轮机工程 毕业论文.docx

1、轮机工程 毕业论文分类号 编号烟 台 大 学毕 业 论 文船舶制冷故障分析的最优化方案研究Optimization Scheme of Marine Refrigeration Fault 院 系： 海洋学院 专 业： 轮机工程技术 * * * 学 号： * 指导老师： 盛善智(高级轮机长) 张洪墩(助教) 2012年 06 月 08 日烟台大学海洋学院船舶制冷故障分析的最优化方案研究* * * 导 师： 盛善智(高级轮机长) 张洪墩(助教) 2012年 06 月 08 日烟台大学海洋学院烟台大学毕业论文任务书院（系）：海洋学院姓名惠汝鑫学号200977602206毕业 届别2012专业轮机工

2、程技术毕业论文（设计）题目船舶制冷故障分析的最优化方案研究指导教师盛善智、张洪墩学历本科、硕士职称高级轮机长、助教所学专业轮机工程、轮机工程主要内容：本文描述了船舶制冷的工作原理，并对船舶制冷故障做出了理论和实践两个方面的分析。综合理论和实践的分析，结合书面所学的知识通过一些经验，总结出能尽快的找出船舶制冷故障问题的根源，并能迅速的解决问题，做到尽可能不耽误正常的运行，并就此提出自己的优选方案。 基本要求：论文层次清楚，结构合理，重点突出，文字准确。符合论文写作规范和要求。资料要选择合理，准确。并注明资料的出处和来源。进度安排：2012.3.23.27 开题、搜集资料2012.3.284.19

3、 完成论文大纲2012.4.205.25 撰写毕业论文初稿2012.5.266.8 论文修改、定稿、打印并准备答辩指导教师（签字）： 年 月 日院（系）意见： 教学院长（主任）（签字）： 年 月 日备注：摘要 船舶上的制冷系统出现故障是很常见的现象，当船舶制冷系统出现故障时，我们应该通过理论和实践的结合先对故障进行分析，然后做出判断，再通过快速有效的方法达到尽快解决故障问题的目的。本文对船舶制冷系统的原理和结构进行了介绍，对船舶制冷设备经常出现的几种典型机械故障如:冰塞、液击、制冷压缩机启停频繁等进行了理论和实践两个方面的分析。通过分析总结并缩小故障的范围，进一步确定出故障的根源，从而达到排除

4、故障的目的。本文通过总结制冷故障的解决措施从而列出了一套在船上遇到故障并能快速排除故障的最优化方案。关键词：船舶，制冷系统；压缩机；制冷剂 Abstract：The ship refrigeration system failure is a very common phenomenon, When the ship refrigeration system malfunction, we should through the combination of theory and practice, first to failure analysis, then make a judgment,

5、 again through the rapid and effective method to solve the problem as soon as possible the purpose. In this article, the ship of cooling system principle and structure were introduced, and the ship refrigeration equipment often appear of several typical mechanical fault such as: ice jam, liquid stri

6、ke, refrigeration compressor rev. Stop frequent, both theoretical and practical aspects of the analysis. Through the analysis of the narrow the scope of the fault and, further to determine the root cause of the fault, so as to achieve the purpose of the faults. This article summarizes the fault of r

7、efrigeration solutions to list a fault in the ship meet and quickly remove the faults of the optimization scheme. Key words：Marine engine；Refrigeration system；Compressor；Refrigerant绪论制冷是指使某一物体或某一空间温度低于周围环境温度，并维持这一温度的过程。“制冷”包括从低温物体或空间带走热量和隔热保温两个方面的功能。制冷的途径通常有两种:一是利用天然冷源，如天然冰和地下水，此方法受到时间和地区等条件限制，具有很大的

8、局限性；另一种是人工制冷。在船舶上大多数都是采用人工制冷，从而达到保鲜食品和货物的目的。人工制冷也叫机械制冷，是通过借助于一些专门的机械设备做功而达到制冷的目的。这些设备通常是由压缩机、热交换设备、节流和蒸发元件等组成，在这些机械制冷装置中，经常会因为一些摩擦磨损、环境介质或者管理保养不当等问题引起一些机械故障。本文针对这些机械制冷设备当中出现的一些故障，对其做出简单的理论和实践方面的分析，通过论述和总结做出对船舶制冷故障分析的最优化方案。 1 船舶制冷1.1 船舶制冷的基本原理 船舶制冷装置中最常用的就是蒸气压缩式制冷（简称为压缩制冷），其原理如下图1.1所示。它是选择沸点很低的液体作为制冷

9、剂，经膨胀阀（即节流阀）节流进入蒸发器的盘管中，在较低的蒸发压力下吸热汽化，从而实现制冷。为了在蒸发器中维持低压，需用压缩机将其中制冷剂蒸气不断地抽出，压送到冷凝器中去。冷凝器中的冷凝压力及相应的冷凝温度较高，这样就可以利用环境介质（舷外水或空气）使制冷剂蒸气冷却、冷凝而重新液化，然后再经膨胀阀节流后送入蒸发器汽化吸热，从而不断地吸热，达到连续制冷的目的。图1.1船舶制冷原理示意图1.2 船舶制冷的主要元器件船舶制冷的元器件主要包括压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、蒸发器等，但是除了这些以外还包括许多辅助设备和自动控制元件。例如：油分离器，一般装在压缩机排出端，用来分离排出气体带出来的滑油。贮液器，

10、它是装在冷凝器后用来储存液态制冷剂的容器。干燥过滤器，用来给系统干燥的。液流指示镜，装在液管上用来观察流体稳定的情况等。1.2.1 制冷压缩机制冷压缩机是制冷装置中最关键的“主机”，对装置的制冷量、性能系数和使用寿命有决定性的影响。制冷压缩机有活塞式、回转式、离心式等类型，回转式压缩机包括螺杆式、涡轮式滚动转子等多种。活塞式制冷压缩机使用最广泛，其制造、管理和维修的经验都比较成熟。因其流量受转速限制，只能在Q0小于200kW的中、小制冷量的范围，是船舶制冷装置采用的主要机型。螺杆式压缩机转速较高，输气量较大，过去适用于制冷量Q0在1501500kW，在船上主要用于冷藏舱制冷装置，近年来经不断改

11、进Q0已可达到50kW以下。其价格虽然比活塞式高，性能系数一般也比活塞的低，但是单位制冷量的尺寸较小，重量较轻，易损件少，工作寿命长，维护简单，故在一些大型船舶的空调装置中已取代活塞式压缩机。在船上的这些制冷压缩机还有一些外部特征，并且能通过这些外部特征而判断压缩机的故障和存在的问题： 1)声音：正常工作的压缩机，它的进排气阀会发出清晰又有规律的“噗噗”声。如果发现有特别的声音(以“液击”声为多)应该立刻检查冷却水量或冷剂量。 2)温度：用手贴在排气侧缸头上有温热的感觉，手贴在吸气侧的缸头上有冷的感觉，这样才算正常，另外缸头不能有结冰的现象等。 3)润滑油：运转中的压缩机滑油油位不应高于视油镜

12、中间位置，如果超过了不仅进入系统的油量增多还可能影响其制冷的能力，甚至造成压缩机“油击”。 1.2.2 冷凝器 冷凝器是放出热量的设备，将蒸发器中吸收的热量连同压缩机功所转化的热量一起传递给冷却介质带走。它的功用是将压缩机排出的气态制冷剂冷凝成液态的，供系统循环使用。船舶冷凝器设备大都是采用卧式的壳管式，它上面包括一些重要的元器件例如：安全阀、放气阀、平衡管、水室放气旋塞和放水旋塞等。关于冷凝器还有一个重要的参数需要调节，那就是冷却水量调整，在没有冷却水量自动调节阀时，人工调节冷却水量是一项重要的日常工作。航行于南北航区的船舶更应及时地根据海水温度变化和排出压力变化而调节海水量，否则将严重地影

13、响装置的工作。特别是在冬季易发生“液击”。1.2.3 热力膨胀阀热力膨胀阀工作原理：热力膨胀阀是通过感受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。按照平衡方式不同，热力膨胀阀分为外平衡式和内平衡式。在工业冷却设备中，一般采用外平衡式热力膨胀阀。热力膨胀阀由感应机构、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，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。该压力将通过膜片传给顶杆直到阀芯。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

14、者处于平衡时有Pb=Pt+Po 。当蒸发器热负荷增大时，出口过热度偏高，Pb增大，PbPt+Po，合力使顶杆、阀芯下移，热力膨胀阀开启增大，制冷剂流量按比例增加。反之热力膨胀阀开启变小，制冷剂流量按比例减小；因此制冷设备是由热力膨胀阀通过控制过热度实现制冷系统的自我调整。热力膨胀阀是制冷系统中主要部件之一,它装在紧靠蒸发器入口处,其感温包是包扎在蒸发器出口末端。高压液体流经阀孔进入蒸发器时呈喷射状态,在低压蒸发管内扩散从蒸发器周围吸热。如果氟利昂液体不断地进入蒸发器,蒸发器就不断地从周围吸热,就会使周围温度逐渐下降。膨胀阀由阀体、气热式膨胀盖感应机构、阀座、阀针、调节杆、弹簧、顶针等组成。其感

15、应机构内充有氟利昂液体或充填活性炭和其他气体,当感温包受温度升高影响时,包内液体(或气体)受热膨胀,感应机构的压力大于弹簧的压力将顶针压下顶开阀针,阀孔开启；反之包里液体受温度降低影响时,压力减少,弹簧的压力大于感应机构的压力,将阀针向上移,阀孔关小甚至关闭。1.2.4 蒸发器蒸发器就是一盘粗一点的盘管，低温液态制冷剂进入蒸发器盘管流动时，通过管壁吸收盘管周围介质（空气或水）的热量沸腾汽化（蒸发），使盘管周围的介质温度降低或保持一定的低温状态，从而达到制冷的目的。它的功用就是让制冷剂在其中汽化，而从被冷却的介质中吸收热量。根据制冷是采用直接冷却式或是间接冷却式蒸发器所冷却的介质不同，其形式也不

16、同。船舶氟利昂制冷装置大多采用直接制冷式，其蒸发器直接放在冷库（或空调器）中冷却空气，有冷却排管和利用冷风机两种形式。蒸发器让低温液态制冷剂和需要制冷的介质交换热量的换热器。因此蒸发器盘管应置于需要制冷的空间介质中。例如，电冰箱或冷库的蒸发器放在冷藏室和冷冻室内；房间空调器的蒸发器放在空调房间的墙内侧，并作空气冷却器生产低温水（工程上称冷水）的冷水机组的蒸发器盘管放在产生冷水的壳箱内等。1.3 船舶制冷剂的介绍 制冷剂又称制冷工质，是制冷循环的工作介质，利用制冷剂的相变来传递热量，既制冷剂在蒸发器中汽化时吸热，在冷凝器中凝结时放热。它在低温下吸取被冷却物体的热量，然后在较高温度下转移给冷却水或

17、空气。在蒸气压缩式制冷机中，使用在常温或较低温度下能液化的工质为制冷剂，如氟利昂（饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物），共沸混合工质（由两种氟利昂按一定比例混合而成的共沸溶液）、碳氢化合物（丙烷、乙烯等）、氨等；在气体压缩式制冷机中，使用气体制冷剂，如空气、氢气、氦气等，这些气体在制冷循环中始终为气态；在吸收式制冷机中，使用由吸收剂和制冷剂组成的二元溶液作为工质，如氨和水、溴化锂（分子式：LiBr。白色立方晶系结晶或粒状粉末，极易溶于水）等。1987年9月在加拿大的蒙特利尔室召开了专门性的国际会议，并签署了关于消耗臭氧层的蒙特利尔协议书，于1989年1月1日起生效，对氟里昂在的R11、R12、R

18、113、R114、R115、R502及R22等CFC类的生产进行限制。1990年6月在伦敦召开了该议定书缔约国的第二次会议，增加了对全部CFC、四氯化碳（CCL4）和甲基氯仿（C2H3CL3）生产的限制，要求缔约国中的发达国家在2000年完全停止生产以上物质，发展中国家可推迟到2010年。另外对过渡性物质HCFC提出了2020年后的控制日程表。HCFC中的R123和R134a是R12和R22的替代品。1.3.1 制冷剂的种类1)无机化合物编号为R7*。R为英文单词Refrigerant（制冷剂）的字头，其后*表示的数字是化合物的分子量。例如水的编号是R718，氨是R717。2)卤代烃目前用作制

19、冷剂的卤代烃多是甲烷或是乙烷中的氢原子被卤素氟、氯、溴原子取代而成的，商品名统称氟利昂（freon）。其编号就为R*，其中*表示的数字依次是碳原子数m-1、氢原子n+1、氟原子数x。其中甲烷生成的m-1=0，故用R*表示而两位数字之和为五则不含氯。3)非共沸混合物它是由两种以上物质混合而成的，在既定压力下蒸发或冷凝时，各组分在气相和液相的质量分数不同，且一直在变化，相变温度也在改变。4)共沸混合物 有些二元混合物以特定的质量比组合时泡、露点合一，成为共沸点，这时的混合物就称为共沸混合物。5)碳氢化合物它们是廉价的自然工质，ODP为零，GWP也很低，不腐蚀金属，难溶于水，与水不发生作用；主要缺点

20、是易燃，与空气混合后有爆炸的危险，但小型制冷装置充剂不多应无大碍。1.3.2 对制冷剂的要求 制冷剂是制冷装置用来完成制冷循环的工质，应根据所用制冷机的类型和要求的制冷温度来选择。压缩式制冷装置所用的制冷剂的热力性质和热物理性质希望能满足以下要求： 1)在大气压力下，制冷剂的蒸发温度(沸点)ts要低，这是一个很重要的性能指标。ts愈低，则不仅可以制取较低的温度，而且还可以在一定的蒸发温度to下，使其蒸发压力Po高于大气压力。以避免空气进入制冷系统，发生泄漏时较容易发现； 2)要求制冷剂在常温下的冷凝压力Pc应尽量低些，以免处于高压下工作的压缩机、冷凝器及排气管道等设备的强度要求过高。并且冷凝压

21、力过高也有导致制冷剂向外渗漏的可能和引起消耗功的增大； 3)对于大型活塞式压缩机来说，制冷剂的单位容积制冷量qv要求尽可能大，这样可以缩小压缩机尺寸和减少制冷工质的循环量；而对于小型或微型压缩机，单位容积制冷量可小一些；对于小型离心式压缩机亦要求制冷剂qv要小，以扩大离心式压缩机的使用范围，并避免小尺寸叶轮制造之困难；4)制冷剂的临界温度要高些,冷凝温度要低些。临界温度的高低确定了制冷剂在常温或普通低温范围内能否液化；5)压缩终温不能太高，以避免降低滑油和使用性能和使用寿命；6)热导率较大，可减少换热尺寸；此外，还要求制冷剂化学稳定性和安全性好，毒性低与所用的材料相容，而且希望对大气臭氧层的损

22、耗作用和温室效应都比较轻微等等，它的性质直接关系到制冷装置的制冷效果、经济性、安全性及运行管理，因而对制冷剂性质要求的了解是不容忽视的。2 船舶制冷的几种典型故障2.1 冰塞 制冷剂在制作和运输过程中不免与空气接触而含有少量水，它们在制冷系统中经过节流、降压后，温度自然降低。当温度降至0以下时，水会呈游离状态而迅速结冰，在制冷管路狭窄处就会形成堵塞，这就是所谓的“冰塞”现象。2.1.1 冰塞形成的原因在船舶制冷装置管理中“冰塞”很常见。由于氟利昂制冷剂本身具有一定的溶水性，所以制冷剂中都含有一定量的水分，当水量超过氟利昂对它的溶解度时，水分就会从中游离出来。另外水在制冷剂中的溶解度会随着温度的

23、降低而大大减少，如对于R22来说，在-1O时，液态R22的溶水量为450mgkg，气态为170mgkg，而当温度降至-3O 时，液态仅为180mgkg，气态约为60mgkg。因此，即使常温下不含游离水的冷剂，到达低温管系时其含水量仍可超过该温度下的饱和值而析出游离水。这些游离出来的水在0以下凝结成冰，当冰过多地聚集于系统某处时，便会阻碍制冷剂通过，造成冰塞，使系统不能正常制冷。目前船舶制冷装置的制冷剂通常使用 F22，特别是在一些CFCs被禁止使用的今天，F22主要为过度性制冷剂，它的性质与F12一样溶水性很小。由于R12的溶水性要比R22小得多，所以相对来说以R12为制冷剂的系统要比以R22

24、为制冷剂的系统出现冰塞的可能性要大得多。另外滤器脏堵或膨胀阀前后开度不足，也会导致产生“冰塞”。一般情况下，在膨胀阀处比较容易形成“冰塞”，因为膨胀阀是制冷系统中温度最先降至0以下的部位，同时阀孔的通路又比较窄小且不规则，冷剂中的水分子最先开始从这里析出继而结成细小的冰晶。刚生成的冰晶由于受到滤网等物体的阻挡而附着在某处，后续流过的冷剂中析出的水分子便会以这些小冰晶为冰核，继续积聚逐渐长大和蔓延，直到堵塞整个流道，造成“冰塞”。由于冰晶最易附着于流道形状复杂、表面粗糙、冷剂流速慢的部位，故“冰塞”常见于膨胀阀内滤网以及膨胀阀到蒸发器的管路内，偶尔也会在背压阀前滤网及截至阀上出现。2.1.2 冰

25、塞的特征从现象上看“冰塞”有以下几个特征： 1)压缩机低压端吸气压力低，由于膨胀阀后的低压管路水分的凝结而使冷剂流量减少，而造成压缩机吸气端压力下降； 2)压缩机启停频繁，被调节对象的温度却降不下来；3)压缩机驱动马达电流值小于正常值；4)当冰塞尚未完全堵死通道时，蒸发器的制冷剂流量减少，出口过热度增加，压缩机吸入压力下降，直至低压控制器使压缩机停车；5)停车后“冰塞”处的冰部分熔化，压缩机吸入压力回升而重新启动；6)反复启停“冰塞”会继续加重，停车时间会继续加长，再次启动的时间会更短，完全不能正常启动。2.2 液击 制冷系统的液态制冷剂或润滑油随气体吸入压缩机气缸时损坏吸气阀片的现象，以及进

26、入气缸后没有在排气过程迅速排出，在活塞接近上止点时被压缩而产生的瞬间高液压的现象通常被称为液击。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、活塞销等）的损坏，是往复式压缩机的致命杀手。减少或避免液体进入气缸就可以防止液击的发生，因此液击是完全可以避免的。2.2.1 造成液击的原因制冷剂的状态不仅与所在环境的压力和温度有密切联系，而且还取决于节流后的管内温度；液态冷剂经过膨胀阀降压后，若蒸发器 内温度过低，膨胀阀节流后蒸发器内压力变化不大，那么就不一定完全变成气态，部分冷剂可能仍呈液态，其表现为压缩机缸头及吸入口严重结冰。这样一来就完全可以造成液击现象。实际上每次吸入的液态制冷

27、剂，只占气缸容积的一部份，液击只能在排出行程的末期即活塞在上死点附近产生。另外蒸发器内部分制冷剂仍有可能呈液态，那么从蒸发器流回压缩机的制冷剂就会还有可能造成液击，蒸发器内部制冷剂还有可能成液态的原因有： 1)蒸发器热量交换不足，例如风机故障或其它原因不能供风，或蒸发器严重结冰使风不能加温蒸发器； 2)膨胀阀开度过大，或多缸压缩机的增减缸机构故障；3)空调系统中在某一程度范围内制冷剂量不足。空调系统压缩机的吸入压力一般在 055MPa左右，蒸发温度较高正常情况不会引起蒸发器结霜，但在冷剂量不足的时候 ，制冷剂可能过度膨胀，引起吸入压力偏低，蒸发温度变得很低。而夏季外界空气的湿度较大，若再遇到外

28、界气温不太高，水分很快被冻结在蒸发器上，蒸发器热交换受阻，部分冷剂仍呈液态便可造成液击。这种现象在自动减缸失灵时更容易发生，其表现为吸入口压力低、温度低甚至结霜。2.2.2 液击的现象 通常，液击现象可分为两个部分或过程。首先，当较多液态制冷剂、润滑油或者两者的混合物随吸气以较高速度进入压缩机气缸时，由于液体的冲击和不可压缩，会引起吸气阀片过度弯曲或断裂；其次，气缸中未及时蒸发和排出的液体受到活塞压缩时，瞬间内出现的巨大压力并造成受力件的变形和损坏。这些受力件包括吸排气阀片、阀板、阀板垫、活塞（顶部）、活塞销、连杆、曲轴、轴瓦等。2.3 压缩机启停频繁 不设容量调节的伙食冰机，一般以每小时启停

29、不超过四次为宜。频繁启停会影响设备和电路的可靠性，可能使油压差控制器的加热元件或是电路过载保护元件过热而停车，造成压缩机不能再次启动。如果库温未达要求而频繁启停，这样势必会影响制冷效果。2.3.1 压缩机启停频繁的原因及其特征 压缩机启停频繁的原因包括以下三种情况：第一种情况是供液电磁阀启停频繁，导致低压控制器使压缩机启停频繁，这是温度控制器启闭频繁。原因有两个，一：冷库隔热差，二：温度控制器温包安装不当；第二种情况是电磁阀扔开启，低压控制器使压缩机频繁启动，这表明库温未达到下限，压缩机吸入压力过早达到低压控制器下限，停车后仍有制冷剂进入蒸发器，吸入压力势必不久又回升到上限，压缩机因此频繁启停

30、。原因有三：一是压缩机输气量太大，二是温度控制器下限调的太高或是幅差太小，三是工作是吸入压力太低；第三种情况是即使电磁阀全部关闭，低压控制器仍使压缩机频繁启停，这是因为高低压之间存在较严重的内部泄漏。此外由于压缩机的正常起停动作直接受高低压继电器控制，即所调定的高压保护压力和低压停车及启动压力。压缩机启停频繁是一个不正常的表现，频繁这样下去会对压缩机造成很大损坏。3 针对船舶制冷故障做出理论分析 制冷装置是一个整体系统性较强，制冷剂在其中不断循环，但各部件的工作却是相互联系、相互制约的，所以在出现故障时，往往一处出问题，其它各处也都连带表现异常。所以根源可能出在此处，但是问题出在另一地方，并且

31、同一种异常现象又可能由于不同的情况所引起的。因此对故障必须进行全面分析，要从装置的全局出发，不要就事论事，才能尽快查出原因。3.1 冰塞的理论分析确认“冰塞”发生后，船上一般都用专用的小型液化气火炬烘烤蒸发器，内部的冰受热融化后，蒸发器管路就通了。但是一般情况下一两天后还会发生冰塞，越烘烤以后的情况就越厉害，这是因为蒸发器中原来附着在管壁上的冰融化后，随着制冷剂发生了移动，更容易移动到狭窄的地方继续结冰。只要系统开始制冷，低于零度水就永远出不来，“冰塞”多次发生，处理不好或不及时，操作者的劳动强度增大不说，冷库可能由于进进出出和频繁加热，温度回升很快，势必造成伙食的变质。所以在这里以肉库为例介绍在船上无需陆地专业工人协助，就能够彻底解决船舶制冷系统的“冰塞”事故的方法：1)用系统自身的干燥器吸收，首先将干燥剂换新，并将干燥器接入系统，然后将“冰塞”部位加热，使里面的冰融化，使水分随制冷剂在系统中循环，并以干燥剂加以吸收。因为干燥剂吸水量较小，所以必须多次更换干燥剂进行吸收才可；2)用8lOmm的紫铜管制作一根足够长两头有合适接头的连接管路，一头连接在压缩机的出口多用途通道上上紧；另一头连接到肉库的拆去膨胀阀的管路上(如图3.1的截止阀处)。先将压缩机的多用途通道阀稍开（目的是将铜管路中的空气排除）然后将这头连接帽也上紧，此管路的作用