定頻空調(diào)器缺冷媒保護(hù)程序的可靠性分析

譚秋暉 宋月平

南京天加環(huán)境科技有限公司

0 引言

空調(diào)器在實(shí)際安裝過(guò)程中，由于安裝不規(guī)范，存在幾類問(wèn)題：①采用室外機(jī)自帶冷媒對(duì)連接管及室內(nèi)機(jī)排空行為，導(dǎo)致冷媒缺失。②連接管喇叭口螺紋密封處裝配不到位，導(dǎo)致冷媒泄露。③連接管穿墻時(shí)未做好密封進(jìn)入異物，導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞低冷媒量運(yùn)行。④安裝調(diào)試時(shí)未打開截止閥，導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞無(wú)冷媒循環(huán)運(yùn)行等。隨著制冷系統(tǒng)的缺失或泄露或堵塞，造成冷媒循環(huán)量的減少，使壓縮機(jī)排氣溫度變高，使壓縮機(jī)內(nèi)部持續(xù)高溫并降低潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑能力，最終導(dǎo)致汽缸部件嚴(yán)重磨損卡死[1]。

在現(xiàn)有壓縮機(jī)缺冷媒保護(hù)方案中，多數(shù)是在制冷系統(tǒng)上增加壓力傳感器來(lái)進(jìn)行判斷。比如在制冷系統(tǒng)上增加高低壓壓力傳感器，對(duì)制冷系統(tǒng)運(yùn)行壓力參數(shù)進(jìn)行逐時(shí)監(jiān)控，從而判斷系統(tǒng)是否存在泄漏[2]，因空調(diào)器產(chǎn)品價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈，空調(diào)器室外機(jī)并沒有電控主板，一些主要的保護(hù)元器件如排氣溫度傳感器、低壓壓力開關(guān)也被省去，故增加壓力傳感器會(huì)帶來(lái)成本大幅上漲。主要依靠壓縮機(jī)內(nèi)置保護(hù)器進(jìn)行自我保護(hù)，壓縮機(jī)內(nèi)置保護(hù)器采用雙金屬?gòu)椘Y(jié)構(gòu)，壓縮機(jī)電機(jī)和排氣溫度共同影響內(nèi)置保護(hù)器的動(dòng)作狀態(tài)。當(dāng)壓縮機(jī)電流和排溫同時(shí)達(dá)到一定條件時(shí)才能使內(nèi)置保護(hù)器動(dòng)作[3]，而在低冷媒循環(huán)量下，壓縮機(jī)排氣溫度在 140 ℃以上才會(huì)觸發(fā)內(nèi)置保護(hù)器動(dòng)作，此時(shí)壓縮機(jī)潤(rùn)滑油會(huì)出現(xiàn)碳化影響壓縮機(jī)運(yùn)行[4]，故該方案的可靠性大大降低。因此在現(xiàn)有技術(shù)條件下，沒有室外機(jī)排氣溫度或低壓壓力等參數(shù)難以判斷空調(diào)器是否在低冷媒循環(huán)量下超負(fù)荷運(yùn)行。

為避免壓縮機(jī)在低冷媒循環(huán)量下運(yùn)行，防止壓縮機(jī)的損壞，在空調(diào)器現(xiàn)有配置前提下，提供一種經(jīng)濟(jì)有效的缺冷媒保護(hù)方案顯得非常重要。

1 對(duì)象說(shuō)明

以天加 1.5 匹定頻風(fēng)管機(jī) TSA/R15KRDC 為例，制冷系統(tǒng)主要零部件如圖 1 所示，有壓縮機(jī)-1，四通閥-2，氣分-3，室外換熱器-4，節(jié)流毛細(xì)管-5，室內(nèi)換熱器-6，其中室外機(jī)接節(jié)流毛細(xì)管和四通閥分別有2個(gè)截止閥-7，通過(guò)2 根連接銅管-8 與室內(nèi)機(jī)2 個(gè)銅管接頭連接成完整的制冷系統(tǒng)。在室內(nèi)機(jī)回風(fēng)處安裝溫度傳感器-9 檢測(cè)回風(fēng)溫度T1，在室內(nèi)機(jī)換熱器上安裝溫度傳感器-10 檢測(cè)盤管溫度T2。

圖1 制冷系統(tǒng)主要零部件

2 控制方案

空調(diào)器在制冷運(yùn)行中，當(dāng)冷媒缺少到一定程度時(shí)才會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)潤(rùn)滑油碳化，本文根據(jù)在在制冷運(yùn)行模式下，通過(guò)檢測(cè)室內(nèi)回風(fēng)溫度Th、蒸發(fā)器盤管溫度Ti、壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間t，計(jì)算系統(tǒng)冷媒保有量是否滿足需求，進(jìn)行缺冷媒故障判斷。缺冷媒故障主要有兩種情況：

第一種，當(dāng)系統(tǒng)完全堵塞，如室外機(jī)截止閥沒有打開，此時(shí)系統(tǒng)無(wú)冷媒循環(huán)，判斷壓縮機(jī)啟動(dòng)后，Th與Ti溫差很小時(shí)，則缺冷媒故障條件成立。或當(dāng)系統(tǒng)冷媒完全沒有時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)無(wú)冷媒循環(huán)，判斷Th與Ti溫差很小時(shí)，則缺冷媒故障條件成立。

第二種，當(dāng)系統(tǒng)保有冷媒量很少時(shí)，制冷模式下壓縮機(jī)啟動(dòng)后，室內(nèi)換熱器的氣態(tài)冷媒會(huì)迅速被吸回壓縮機(jī)，此時(shí)室內(nèi)換熱器中冷媒壓力降低，迫使液態(tài)冷媒蒸發(fā)成氣態(tài)，冷媒相變迅速吸熱使Ti降低，隨著冷媒被壓縮機(jī)壓縮后經(jīng)過(guò)冷凝過(guò)程和膨脹過(guò)程后，低溫低壓的冷媒進(jìn)入室內(nèi)換熱器換熱，因冷媒循環(huán)量不足，使冷媒在蒸發(fā)器前段就已經(jīng)過(guò)熱，使Ti升高并維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。判斷Th與Ti溫差出現(xiàn)先變大后變小時(shí)，則缺冷媒故障條件成立。

控制方案包含以下步驟[5]：

1）空調(diào)器制冷運(yùn)行，壓縮機(jī)啟動(dòng)。

2）通過(guò)盤管溫度傳感器檢測(cè)室內(nèi)換熱器中部溫度Ti；通過(guò)環(huán)境溫度傳感器檢測(cè)室內(nèi)機(jī)回風(fēng)溫度Th；空調(diào)控制器記錄壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間t。

3）若Th-Ti≤T2，持續(xù)時(shí)間≥t4，轉(zhuǎn)步驟 8）；否則，轉(zhuǎn)步驟 2）；其中：T2為第二溫度預(yù)設(shè)閥值；t4為第四壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間預(yù)設(shè)閥值。

4）若t≤t5，轉(zhuǎn)步驟5）；否則，轉(zhuǎn)步驟 2）；其中：t5為第五壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間預(yù)設(shè)閥值。

5）若 (Th-Ti)max-(Th-Ti)min≥T1，轉(zhuǎn)步驟 6）；否則，轉(zhuǎn)步驟2）；其中：T1為第一溫度預(yù)設(shè)閥值。

6）若 0＜tmin-tmax≤t3，轉(zhuǎn)步驟 7）；否則，轉(zhuǎn)步驟 2）；其中：tmax為Th與Ti溫差最大值發(fā)生時(shí)的壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間；tmin為Th與Ti溫差最小值發(fā)生時(shí)的壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間；t3為第三壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間預(yù)設(shè)的閥值。

7）若tmax≥t1，且tmin≤t2，轉(zhuǎn)步驟 8）；否則，轉(zhuǎn)步驟2）；其中：t1為第一壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間預(yù)設(shè)閥值；t2為第二壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間預(yù)設(shè)閥值。

8）空調(diào)控制器顯示故障，代碼為缺冷媒保護(hù)；同時(shí)，壓縮機(jī)關(guān)機(jī)。

所述T1為 0.5～10 ℃；T2為 0.5～5 ℃；t1為 1～180s；t2為 10～300s；t3為 1～180s；t4為 5～360s；t5為 1～20min。所述t1＜t2。

3 試驗(yàn)方法

通過(guò)參考 GB/T 18836-2017《風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào)（熱泵）機(jī)組》，制冷試驗(yàn)特征工況表如表1 所示，以名義制冷工況、最大制冷工況為特征試驗(yàn)工況，增加室內(nèi)干球32 ℃濕球30.5 ℃，室外46 ℃的極限環(huán)溫工況。

表1 制冷試驗(yàn)特征工況表

系統(tǒng)無(wú)冷媒循環(huán)試驗(yàn)采用表 1 中的名義制冷試驗(yàn)條件，通過(guò)堵塞室外機(jī)截止閥、將室外機(jī)冷媒全部排空兩種試驗(yàn)方法來(lái)進(jìn)行，分別記錄有缺冷媒保護(hù)和無(wú)缺冷媒保護(hù)下的排氣溫度，壓縮機(jī)底部溫度，室內(nèi)回風(fēng)溫度，室內(nèi)盤管溫度，壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間參數(shù)。

系統(tǒng)少冷媒循環(huán)試驗(yàn)采用表 1 中三種試驗(yàn)條件，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)保有冷媒量百分比至 100%、80%、60%、50%、40%、30%、20%進(jìn)行測(cè)試，分別記錄有缺冷媒保護(hù)和無(wú)缺冷媒保護(hù)下的排氣溫度、壓縮機(jī)底部溫度、室內(nèi)回風(fēng)溫度、室內(nèi)盤管溫度、壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間參數(shù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

系統(tǒng)無(wú)冷媒循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示，當(dāng)系統(tǒng)無(wú)冷媒循環(huán)時(shí)，排氣溫度與壓縮機(jī)底部溫度因無(wú)冷媒將熱量帶走，溫度持續(xù)升高，在無(wú)缺冷媒保護(hù)的機(jī)組中，壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行 349s 時(shí)，壓縮機(jī)底部溫度會(huì)達(dá)到140 ℃，潤(rùn)滑油會(huì)開始碳化導(dǎo)致壓縮機(jī)磨損加劇以至損壞。通過(guò)室內(nèi)回風(fēng)溫度與室內(nèi)盤管溫度的溫差及壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間判斷，在壓縮機(jī)后溫差幾乎無(wú)變化，符合Th-Ti溫差很小的特征，累計(jì)運(yùn)行120s 時(shí)可辨別出來(lái)，提高壓縮機(jī)可靠性。

表2 系統(tǒng)無(wú)冷媒循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)變冷媒量循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示，通過(guò)不增加缺冷媒保護(hù)的系統(tǒng)在不同冷媒循環(huán)量下和不同環(huán)境工況下運(yùn)行 30 分鐘，隨著冷媒量降低，壓縮機(jī)排氣溫度和底部溫度逐漸升高，當(dāng)冷媒保有量低于 50%時(shí)，壓縮機(jī)排氣溫度超過(guò)140 ℃，潤(rùn)滑油會(huì)開始碳化導(dǎo)致壓縮機(jī)磨損加劇以至損壞，壓縮機(jī)內(nèi)置保護(hù)時(shí)間最快需要壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行813 秒才能觸發(fā)，而壓縮機(jī)排氣溫度超過(guò)140 ℃最快551 秒就會(huì)出現(xiàn)，期間超負(fù)荷運(yùn)行會(huì)造成壓縮機(jī)嚴(yán)重磨損，因此需進(jìn)行程序上的保護(hù)，通過(guò)壓縮機(jī)短時(shí)間運(yùn)行能辨別系統(tǒng)缺冷媒，來(lái)提高壓縮機(jī)壽命。

表3 系統(tǒng)低冷媒循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)表3 的數(shù)據(jù)分析，在極限環(huán)溫制冷條件下壓縮機(jī)排氣溫度和底部溫度上升速率最快，因此在極限環(huán)溫制冷試驗(yàn)工況條件增加缺冷媒保護(hù)控制，調(diào)節(jié)冷媒保有量至 50%、40%、30%、20%進(jìn)行測(cè)試，50%冷媒保有量參數(shù)曲線如圖2 所示，壓縮機(jī)啟動(dòng)后 30 秒，室內(nèi)環(huán)境溫度和室內(nèi)盤管溫度出現(xiàn)最大差值為 5 ℃，而后溫差逐漸上升，至 120s 時(shí)溫差為 3.8 ℃，符合Th-Ti溫差先變大再變小特征，從而觸發(fā)缺冷媒保護(hù)停機(jī)。40%冷媒、30%冷媒、20%冷媒保有量參數(shù)曲線如圖 3、4、5 所示，40%冷媒保有量下符合Th-Ti溫差先變大再變小的特征，30%以下符合Th-Ti溫差很小的特征，均在壓縮機(jī)啟動(dòng)后120s 觸發(fā)缺冷媒保護(hù)。

圖2 冷媒保有量50%系統(tǒng)狀態(tài)曲線

圖3 冷媒保有量40%系統(tǒng)狀態(tài)曲線

圖4 冷媒保有量30%系統(tǒng)狀態(tài)曲線

圖5 冷媒保有量20%系統(tǒng)狀態(tài)曲線

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果圖2～5 的匯總分析，冷媒保有量在40%～50%時(shí)，可通過(guò)室內(nèi)環(huán)境溫度和室內(nèi)盤管溫度先變大再變小的趨勢(shì)來(lái)判斷系統(tǒng)缺冷媒，冷媒保有量在30%以下時(shí)，可通過(guò)室內(nèi)環(huán)境溫度和室內(nèi)盤管溫度溫差很小的特征，持續(xù)120s 來(lái)判斷系統(tǒng)缺冷媒。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）當(dāng)定頻空調(diào)器在冷媒保有量30%以下運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器盤管溫度幾乎不會(huì)變化。

2）當(dāng)定頻空調(diào)器在冷媒保有量 30%至 50%之間時(shí)，蒸發(fā)器盤管溫度會(huì)先降低后升高。

3）當(dāng)定頻空調(diào)器在冷媒保有量 60%時(shí)，壓縮機(jī)處于高溫易損壞的臨界狀態(tài)點(diǎn)。

4）當(dāng)定頻空調(diào)器在冷媒保有量 80%以上時(shí)，壓縮機(jī)可以正常運(yùn)行狀態(tài)。

5）在不同的空調(diào)系統(tǒng)中，冷媒充注量和空調(diào)系統(tǒng)容積都不一樣，出現(xiàn)該上述特征的冷媒保有量會(huì)不同，設(shè)定保護(hù)參數(shù)值也會(huì)發(fā)生變化，本文旨在提供一種采用室內(nèi)環(huán)境溫度，室內(nèi)盤管溫度，壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間參數(shù)，在不增加額外成本的前提下，針對(duì)定頻空調(diào)器提供一種及時(shí)的缺冷媒保護(hù)功能，該功能可以縮短壓縮機(jī)在低冷媒循環(huán)量下運(yùn)行時(shí)間，提高壓縮機(jī)使用壽命。