一种能够产生“意外”故障的无源和低成本元件是安装在压缩机排气口上的止回阀。在多个压缩机配置(串联或三联)中,故障或缺少止回阀在短期内都不会引起任何问题。

然而,随着运行时间的累积,润滑系统会产生不平衡状况,导致其中某个压缩机由于缺油而损坏。

这是怎么发生的呢?

每个压缩机中所含的油都会随着气体从排气管排出。这种现象无法避免。在没有止回阀,或者有泄漏的情况下,油可以缓慢地流入当前未运行的压缩机中。事实上,装置可能经常在降容情形下工作数小时或数天。关闭的压缩机不会产生压力,由于阀门故障,该压缩机会接收所有运行压缩机无意提供的油液,这些压缩机的油液最后会逐渐耗尽。

在这种情况下,诊断也需要了解良好的设计准则并对回路进行仔细分析,这也是因为压缩机中存在或者不存在的油液通常都是无法看见的。

简言之,上文中我已经就两种HVAC / R应用中等或低容量故障的情况进行了阐述。这表明最坏的情况并不总是与最大负载相对应。

没有控制就没有能量

作为一名制冷回路控制方面的专业人员,很明显我应该关注电子控制设备的重要性,它被简单地称为制冷回路的大脑。但是,为了证实我上面所说,我无法表明某一个组件比其他组件更为重要。

在诊断更为复杂的HVAC/R应用时,配备能够解释警报和提供诊断信息的复杂电子控制和保护系统非常有用。

在此列举一个与压缩机速度驱动器或变频器相关的警报示例。一个典型的警报就是“高电流”,即达到安全阈值,超过该安全阈值,速度驱动器无法控制压缩机从而导致停机。此时,诊断会集中在驱动器本身上,解决方案就是更换驱动器。当驱动器在压缩机运行条件下无法达到预期工况时,通常会更换为功能更强大的版本,以提供更大电流。

其结果是,压缩机重新启动,但经过几个小时/几天之后还会停止,而这次可能就是永远停机了。

这是怎么发生的呢?

最初的过流警报是一种症状而不是原因。真正的原因可能是压缩机中缺少油或者膨胀装置发生故障,结果会导致压缩机中出现液态制冷剂。这会导致电流增大,同时压缩机的控制和保护系统,也就是驱动器会发出故障信号并使压缩机停机。

由于我们不能完全分析报警原因,导致压缩机损坏,否则其实是可以避免这一现象发生。

如果电子设备在装置遭受到不可挽回的损坏时,可以能够发出“高电流警报-可能是油压不足/压缩机中存在液体”信号,就可以拯救机组的“心脏”。

不久的将来,在HVAC/R和Healthcare(医疗)应用中,电子产品将会更具连通性,并和物联网的智能运用紧密相联。因此,制冷回路的“大脑”将会变得日益发达,空调也会变得越来越智能化。


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