过冷对机房空调的影响和防止.doc

制冷剂过冷对机房空调运行的影响及解决方案
摘要：冬季机房空调容易出现冷凝过度问题，过冷的制冷剂会干扰膨胀阀的工作状况，导致机房专用空调制冷量减少，尤其是ISOVEL空调，会出现频繁低压故障，造成压缩机停止工作，使得机房温度过高，严重威胁机房安全。针对这种情况，进行系统分析，提出多种解决方案，并找出了最佳方法。
关键词：机房空调、膨胀阀、过冷度、调速器
1. 概述：
正常情况下，空调随着冷凝压力下降，制冷量是上升的。但在冬季运行情况下的机房空调，这种制冷量并没有上升，反而是下降的，有时还会出现大量的低压故障，造成压缩机停机，机房温度过高，威胁通讯设备安全，这种现象尤其以ISOVEL、法亚等机房空调为代表。检查发现，上述问题的产生，和膨胀阀工作状况有关；换句话说，冷量下降和低压故障是膨胀阀工作异常所至，而不是因为氟利昂少、干燥过滤器堵塞、滤网、风机、皮带等引起的。
2. 膨胀阀工作原理：
膨胀阀是控制蒸发器出口气态制冷剂的过热度来控制进入蒸发器的制冷剂流量。专用空调采用外平衡式膨胀阀，结构如图一所示：膨胀阀由感应机构、执行机构、调整机构和阀体组成。感应机构中充注氟利昂工质，感温包设置在蒸发器出口处。由于过热度的影响，其出口处温度与蒸发温度之间存在温差，通常称为过热度。感温包感受到蒸发器出口温度后，使整个感应系统处于对应的饱和压力Pb，如图一，该压力将通过膜片传给顶杆。在压力腔上部的膜片仅有Pb存在，膜片的下方有调整弹簧的弹簧力Pt和蒸发压力P0，三者处于平衡时有Pb=Pt+Po,当Pb>Pt+Po时，表示蒸发器热负荷偏大，出口过热度偏高，通过膜片向顶杆传递这一压力信号，使阀芯下移，膨胀阀开启变大，制冷剂流量按比例增加。反之，膨胀阀开启变小，制冷剂流量按比例减小。

3. 过冷度：
制冷剂冷凝为液体，继续进行冷却，即过冷，液体实际温度和饱和温度的差值叫过冷度。一般来说，一定数值的过冷，是必要的，也是有益的，可以防止制冷剂在膨胀阀前的管路中汽化使流经膨胀阀的制冷剂质量流量减少，阻止膨胀阀容量的降低，增大制冷量。但是如果过冷太大，会干扰膨胀阀的工作状况，严重时导致膨胀阀工作失效。
R22建议采用的过冷度见表：
阀前液管总压力损失（bar）
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
冷凝器出口液体过冷度（℃）
1.5
3
4.5
6
7.5
9
10.5
4. 膨胀阀失效原因分析：
如果我们忽略膨胀阀体温度的影响，膨胀阀的开启度只取决于感温包内气体的压力，感温包温度发生变化，感温压力才会变化，膨胀阀开启度也发生变化。但在实际情况下，膨胀阀体压力膜片上部也相当于一个感温包（如图2），它感受的是阀体的温度，也就是制冷剂液体的温度。

这样一来，感温气体压力，取决于膨胀阀膜片上部和感温包两边共同的压力，如果制冷剂温度发生变化，那么感温气体压力也会发生变化，这种压力变化就会干扰膨胀阀的正常工作。如果制冷剂温度较高，膨胀阀膜片上部压力会增大，相应开启度也变大，这就是夏天空调蒸发压力会上升的原因。在冬季，制冷剂过冷度较大，即制冷剂温度较低，阀体温度也会降低，左边感温包的压力就会下降，受其影响，膨胀阀开启变小，流经膨胀阀的制冷剂流量下降，送入蒸发器的制冷剂减少，导致蒸发压力降低，制冷量下降；当这个过冷度太大（室内温度25度，进入膨胀阀的液体温度不宜低于10度），就会产生严重点的干扰信号，导致膨胀阀过度关闭，低压明显偏低；如果低压压力低于空调机组告警值时，就会产生低压告警，导致空调停机。
下面是杭州市电信分公司景芳软交换机房一台HIROSS40UA机房空调在冬季运行时，通过调节室外机风速方法获得不同的冷凝压力，下面是不同冷凝压力下测得的蒸发压力数据：
压力

冷凝压力（kg/cm2）
17.0
16.5
16.0
15.5
15.0
14.5
14.0
13.5
13.0
12.5
12.0
11.5
蒸发压力(kg/cm2)
5.0~4.2
4.8~4.1
4.6~4.1
4.5~4.0
4.4~4.0
4.4~3.9
4.3~3.8
4.1~3.7
3.8~3.3
3.6~3.0
3.3~2.7
3.2~2.4

从表中可以看出，随着冷凝温度的逐步下降，蒸发压力也开始下降，冷凝压力在17.0~13.5kg/cm2期间，蒸发压力下降较为缓慢；当冷凝器排热过度，冷凝压力进一步下降时，蒸发压力下降的趋势开始增大，当高压压力低于11.5kg/cm2时，空调蒸发压力明显偏低，最低达到2.4kg/cm2，不久空调出现低压报警（HIROSS空调低压开关设置为2.6kg/cm2报警）。
而在北方地区，过冷现象对膨胀阀的工作干扰尤其明显，由于气温过低，冷凝器冷凝过度，制冷剂过冷度太大，直接使膨胀阀膜片上部的气体冷凝出现成为液体，膨胀阀无法打开，空调完全失去工作能力。
故障分析结论：
综上所诉，冬季空调产生低压故障的原因是制冷剂液体过冷，干扰了膨胀阀的开启度，从而导致膨胀阀工作异常。
5. 解决方案：
我们根据下面两点思路制定了解决方案：
1） 让膨胀阀不受过冷度影响。
2） 防止过冷度过大。
5.1. 电子膨胀阀——吸气过热度控制
从膨胀阀角度出发，不采用热力膨胀阀，采用电子膨胀阀。由于电子膨胀阀根据微电脑的指令，调节阀的开启度，不受阀体温度的影响，可以较好地解决这一问题。
吸气过热度控制系统由电子膨胀阀、压力传感器、温度传感器、控制器组成，工作时，压力传感器P将蒸发器出口压力、温度传感器T将压缩机吸气过热度传给控制器，控制器将信号处理后，随后输出指令作用于电子膨胀主阀的步进电机，将阀开到需要的位置。以保持蒸发器需要的供液量。电子膨胀阀——吸气过热度控制制冷系统原理图如图三所示：

图3 电子膨胀阀——吸气过热度控制制冷系统原理图
5.2. 压力调节阀和旁通调节阀稳定冷凝压力。
在我国北方地区，由于冬季寒冷，最低温度可达-40℃，标准的机房空调机无法在此温度下正常运行。需要对冷凝器进行改造，以实现一台冷凝器冬、夏自动控制有效冷凝面积，达到低温下制冷运行的目的。
原理如下：（图4）当冬季冷凝压力下降时，压力调节阀根据阀前冷凝压力关小调节阀，使冷凝器中液面升高，减小冷凝面积，使冷凝压力回升到给定值；当冷凝压力回升到一定值时，调节阀相对开大，使冷凝压力不致过分升高。旁通调节阀则根据贮液器内的压力来控制其开启度，使贮液器内的压力与冷凝压力始终保持恒定的差值，不致过高。这种方法可以防止制冷剂过冷，避免膨胀阀出现过度关闭的问题，从而保证膨胀阀的正常工作。

5.3. 压力控制冷却风量。
采用压力开关控制风机的开停或者用压力调速器控制风速来调节冷却风量，进而达到控制冷凝压力的目的。我们进行了不同的试验。
l 压力控制器控制：将冷凝器风机改为压力控制，压力开关控制风机的开或停来调节冷却风量，保障冷凝压力在一个合适范围，防止过冷度失控。方法如下（我们采用PENN PLT056N025型压力控制器）：
1) 停机，切断空调电源。
2) 拆下调速板和温度传感器，在ISOVEL调速板位置装上压力控制器。
3) 接好电线（接线方法如图三所示）和压力探头，防止制冷剂泄露。
4) 将压力控制器动作压力设置为1.7MPa，回差压力设置为0.3MPa。
5) 检查无误后，送电开机，根据压力表读数校正压力控制器的设定。

改造后，空调的冷凝压力由压力控制器控制，当高压压力高于1.7Mpa时，冷凝风机启动,当压力低于1.4 Mpa时，冷凝风机停止,通过风机的开停,将压力控制在1.4—1.7 Mpa之间，防止了风机的连续运转造成制冷剂过冷度太大，制冷剂的过冷度被限定在容许的范围内3－6℃），图6是冷凝器的压力工作图。

从图中可以看出，系统压力波动较为频繁，但由于ISOVEL空调冷凝器下部装有一个较大的储液桶，起到供液均衡作用，所以对空调工作影响不大。缺点是风机频繁启动，噪声比改造前有所提高。
l 压力调速控制：用压力调速器取代了压力控制器（我们采用JOHNSON的P215DP-9100型压力调速器），控制器根据系统压力自动控制风机转速，并达到一个平衡点，工作方式如图7，当冷凝压力达到1.6MPa时，压力开关输出电压，风机启动，这时，风机转速很低，随着冷凝压力的升高，风机转速加快，直到冷凝压力大于等于2.0MPa时，压力控制器输出最大电压，此时风机达到最大转速随着冷凝压力的降低，风机转速降低，当压力等于启动点的位置1. 6MPa时，压力开关切断电压，风机停机。接线图8如，这种方式，弥补了方法A的缺点，制冷循环压力稳定，没有风机频繁启动的噪声，尤其适合在住宅小区等对噪声有控制的地方。

6. 方案评估
方案1，电子膨胀阀反应和动作速度快，开闭特性和速度均可人为设定，可在10%--100%的范围内进行精确调节，完全不受制冷剂温度影响，但技术要求高，适合空调生产厂家采用。
方案2，要对外机进行改造，需要两只压力调节阀相互配合控制，费用较大，北方地区可以考虑采用。
方案3，投资较小，只需要安装一只压力控制器或者压力调速器就可以，不用更改制冷系统，方便快捷，而且费用低，尤其是后一种压力调速方法，采用无级调速，避免了风扇的频繁启动，降低噪声的同时，延长了风机的运行寿命，适合我们采用。
7. 结束语：
我们采用了方案三中的压力调速方法，对杭州市区所有的ISOVEL、法亚空调等机房空调的外机进行了改造，并对机房所有专用空调过冷度进行检查，使过冷度保持在合适的范围，彻底解决了冬季空调频繁的低压故障，保证了空调的正常运行，确保了机房的安全。
参考资料：
l JOHNSON P215DP-9100型压力调速器说明书。
l 韩宝琦，李树林．制冷空调原理及应用 1998.