城市轨道交通车辆制冷系统组成的认知

项目3　城市轨道交通车辆空调制冷系统

【项目描述】

城市轨道交通车辆制冷系统是车辆空调的重要组成部分，担负着调节客室内温度的重要任务。本项目详细介绍了空调制冷系统的原理、组成和部件，对制冷系统的维护、故障处理结合实践进行了拓展。

【学习目标】

本项目使学生在掌握城轨车辆制冷系统原理、组成、部件结构的基础上，使其具备对空调制冷系统设备进行检查维护作业的能力，具备对该设备的常见故障进行判断的能力。

1．了解城轨车辆制冷系统的原理；

2．了解城轨车辆制冷系统的基本组成及各个部件的功能；

3．掌握压缩机、换热器和膨胀阀的结构及功能；

4．掌握城轨车辆制冷系统的维护方法；

5．了解城轨车辆制冷系统常见故障原因。

【技能目标】

1．能在现场对城轨车辆空调制冷系统各个部件进行辨识；

2．能在作业现场对城轨车辆空调制冷系统进行维护；

3．在现场能认识制冷系统检漏及制冷剂充注所用的常用设备；

4．能够对制冷系统故障现象进行分析并提出处理方法和检查步骤。

任务3．1　制冷循环基本原理的认知

【活动场景】

制冷是空调系统的主要功能。本节主要介绍制冷循环的基本原理以及制冷循环中物质热量的变化过程。

【任务要求】

1．掌握制冷系统的基本概念；

2．掌握蒸汽压缩式制冷原理的组成；

3．了解熵和焓的基本概念。

【知识准备】

3．1．1　制冷的基本概念

冷却就是取出物体的热量，使物体的温度降低。冷却的过程伴随着物体本身热能的减少。自身热冷却的程度受周围介质的影响，冷却的极限温度不可能低于周围介质的温度。要想把某一物体的温度降到低于周围介质的温度，只能借助于人工冷却的方法，即人工制冷。具体点说，就是通过消耗一定的外功，利用不同的制冷方式，使被冷却的物体温度下降到低于周围介质温度的某一预定温度。人工制冷按照制取温度范围可以分为普冷和深冷两种。

利用人工制冷所制取的温度不低于120 K（-153．15℃）时，称为普冷技术。利用人工制冷制取的温度范围在120 K至绝对温度零度（- 273．15℃）的制冷技术称为深冷技术。轨道车辆空调制冷系统是对客室内环境温度进行调节的装置，其制取的温度通常高于17℃，属于普冷技术。在制冷状况下，通过蒸发器的空气在蒸发器外被冷却，空气中的水分冷凝成水珠，通过机组上设的排水孔排到车顶上，最终通过设在车顶两侧的排水管排到车下。

（1）制冷常用名词及概念

温度是表明物体冷热程度的物理量，常用的温标是摄氏温度。其含义是在标准大气压下，把水结冰的温度规定为0℃，沸腾时的温度定为100℃，在0℃和100℃之间平均分成100等份，每一份是1℃。按照这种规定和划分方法定出的温度标准称为摄氏温度。

热力学温度通常称为绝对温度，规定如下：以开［尔文］（K）表示热力学温度的单位，单位摄氏度与单位开尔文相等。换算关系为：t= T- 273 K，T表示热力学温度，t表示摄氏温度。

压强就是单位面积上的作用力，在1 m2的面积上均匀垂直作用1 N的力定义为1个压力单位，称为1 Pa。

热量是能量的一种形式，是表示物体吸热或者放热多少的物理量，单位是焦［耳］（J）。

（2）液、气两相转变

制冷系统的功能是通过外界对系统提供能量，利用制冷工质将热量从低温物体（如冷库、客室等）移向高温物体（如大气环境）的循环过程，从而将物体冷却到低于环境温度，并维持此低温。

在制冷过程中，主要是利用制冷剂的液气两相转变来实现人工制冷的目的。在密闭容积中，液态转化为气态的速率大于气态转变为液态的速率时，液体就会逐渐减少而气体逐渐增加，这个过程称为液体的汽化。汽化的方式有蒸发和沸腾两种，沸腾是在整个液体的内部发生的剧烈汽化过程；汽化是吸热过程，如果外界没有供给热量，汽化的结果是液体内部分子的平均动能减少，从而使得液体温度降低。

在密闭容积中，液态转化为气态的速率小于气态转变为液态的速率时，液体就会逐渐减少而气体逐渐减小，这个过程称为蒸汽的液化。液化是放热过程。汽化和液化是液气相变的两种相反过程。

车辆制冷系统是利用制冷剂将热量从客室内的空气转移到客室外的大气环境，并维持客室内的温度保持在一个乘客舒适的数值。

（3）饱和状态

密闭容器中的液体，在一定温度下，蒸汽压力会自动保持在一定数值上，这时液气两相转变就达到了动平衡，此时空间气态分子浓度不变，这个状态称为液体的饱和状态。处于饱和状态的蒸汽和液体称为饱和蒸汽和饱和液体。饱和状态下的蒸汽压力称为饱和压力，饱和液体的温度称为饱和温度。

3．1．2　蒸汽压缩式制冷过程

（1）蒸汽压缩式制冷的基本原理

制冷循环由压缩过程、冷凝过程、膨胀过程、蒸发过程组成。它就是利用有限的制冷剂在封闭的制冷系统中，反复地将制冷剂压缩、冷凝、膨胀、蒸发，不断地在蒸发器处吸热汽化，进行制冷降温。根据实现压缩过程、冷凝过程、膨胀过程、蒸发过程的方式不同，制冷循环系统可分为不同种类，包括压缩式制冷循环、吸收式制冷循环、蒸汽喷射式制冷、声能制冷、热管式制冷、磁制冷、吸附式制冷，空气压缩制冷、地温制冷等，一般车辆空调制冷装置均采用蒸汽压缩式制冷，利用制冷剂的液气两相的转变来实现人工制冷。

在各种制冷方法中，最常用的是压缩式制冷，大约占90%。压缩式制冷的原理是利用制冷剂（一种物质）在低温下沸腾吸热，由于制冷剂的沸点低于被冷却空气的温度，所以制冷剂将吸热汽化，由于沸腾吸热时的温度低于制冷对象的温度，制冷对象的热量就传递给了制冷剂，制冷对象的温度就降低，这个降温过程一直到制冷剂全部汽化为止。

为了将汽化的制冷剂回收利用，需要通过压缩机再次冷却为液体。通过压缩机做功，使吸热后的制冷剂温度和压力升高（高于环境温度）。这时需要环境介质来冷凝制冷剂，使从压缩机出来的高压制冷剂重新冷凝为液体，制冷剂就可以把热量传递给环境。然后，通过节流降压，制冷剂重新在低温下沸腾吸热。如此不断循环制冷，达到制冷效果。大体工作原理如上所述，在实际应用中，压缩式制冷机有一套完善的设备保证制冷工作的正常进行。在制冷方法中，液体汽化制冷应用最为广泛。车辆空调机组采用的是蒸汽压缩式制冷，它属于液体汽化制冷。制冷剂在一个封闭的空间中，只需要消耗压缩机的功就可以反复将制冷剂由蒸汽变为液体的相态变化，这种相态变化将低处的热量转移到高温处。

（2）蒸汽压缩式制冷系统的理论循环和实际循环

制冷剂在制冷回路中循环流动，并且不断地与外界发生能量交换，即不断地从被冷却对象中吸取热量，向环境介质排放热量。为了实现制冷循环，必须消耗一定的能量。

1）理论循环

逆向卡诺循环是制冷的理想循环，表示在TS图上，如图3．1所示：1—2是压缩过程，制冷剂经过压缩，温度由T1升高到T2，同时消耗机械能；2—3为定压放热过程，制冷剂向周围介质放出热量，冷却到状态3；3—4是绝热膨胀过程，制冷剂做膨胀功，温度由T3下降到T4；4—1是定压吸热过程，制冷剂向被冷却物体吸收热量，同时制冷剂恢复到初始状态1完成一个制冷循环。如果需要循环继续进行，则要不断消耗循环功，才能不断进行制冷。

图3．1　空气压缩制冷循环

由此可见，在制冷循环中，能使低温物体中吸收的热量传递给周围的介质（冷却水，空气）的过程不是自发的，而是要消耗一定的外界能量。理想的制冷循环包括四大部件：压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀机。理论循环是在忽略制冷剂在循环过程中的摩擦以及热损失的情况下建立起来的，实际循环效率要低一些。

2）实际循环

实际上采用的蒸汽压缩式的制冷实际循环（如图3．2）与理论循环相比，有以下几个特点：用膨胀阀代替膨胀机，蒸汽的压缩采用干压缩代替湿压缩，两个传递过程均为定压过程，并且具有传热温差。

在理想制冷循环中，膨胀机将冷凝后的制冷剂从高压变为低压，并且无能量损失。事实上，这是无法做到的，采用膨胀阀以后，制冷剂的膨胀过程变为节流过程，既有热损失又有摩擦损失。

图3．2　制冷循环

理想制冷循环采用的是湿压缩。湿压缩存在缺点，压缩机吸入湿蒸汽，低温蒸汽与高温汽缸壁在缸内发生剧烈热交换，迅速蒸发而占据汽缸的有效空间，减少了制冷剂被压缩机的吸入量，降低了制冷量；过多的液体进入压缩机汽缸后，不能立即全部汽化，不仅破坏润滑，而且会造成液击，损坏压缩机。因此蒸汽压缩制冷装置在实际运行中严禁发生湿压缩现象。

在实际制冷循环中，因为气体在循环过程中的摩擦损失、节流损失等原因，绝热过程和等压过程并不存在，效率要低一些。

（3）蒸汽压缩式制冷系统的组成

空调用蒸汽压缩式制冷系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器等部件组成，并用管道将其各部件连成一个封闭的系统。

工作过程如下：

①液态制冷剂通过制冷系统回路的不断循环产生，并在蒸发器内蒸发，与被冷却空气发生热量交换，吸收被冷却空气的热量并汽化成低温、低压的蒸汽；

②压缩机消耗电能不断地将产生的蒸汽从蒸发器中抽走，并压缩制冷剂，使其在高压下被排出；

③经压缩后的高温、高压蒸汽在冷凝器内被周围的空气冷却，凝结成高压液体；

④利用热力膨胀阀使高压液体节流，节流后的低压、低温湿蒸汽进入蒸发器，再次汽化，吸收被冷却空气的热量。

城市轨道交通车辆空调机组的制冷系统如图3．3所示，由压缩机、室内外热交换器、干燥器、毛细管、车厢内热交换器、冷凝器及配管构成，里面注入了R407C。过程为：制冷剂R407C蒸气在压缩机内被压缩成为高温、高压的气体，被分成两路经两侧风冷冷凝器的冷凝、冷却后，通过冷凝风机吸入外界空气来强迫对流，增强换热效率，使经过冷凝器后的制冷剂成为常温（约为50℃）、高压的液体；液体制冷剂进入干燥过滤器后，再次被分成两路，每一路都先通过液体管路电磁阀到达毛细管进行节流，制冷剂在毛细管中被节流降压，变成低温、低压的气液混合状态，液体制冷剂在蒸发器管内吸收车厢内空气的热量，并由液态蒸发变成气液态后进入气液分离器；气态的制冷剂被再次吸入到压缩机，重新被压缩，压缩机的不断工作和系统的往复循环，达到连续制冷的效果。

图3．3　车辆制冷循环图

CP1、CP2—压缩机，SV11、SV21—液管电磁阀；SV12，SV13，SV22，SV23—卸载电磁阀；SV14，SV24—旁通电磁阀；ACC1，ACC2—气液分离器

3．1．3　熵与焓

（1）熵的概念

熵在科学技术上泛指某些物质系统状态的一种量度，是混乱和无序的度量，表示某些物质系统状态可能出现的程度。对于热工学而言，只有当所使用的那个特定系统中的能量密度参差不齐的时候，能量才能够转化为功。这时，能量倾向于从密度较高的地方流向密度较低的地方，直到一切都达到均匀为止。正是依靠能量的这种流动，才能从能量得到功。由于这个原因，江河发源地的水位比较高，水就沿着江河向下流入海洋。总势能这时保持不变。正是在水往下流的时候，可以使水轮转动起来，因此水就能够做功。处在同一个水平面上的水是无法做功的，即使这些水是处在很高的高原上，虽然具有异常高的势能，同样做不了功。在这里起决定性作用的是能量密度的差异和朝着均匀化方向的流动。

“熵”（entropy）是德国物理学家克劳修斯（1822—1888）在1850年创造的一个术语，他用它来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度。能量分布得越均匀，熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全均匀地分布，那么，这个系统的熵就达到最大值。在克劳修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除差异的。让一个热物体同一个冷物体相接触，热就会以下面所说的方式流动：热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。如果把两个水库连接起来，并且其中一个水库的水平面高于另一个水库，那么，万有引力就会使一个水库的水面降低，而使另一个水面升高，直到两个水库的水面均等，而势能也取平为止。因此，克劳修斯说，自然界中的一个普遍规律是：能量密度的差异倾向于变成均等。换句话说，“熵将随着时间而增大”。

熵是热力系内微观粒子无序度的一个量度，熵的变化可以判断热力过程是否为可逆过程。热力学能与动能、势能一样，是物体的一个状态量。熵是用热量除温度所得的商，标志着热量转化为功的程度。它是热力学中表征物质状态的参量之一，通常用符号S表示。在经典热力学中，可用增量定义为d S= d Q／T。式中，T为物质的热力学温度；d Q为熵增过程中加入物质的热量。“可逆”表示加热过程所引起的变化过程是可逆的。若过程是不可逆的，d S＞（d Q／T）不可逆，则单位质量物质的熵称为比熵，记为s。

熵最初是根据热力学第二定律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量。热力学第二定律是根据大量观察结果总结出来的规律，有下述表述方式：

①热量总是从高温物体传到低温物体，不可能作相反的传递而不引起其他的变化；

②功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断地把所接受的热量转变为功；

③在孤立系统中，实际发生的过程总使整个系统的熵值增大，此即熵增原理。

人们早已断定，能量既不能创造，也不能消灭。这是一条最基本的定律，所以人们把它称为“热力学第一定律”。

摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热，使熵增加。热量d Q由高温（T1）物体传至低温（T2）物体，高温物体的熵减少d S1= d Q／T1，低温物体的熵增加d S2= d Q／T2。把两个物体合起来当成一个系统来看，熵的变化是d S= d S2- d S1＞0，即熵是增加的。

熵的大小反映系统所处状态的稳定情况，熵的变化指明热力学过程进行的方向，熵为热力学第二定律提供了定量表述。为了定量表述热力学第二定律，应该寻找一个在可逆过程中保持不变。在不可逆过程中单调变化的态函数。克劳修斯在研究卡诺热机时，根据卡诺定理得出了对任意循环过程都适用的一个公式，式中Q是系统从温度为T的热源吸收的微小热量，等号和不等号分别对应可逆和不可逆过程。对于绝热过程Q= 0，故S≥0，即系统的熵在可逆绝热过程中不变，在不可逆绝热过程中单调增大。这就是熵增加原理。由于孤立系统内部的一切变化与外界无关，必然是绝热过程，所以熵增加原理也可表为：一个孤立系统的熵永远不会减少。它表明随着孤立系统由非平衡态趋于平衡态，其熵单调增大；当系统达到平衡态时，熵达到最大值。熵的变化和最大值确定了孤立系统过程进行的方向和限度，熵增加原理就是热力学第二定律。能量是物质运动的一种量度，形式多样，可以相互转换。某种形式的能量（如内能）越多表明可供转换的潜力越大。熵原文的字意是转变，描述内能与其他形式能量自发转换的方向和转换完成的程度。随着转换的进行，系统趋于平衡态，熵值越来越大，这表明虽然在此过程中能量总值不变，但可供利用或转换的能量却越来越少了。内能、熵和热力学第一、第二定律使人们对与热运动相联系的能量转换过程的基本特征有了全面完整的认识。从微观上说，熵是组成系统的大量微观粒子无序度的量度。系统越无序、越混乱，熵就越大。热力学过程不可逆性的微观本质和统计意义就是系统从有序趋于无序，从概率较小的状态趋于概率较大的状态。产生这种现象的原因也很简单，既自然界通向无序的方法远多于通向有序的方法，比如让一群学生在操场上站好队需要一些手段，但要他们在操场上乱跑就很简单了。

1824年，法国物理学家卡诺证明：为了做功，在一个系统中热能必须非均匀地分布，系统中某一部分热能的密集程度必须大于平均值，另一部分则小于平均值，所能获得的功的数量取决于这种密集程度之差。在做功的同时，这种差异也在减小。当能量均匀分布时，就不能再做功了，尽管此时所有的能量依然还存在着。德国物理学家克劳修斯重新审查了卡诺的工作，根据热传导总是从高温到低温而不能反过来这一事实，在1850年的论文中提出：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。这就是热力学第二定律，能量守恒则是热力学第一定律。1854年，克劳修斯找出了热与温度之间的某一种确定关系，他证明当能量密集程度的差异减小时，这种关系在数值上总在增加。由于某种原因，他在1856年的论文中将这一关系式称作“熵”，热力学第二定律宣布宇宙的熵永远在增加着。熵与温度、压力、焓等一样，也是反映物质内部状态的一个物理量。它不能直接用仪表测量，只能推算出来，所以比较抽象。在理论分析时，用熵的概念比较方便。在自然界发生的许多过程中，有的过程朝一个方向可以自发地进行，而反之则不行。

图3．4中，等压线是水平线；等焓线是垂直线；等温线是液体区几乎为垂直线。两相区内，因制冷剂状态的变化是在等压、等温下进行，故等温线与等压线重合，是水平线。过热蒸汽区为向右下方弯曲的倾斜线；等熵线是向右上方倾斜的实线；等容线是向右上方倾斜的虚线，比等熵线平坦；等干度线是只存在于湿蒸汽区域内，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸汽线相近，视干度大小而定。

图3．4　压焓图

图3．5中，等温线是水平线；等熵线是垂直线；等压线是两相区内是水平线，过热蒸汽区为向右上方弯曲的倾斜线；过冷区可用饱和线代替。等焓线是过热区和两相区内为向右下方倾斜的实线；过冷液体区可近似用同温度下的饱和液体的焓值代替；等容线是向右上方倾斜的虚线；等干度线是只存在于湿蒸汽区域内，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸汽线相近，视干度大小而定。

图3．5　温熵图

图3．6　理论循环在P—h图和T—S图中的表示

卡诺循环在温熵图中是一个矩形，两水平线代表可逆等温过程（不可逆过程在图上无法画出），曲线下面积为两过程的吸热量（上方曲线围成的面积为正，代表吸热，下方曲线围成的面积为负，代表放热）。可逆过程的吸热量d Q= T d S。对于可逆等温，T为常量积分时可提出积分号，故Q= T（S2- S1），可见就是线下面积。

两垂直线为可逆等熵过程，也就是可逆绝热过程。很明显，单独的一条线不能围成面积，故过程无热效应。

可逆绝热过程中，每一微小步骤都没有吸热或放热，因此在绝热线上的任意两点间的熵差都是零。故可逆绝热过程就是可逆等熵过程，但不可逆绝热过程熵要变化（总是增大，称为熵增原理）。

矩形的面积（为正），代表一个循环中总的吸热量。由于一个循环后系统恢复到起点，即状态不变，故内能不变，说明系统在一个循环中将净的吸热量（矩形面积）转化为对外做功，功的量也是该矩形面积。

例如，一个容器的两边装有温度、压力相同的两种气体，在将中间的隔板抽开后，两种气体会自发地均匀混合，但是，要将它们分离则必须消耗功。混合前后虽然温度、压力不变，但是两种状态是不同的，单用温度与压力不能说明它的状态。两个温度不同的物体相互接触时，高温物体会自发地将热传给低温物体，最后两个物体温度达到相等。但是，相反的过程不会自发地发生。上述现象说明，自然界发生的一些过程是有一定的方向性的，这种过程叫不可逆过程。

过程前后的两个状态是不等价的。可用“熵”这个物理量来度量这种不等价性。有些过程在理想情况下有可能是可逆的，例如汽缸中气体膨胀时举起一个重物做了功，当重物下落时有可能将气体又压缩到原先的状态。根据熵的定义，熵在一个可逆绝热过程的前后是不变的。而对于不可逆的绝热过程，则过程朝熵增大的方向进行。或者说，熵这个物理量可以表示过程的方向性，自然界自发进行的过程总是朝着总熵增加的方向进行，理想的可逆过程总熵保持不变。对上述的两个不可逆过程，它们的终态的熵值必大于初态的熵值。

制氧机中常遇到的节流阀的节流膨胀过程和膨胀机的膨胀过程均可近似地看成是绝热过程。二者膨胀后压力均降低。但是，前者是不可逆的绝热膨胀，膨胀前后熵值肯定增大。后者在理想情况下膨胀对外做出的功可以等于压缩消耗的功，是可逆绝热膨胀过程，膨胀前后熵值不变，叫等熵膨胀。实际的膨胀机膨胀会有损失，也是不可逆过程，熵也增大。但是，它的不可逆程度比节流过程小，增加的熵值也小。因此，熵的增加值反映了这个绝热过程不可逆程度的大小。

在作理论分析计算时，引入熵这个状态参数很方便。熵的单位为J／（mol・K）或kJ／（kmol・K）。但是，通常关心的不是熵的数值，而是熵的变化趋势。对实际的绝热膨胀过程，熵必然增加。熵增加的幅度越小，说明损失越小，效率越高。

（2）焓的概念

焓，符号为H，是一个系统的热力学参数。焓是流动式物质的热力学能和流动功之和，也可认为是做功能力。定义在一个系统内：H=U+ pV。式中，H为焓，U为系统内能，p为其压强，V则为体积。物理意义：焓=流动内能+推动功，焓表示流动物质所具有的能量中取决于热力状态的那部分能量。

之所以要定义焓这个函数，其原因是由于其变化量是可以测定的（等于等温等压过程不做其他功时的热效应），具有实际应用的价值。这样处理包含着热力学的一个重要思想方法：在一定条件下发生一个热力学过程显现的物理量，可以用某个状态函数的变化量来度量。

对于制冷系统而言，制冷剂的热力学性质是通过实验方法测定出来的，压焓图是一个直角坐标系，其横坐标是制冷剂焓与质量的比值，称为比焓；纵坐标是制冷剂压力。1个温度值在图中是一条曲线分别对应不同的压力和比焓，很多条曲线就构成了曲线簇。不同的制冷剂有不同的压焓图。

3．1．4　制冷剂

制冷剂又称制冷工质，俗称雪种。它是在制冷系统中不断循环并通过其本身的状态变化以实现制冷的工作物质。制冷剂在蒸发器内吸收被冷却介质（水或空气等）的热量而汽化，在冷凝器中将热量传递给周围空气或水而冷凝。

制冷剂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空气。在蒸汽压缩式制冷机中，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、氨等。

（1）早期制冷剂概况

1805年埃文斯（O．Evans）原创地提出了在封闭循环中使用挥发性流体的思路，将水冷冻成冰。1834年帕金斯第一次开发了蒸汽压缩制冷循环，并且获得了专利，系统中使用乙醚作为制冷剂。二氧化碳（CO2）和氨（NH3）分别在1866年和1873年首次被用作制冷剂。

20世纪初，制冷系统开始作为大型建筑的空气调节手段。1926年，托马斯・米奇尼开发了首台CFC（氯氟碳）机器，使用R-12．CFC族（氯氟碳）不可燃、无毒（和二氧化硫相比时）并且能效较高。该机器于1931年开始商业生产并很快进入家用。20世纪30年代，一系列卤代烃制冷剂相继出现，杜邦公司将其命名为氟利昂（Freon）。这些物质性能优良、无毒、不燃，能适应不同的温度区域，显著地改善了制冷机的性能。几种制冷剂在空调中变得很普遍，包括CFC-11、CFC-12、CFC-113、CFC-114和HCFC-22。

20世纪50年代开始使用共沸制冷剂。60年代开始使用非共沸制冷剂。空调工业成长为几十亿美元的产业，使用的都是以上几种制冷剂。到1963年，这些制冷剂占到整个有机氟工业产量的98%。随后一系列CFCs和HCFCs陆续得到了开发，最终在美国杜邦公司得到了大量生产成为20世纪主要的制冷剂。

（2）制冷系统对制冷剂性质要求

主要要求是制冷剂具有优良的热力学和物理特性，以便能在给定的温度区域内运行时有较高的循环效率。制冷剂的选用是一个比较复杂的技术经济问题，需要考虑的因素很多，选择时应根据具体情况，进行全面的技术分析。具体要求为：

①在常温下能够液化，在蒸发器内及出口处压力要稍高于大气压，一方面可以防止空气及水分进入，方便制冷剂泄露的检查，同时也可以防止管路承受压力过大；需要在蒸发温度下蒸发时蒸发压力大于大气压力，可以防止泄漏时，空气不窜入管路内；在常温下具有较低的冷凝压力就能液化；凝固温度要低，否则容易发生凝固，影响在管系内的流动。

②标准沸点较低、流体比热容小、制冷剂绝热指数低、单位容积制热量较大等。考虑制冷温度的要求，根据制冷剂温度和冷却条件的不同，选用高温（低压）、中温（中压）、低温（高压）制冷剂。通常选择的制冷剂的标准蒸发温度要低于制冷温度10℃。选择制冷剂还应考虑制冷装置的冷却条件、使用环境等。运行中的冷凝压力不应超过压缩机安全使用条件的规定值。汽车空调只能用车外空气做冷却介质，对其产生影响的气温、风速、太阳辐射、热辐射等因素无不频繁发生变化，其运行条件决定它只能选用高温（低压）制冷剂，过去选用R12，目前大多选用R134a。

③具有优良的热物理性能，如较高的传热系数、较低的黏度及较小的密度，与润滑油有良好互溶性。考虑压缩机的类型，不同的制冷压缩机的工作原理有所不同。体积式压缩机是通过缩小制冷剂蒸汽的体积提高其压力的，一般选用单位体积制冷量大的制冷剂，如R134a，R22等。同时在压缩过程中不发生化学反应，受热受压时不分解成其他气体。传热性能好，可使得传热温差小，使制冷效率得到提高。同时黏度小，在管内流动时阻力小。

④安全性。工质应无毒、无刺激性、无燃烧性及爆炸性。

⑤经济性。要求工质低廉，易于获得。

⑥环保性。要求工质的臭氧消耗潜能值（ODP）与全球变暖潜能值（GWP）尽可能小，以减小对大气臭氧层的破坏及引起全球气候变暖。考虑环保的要求，必须选用符合国家环保法规的制冷剂。

【任务实施】

（1）制冷剂液体过冷的影响

饱和温度与过冷液体的温度差值称为过冷度。在理论循环中认为从冷凝器中流出和进入节流装置的制冷剂都是饱和液体状态，而在实际制冷装置中，制冷剂在冷凝器中冷凝成液体后还要继续向外放热而变成过冷液体即未饱和液体后才流出。特别是在车辆制冷装置中，冷凝器采用风冷，液体的冷凝温度总是高于环境气温，从冷凝器出来的制冷剂液体在储液器中流动还要不断向外放热而继续过冷。因此，冷凝器流至节流装置前总是有一定的过冷度。过冷度越大，节流损失越小，单位质量制冷量就越大。

（2）吸气过热度的影响

在理论循环中，假定由蒸发器流出和被压缩机吸入的制冷剂都是饱和蒸汽，从蒸发器出口至压缩机入口之间的管路不存在热交换。实际上，制冷剂的蒸汽温度总是低于被冷却介质的温度，从蒸发器流出的饱和制冷剂在通过吸气管流进压缩机时，还将从冷却介质吸收部分热量而变成过热蒸汽。因此压缩机吸入的是过热蒸汽。若吸入蒸汽的热量全部来自被冷却的室内，则制冷剂的单位质量制冷量就应该由蒸汽制冷部分和过热阶段所吸收的热量两部分组成，这种过热循环对制冷循环是有益的。另外，压缩机吸气有一定的过热度可以减少吸入的液体，减少液击的发生。

【效果评价】

评价表

任务3．2　城市轨道交通车辆制冷系统组成的认知

【活动场景】

目前世界各国交通车辆使用的空调机组类型虽然很多，但在城轨交通中，单元式空调机组是最为普遍采用的空调形式。本节主要介绍城市轨道交通车辆空调制冷装置的组成及各部分功能，在城轨车辆检修车间静调库三层平台上加强对车辆制冷系统认知。

【任务要求】

1．掌握城市轨道交通车辆制冷系统的组成和布局；

2．掌握城轨车辆制冷系统的各个组成部件的功能。

【知识准备】

3．2．1　空调制冷机组的类型

目前世界各国铁路客车使用的空调机组类型较多，如西欧国家等采用开启或者半封闭压缩机空调机组，而日本多采用全封闭压缩机制冷机组。我国铁路客车在1980年前主要采用分装式空调制冷机组，其特点是将半封闭式压缩机、冷凝器、冷凝风机等集中在一个箱体内悬挂在车下，将蒸发器、通风机、膨胀阀等组成一个箱体安装在车顶，并用铜管将两部分连接组成循环的制冷系统。目前，这种分装式制冷机组用的较少。

单元式空气机组主要包括的部件有：蒸发器、冷凝风机、送风机、新风调节门、紧急逆变电源、制冷管路电磁阀、热力膨胀阀、温度传感器、干燥过滤器、充注阀、新风过滤器（金属材料）、混合空气过滤器（无纺布材料）等。机组分为室内侧和室外侧，其中室内侧分为蒸发腔和新风腔，室外侧分为压缩机腔和冷凝腔。离心风机、蒸发器、回风电动阀、回风滤尘网等安装在蒸发腔；气液分离器、新风电动阀、新风滤尘网等安装在新风腔；压缩机、压力开关、干燥过滤器、电磁阀等安装在压缩机腔；轴流风机、逆止阀和冷凝器等安装在冷凝腔。

3．2．2　压缩机室的组成

压缩机室主要包括的部件有：2台涡旋式压缩机、4个压力开关、2个电磁阀、2个干燥过滤器、2个吸气过滤器等。

（1）制冷剂

空调机组采用的是R407C制冷剂，它是一种环保型的制冷剂，属于中温制冷剂，机组充注量是3．7 kg×2。

（2）涡旋式压缩机（2台）

制冷压缩机如图3．7所示，其作用是将来自蒸发器的低温、低压气态制冷剂压缩成高温、高压的气体。空调机组的压缩机采用是全封闭涡旋式压缩机，制冷压缩机为全封闭卧式压缩机，是将电动机、压缩机构及供油系统组装在同一个密封的机壳内。制冷压缩机通过橡胶减震器安装在空调机组箱体内。制冷压缩机的作用是将来自蒸发器的低温低压的R407C气体压缩成高温高压的气体，并送往冷凝器。它主要由电动机、汽缸、偏心轮、转子、风隔叶片、排气阀、外壳等组成。涡旋式制冷压缩机与往复式制冷压缩机相比，涡旋式制冷压缩机振动小。因为它没有往复运动部分，可减少空间容积，使得整机结构紧凑、质量轻，机械损失小，降低了压缩功的损失，改善了压缩效果，提高了效率。它还具有压缩比大、对湿压缩不敏感、平衡性能好等特点。由于分隔叶片具有较好的刚性和强度，吸、排气口又无阀片，故一旦液体制冷剂通过时，不容易产生“液击”。

图3．7　压缩机

①型式：卧式全封闭涡旋压缩机；

②型号：ZEN100YZA-C（三菱）；

③输入功率：约6．0 kW；

④电流：约9．8 A；

⑤润滑油：Diamond Freeze MEL32 3．0 L。

（3）压力开关

4个压力开关如图3．8所示，分别为2个压缩机出口高压保护开关和2个压缩机进口低压保护开关。

1）高压压力开关

当制冷系统的压力异常高时，高压开关动作，停止压缩机的运转，保护制冷系统。高压开关的复位方式为自动复位。

图3．8　压力开关

2）低压压力开关

当制冷系统的压力异常低时，低压开关动作，停止压缩机的运转，保护制冷系统。低压开关的复位方式为自动复位。

在压缩机的出口压力超过额定的管路压力时，高压保护开关的动作，切断压缩机的工作电路，使压缩机停止工作，起到保护压缩机和管路的作用。

低压保护开关的作用是在压缩机的进口压力过低时，使压缩机的工作能力降低，起到监护空调制冷系统的制冷能力，当达不到制冷要求时，自动切断压缩机的工作电路。

表3．1

（4）干燥过滤器和吸气过滤器

1）过滤器

制冷系统的各部件虽然经过严格的清洗和一定干燥处理，但是在焊接管路时，管内部分焊渣和氧化皮会黏结在接口周围。另外，由于压缩机运转后，也会有部分金属粉末进入制冷剂，随着制冷剂的循环，污物进入膨胀阀会堵塞阀孔，进入压缩机会造成部件磨损。过滤器可分为气体过滤器和液体过滤器两种，如图3．9所示。气体过滤器装在压缩机的吸气管路上，防止杂质进入压缩机。液体过滤器一般装在膨胀阀前，防止污物堵塞阀件。

图3．9　过滤器

2）干燥器

制冷剂中不但有污物还有水分，主要是同时在充灌制冷剂前难以做到绝对干燥，含有少量的水气。水能够溶解在制冷剂中，当温度下降时，制冷剂中水的溶解度就小，当流至膨胀阀孔时，温度急剧下降，一旦蒸发温度低于0℃，水的溶解度就相应降低。于是，有一部分水被分离出来，停留在阀孔周围并立即结冰堵塞阀孔，影响系统的正常运行。如果采用氟利昂制冷剂，系统中含水量过多会引起制冷剂水解、腐蚀管路，一般采用硅胶作为干燥剂。

单元式空调机组中往往将过滤器和干燥剂组合在一起，称为干燥过滤器。干燥过滤器中的干燥剂用来吸收制冷循环系统中的水分，过滤器用来清除系统中的一些机械杂质，如金属屑和氧化皮等，避免系统中出现的“冰堵”和“脏堵”。

表3．2

3．2．3　冷凝器室

冷凝器室主要部件有2台冷凝风机、2个冷凝器、2个逆止阀等。

（1）冷凝器

冷凝器根据冷却方式分成风冷式和水冷式，车载空调因条件所限，采用冷风。风冷冷凝器分为自然对流式和强迫对流式，铁路车辆空调安装了冷凝风机进行强迫对流，提高换热效率。

①数量：2个；

②形式：亲水膜铝肋片套内螺纹铜管式。

图3．10　冷凝器

风冷冷凝器均制作成蛇管式外套肋片，通常为长方形，几根蛇管并联在一起，如图3．10所示，具有结构紧凑、安装方便的优点。它是制冷系统中主要的换热装置之一，选用铜管铜翅偏材料。冷凝器的作用是将制冷压缩机排出的高温、高压的制冷剂过热蒸汽，通过其放热面将热量传递给低温物质（即空气），让制冷剂冷凝成液态，以使制冷剂在系统中循环使用。高温高压的R407C气体通过冷凝器时，在外界空气的强制冷却下，变成常温（约50℃）高压的冷媒液体。

（2）轴流风机

室外侧通风机为直联轴流式风机，风机的叶轮安装在立式电机上，并采取防水结构。室外侧通风机用于强化冷媒在冷凝器中的凝结放热过程。两台轴流式风机通过取压缩机出口高压处的压力到空调控制器，由控制器根据压力变化情况来控制风机的启停。

轴流风机如图3．11所示，包括叶轮、电机和吊爪。吊爪用来将电机和叶片固定在盖板上。两个轴流风机从冷凝器两侧抽取环境空气流经冷凝器，然后将升温后的空气重新排放到外界环境中。

①数量：2台；

②额定转速：1420 r／min；

③额定功率：0．55 kW；

④额定电流：约1．9 A，推荐保护值为2．1 A。

3．2．4　新风室的组成

新风室主要部件有气液分离器、新风电动阀、新风过滤网、新风温度传感器等。

（1）气液分离器（2个）

气液分离器如图3．12所示，用来分离蒸发器出口的蒸汽中的液体，从而保证压缩机为干压缩。对于毛细管节流的制冷装置，由于制冷剂流量不能自动调节，当负荷减少时，蒸发器中制冷剂就有可能不能完全蒸发。如果压缩机吸入了带有液滴的制冷剂蒸汽，就有可能产生液击，使压缩机受损。

图3．11　轴流风机

图3．12　气液分离器

（2）新风过滤网

新风过滤网为金属网，如图3．13所示，主要作用是对进入蒸发器室的新风进行过滤。

表3．3

（3）温度传感器

空调系统分别在客室、新风入口、送风管道处设有温度传感器，如图3．14所示，用于监测客室温度、环境温度和送风的温度，通过对温度采样值的判断来控制空调机组的运行模式。空调机组温度传感器采用的是NTC型，这种传感器的温度与电阻呈负曲线关系，即温度值越高电阻值越低。

图3．13　新风过滤网

图3．14　新风温度传感器及电动阀

表3．4

3．2．5　蒸发室的组成

蒸发室主要部件有离心风机、蒸发器、回风电动阀、回风滤网等。

（1）蒸发器

蒸发器如图3．15所示。

低温低压气液混合的冷媒在蒸发器内蒸发，当车内循环空气和新鲜空气混合后，通过蒸发器时进行热交换。这时，空气的热量被蒸发器内的冷媒吸收，温度降低。

蒸发器的形式很多，可以用来冷却空气或者各种液体。车辆空调制冷系统属于冷却空气的蒸发器，根据冷却方式可分为两种。一种是靠空气的自然对流冷却，传热系数小；另一种是靠风机强制对流。蒸发器装在通风系统中，传热系数要高，冷却速度快。

冷却器的肋片一般要保持立放，以便于凝结水顺肋片流下，并避免因凝结水积存在肋片上增加空气阻力和影响传热效果。

图3．15　蒸发器

（2）离心风机

室内侧通风机为直联多叶片式离心风机，如图3．16所示。室内侧通风机可以强化冷媒在蒸发器中的蒸发过程，并将经蒸发器冷却降温的空气或经电加热器加热升温的空气送入车内。

图3．16　离心风机

①数量：2台；

②额定风量：2 000 m3／h；

③额定转速：1 420 r／min；

④额定功率：0．55 kW；

⑤额定电流：约1．55 A，推荐保护值为1．7 A。

送风机为两台离心式风扇，兼有吸风和送风的双重功能。一方面通过新风格栅吸入新风，并使其与回风混合；另一方面将经过蒸发器冷却、除湿后的空气通过送风机输送到客室的送风管道中，并被送到客室内，以达到调节客室温度、湿度的目的。

（3）毛细管

毛细管为一组内径极小的细长铜管，当高压液体冷媒流经这组高阻力管时，可起到节流降压的作用。

（4）回风过滤网

混合空气过滤网采用的是无纺布材料，如图3．17所示，要求满足DIN5510防火标准，要求定期进行更换。其主要作用过滤混合空气，使进入客室的混合空气满足含尘标准。

表3．5

图3．17　混合空气过滤网

3．2．6　阀件

空调机组用的阀件主要包括：压缩机高压出口和低压进口逆止阀，制冷管路上的电磁阀和电动阀。

表3．6

压缩机高压出口和低压进口截断阀的作用是更换压缩机时，只需拧松压缩机进口和出口处的截断阀就能对压缩机进行更换，在制冷系统需要检修和分解时还起着接通和切断制冷剂通路的作用。

电磁阀用于自动接通和切断制冷回路，它是由110 V电源来控制电磁阀的启闭。电磁阀的开启是依靠线圈通电产生的电磁力并依靠弹簧和阀芯的自重来关闭。它装在膨胀阀之前的管路上，与压缩机联动：当压缩机启动时，电磁阀打开制冷管路；当压缩机停机时，切断制冷管路。

（1）旁通电磁阀SV14、SV2（4）

为保证压缩机在长时间停止后以及温度较低情况下启动时的轴承润滑，需要在一定时间内（从压缩机启动开始30 s）打开电磁阀。

（2）容量控制电磁阀

容量控制电磁阀（如图3．18）配合压缩机内能量调节机构可以控制压缩机的容量，通过2个电磁阀的开闭及每台机组两台压缩机工作状态组合，进行全运转以及控制容量运转的切换，可实现空调机组多级能量调节，制冷能力实现100%、70%、50%共3挡。当打开高压侧SV12、SV2（2），关闭低压侧时SV13、SV2（3）时为全运转状态；当打开低压侧SV13、SV2（3），关闭高压侧SV12、SV2（2）时为容量控制运转状态。

（3）液管电磁阀SV11、SV2（1）

图3．18　电磁阀

它们安置在冷凝器出口，防止压缩机停止时冷媒液倒流入压缩机侧，防止造成再次启动时润滑不良。

（4）逆止阀

它安装在压缩机的排气管上，在压缩机停止时防止冷媒液从排气管逆流回压缩机侧。

3．2．7　其他辅助部件

（1）分油器

活塞式压缩机制冷系统多采用分油器。压缩机排出的高压蒸汽会带有润滑油，润滑油将会随着制冷剂进入冷凝器和蒸发器。一般需要用油分离器将润滑油分离出来，并采用自动回油装置将其送回压缩机。

（2）储液器

储液器用来储存制冷系统的制冷剂液体，以适应工况变动时的制冷剂流量变化。在制冷系统长时间不工作时，制冷剂全部储存在储液器中，以免泄漏造成损失。储液器一般是钢制圆筒，筒体上设进、出液口，其安装位置低于冷凝器，容积应大于所需储存的制冷剂液体的容积。对于城市轨道交通车辆单元式制冷系统，由于制冷温度范围小，制冷剂的量是严格控制的，可以省去储液器。

（3）压力探测器

含水量的制冷剂时，其水化合物能显示不同的颜色，从而根据纸芯的颜色来判断含水的程度。纸芯的颜色变化可压力探测器如图3．19所示，安装在送风机的送风口处，以利于时时监测送风机的工作状态。它将送风口的压力信号转换为电信号传输给空调控制器，来监测送风机的工作状态，以达到保护压缩机的目的。

图3．19　压力探测器

（4）窥视镜（流量／湿度指示器）

窥视镜如图3．20所示，用来显示系统运行时制冷剂量和流动情况，而视镜中心部位的圆芯则用来指示制冷剂的含水量。当圆芯纸遇到不同显示出制冷剂的含水量情况：正常、警示、超标，当纸芯的颜色为紫色时表明正常，当纸芯颜色开始偏红时说明系统中制冷剂的含水量已到了需加强跟踪的警示位置，一旦纸芯颜色为粉红色时必须尽快更换干燥过滤器。

检修中，在制冷系统运行情况下，若流量指示器中有气泡出现，则说明制冷管路中有堵塞或制冷剂量不足问题，需及时查找漏点或堵塞位置，否则容易导致系统因低压故障而无法进行制冷。

（5）膨胀阀

膨胀阀如图3．21所示，它位于冷凝器之后，使从冷凝器来的高压制冷剂液体在流经节流机构、膨胀阀，压力被降低后进入蒸发器。它除了起节流作用外，还起调节进入蒸发器制冷剂流量的作用。通过膨胀阀的调节，可使制冷剂离开蒸发器时有一定的过热度，避免液体制冷剂进入压缩机。

图3．20　窥视镜

图3．21　膨胀阀

空调机组膨胀阀采用外平衡式膨胀阀较多，通过蒸发器出口处的制冷剂蒸汽过热度大小来调节阀口的开度。蒸发器负荷变化时，可以自动调节制冷剂液体的流量，以控制蒸发器出口处制冷剂的过热度，该膨胀阀过热度的设定值为（10±3）K。

当实际过热度高于设定点时，热力膨胀阀会让更多的液体制冷剂流入蒸发器；反之，当实际过热度低于设定点时，热力膨胀阀会减小流入蒸发器的制冷剂流量。过热度调节弹簧的张力可进行人为调节，静态过热度可通过旋转螺母来调节。

（6）回热器

回热器又称气液换热器，是在一些氟利昂制冷系统中提高制冷量和经济性的措施之一。它是用来自蒸发器的低温制冷剂蒸汽与从储液器或者冷凝器出来的常温制冷剂液体进行热量交换，从而使节流前得制冷剂液体过冷，进入压缩机前得制冷剂蒸汽过热，提高了单位制冷量，又保证了压缩机的干压缩。

【任务实施】

在城轨车辆空调检修现场对制冷系统的各个组成部分进行辨识，同时说明该部件的结构特点和在系统中的作用。KG29H型单元式空调机组是将所有制冷部件组装在一个箱体内并安装在车顶上，用软风道与车内主风道连接。车辆的空调机组由压缩机／冷凝器室、空气处理室和蒸发室三部分组成，并被组合在一个不锈钢制的箱体内，通过8个安装座与减震垫一起被固定在车顶上，如图3．22所示。

图3．22　KG29H空调机组外形图

【效果评价】

评价表

续表

任务3．3　制冷系统核心部件的认知

【活动场景】

压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀是构成制冷系统的核心部件，分别承担着制冷循环四个过程。本节介绍了这四个部件的工作原理和结构特点，同时对制冷剂进行了介绍。

【任务要求】

1．掌握压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀的工作原理和结构特点；

2．掌握制冷剂的工作特性。

【知识准备】

3．3．1　压缩机

压缩机提供推动制冷剂在制冷系统中不断循环的动力，起着压缩和输送制冷蒸汽的作用，是循环系统的原动力。

（1）压缩机的分类

压缩机根据工作原理不同，可以分为容积式制冷压缩机和速度式制冷压缩机，如图3．23所示。容积式制冷压缩机是靠改变工作腔的容积，将吸入的定量气体周期性压缩。容积式压缩机主要分为活塞式、螺杆式和涡旋式，典型的是活塞式制冷压缩机。活塞式压缩机通过活塞在汽缸内往复运动来改变工作容积，螺杆式和涡旋式压缩机通过螺杆或者静盘在汽缸或者动盘内旋转运动来改变工作容积。

速度型压缩机是使气体在高速旋转的叶轮中提高速度，而后通过导向器使气体的动能转化为压力能，进而完成气体的压缩，主要分为离心式和轴流式。空调制冷系统使用的速度型压缩机都是离心式制冷压缩机。它是靠离心力作用，连续地将所吸入的气体压缩。车辆制冷系统属于中小型制冷系统，20世纪80年代前大多采用活塞式制冷压缩机，现在轨道交通车辆多采用涡旋式压缩机。

图3．23　压缩机的分类

（2）活塞式制冷压缩机的特点

根据气体在汽缸内的流动情况，活塞式制冷压缩机可以分为顺流式和逆流式。活塞式压缩机的曲轴箱、汽缸体和汽缸盖三部分组成了压缩机的机体。曲轴箱内装有连杆摆动，使活塞在汽缸内进行往复运动，压缩气体。

顺流式压缩机的活塞为空心圆柱体，其内腔与进气管相通，进气阀设置在活塞顶部。活塞向下移动时，低压气体从下方进入活塞顶部；活塞上移时，汽缸内气体被压缩，从上部排气阀排出汽缸。可以看出，汽缸内气体是由下向上顺着同一方向流动，因此称为顺流式。

逆流式活塞压缩机的排气阀和进气阀设置在汽缸的顶部。当活塞向下移动时，低压气体从汽缸顶部的一侧或者四周进入汽缸；当活塞向上移动时，汽缸内的气体被压缩，被压缩后的气体从汽缸顶部的排气阀排出。这样，气体进入汽缸的路线和排出汽缸的运动路线相反，故称为逆流式压缩机。逆流式活塞压缩机的排气阀和进气阀都装在汽缸盖上，使活塞尺寸减少，质量减轻，有利于提高压缩机的转速，客车空调多采用该形式。

根据压缩机与电机连接方式的不同，活塞式制冷压缩机可以分为开启式、半封闭式和全封闭式。

开启式压缩机的压缩机和驱动电机为独立的两个设备，用联轴器、皮带轮和电动机轴连接。半封闭式将压缩机的机体和电动机的外壳连成一体，构成一个封闭外壳，两部分用螺丝紧固并可以拆卸。全封闭式压缩机将压缩机和电动机一起装在一个密闭的机体内，形成一个整体，从外表看只有压缩机的吸、排气管接头和电动机的导线接线板。这种压缩机和电动机在制造过程中装入机壳后焊接成一体，平时不能拆卸，因此制造精度高，使用可靠，客车空调采用的单元式空调机组所使用的压缩机就是全封闭压缩机。

客车空调普遍采用压缩机和电动机共同组装在一个焊接的密封壳体内，称为全封闭式压缩机。全封闭压缩机比半封闭式压缩机更为紧凑，体积小，质量轻，密封性好，噪音小。机壳内储存有润滑油和制冷剂，只有吸、排气管和电源接线盒在机壳表面。因此它结构紧凑、密封性能好，噪声小。并且在全封闭压缩机工作时，电动机完全处于低温制冷剂中，能够达到很好的冷却。缺点是出现故障时维修困难。

几种压缩机性能的比较如表3．7所示。

（3）制冷压缩机型号指标

压缩机的制冷量用Q0来衡量，单位是kW，即压缩机每小时从被冷却物体移出的热量，是压缩机的主要技术指标。

击穿电压是表示电绝缘性能的一个指标。纯净的冷冻机油绝缘性能良好，但是当油中包含水分、灰尘等杂质时，绝缘性能会降低。

冷冻机油的黏度用来衡量冷冻机油黏性的大小。黏度小，则润滑效果差；黏度过大则会增加阻力和摩擦热量，使压缩机启动困难。

将冷冻机油加热，直到所产生的油蒸汽与火焰接触时能发生闪火，这时的温度称为闪点。冷冻机油的闪点必须比排气温度高，避免引起烧结。

表3．7　几种压缩机性能的比较

（4）涡旋式压缩机工作原理

涡旋式压缩机早在1905年由法国人发明，由于加工工艺的限制，该技术未能投入实际生产，直到20世纪80年代才开始商品化。涡旋式压缩机与活塞式相比，在相同的质量下具有更高的输出功率和能效比，并具有效率高、噪音低和寿命长的优点，缺点是加工精度较高。涡旋压缩机是一种新型、节能、省材和低噪的容积型压缩机，其工作原理是利用动、静涡旋盘的相对公转运动形成封闭容积的连续变化，实现压缩气体的目的，如图3．24所示。

1）涡旋式压缩机工作原理

如图3．25所示，将带有涡旋形叶片的固定涡盘（静盘）和具有相同形状的做公转的摆动涡盘（动盘）相啮合，以相位差180°的两个涡旋形叶片组合成一个封闭空间，即一系列月牙形工作容积。静盘与机壳相固定，动盘由一个偏心距很小（4 mm左右）的偏心轴带动，绕固定涡盘的涡旋中心以一定半径做公转运动。每转一个角度，月牙形容积被压缩，不断旋转，月牙形容积不断被压缩。旋转角是0°时，月牙形面积最大；旋转角是180°时，面积最小。介质压力在外圆处较低，越到中心处压力越高，这种压缩过程连续地，比较平稳地进行压缩并将两个相同涡旋参数的涡旋体中的一个旋转180°，再平移回转半径R= 0．5（P- 2t）= r（π- 2a）的距离，使两涡旋体相互相切接触，可以形成若干对月牙形空间。此空间为涡旋式压缩机压缩室容积。

图3．24　涡式压缩机工作原理

图3．25　涡旋式压缩机内部结构

压缩室容积=月牙形面积×涡旋体高度

工作特点：涡旋压缩机在主轴旋转一周时间内，其吸气、压缩、排气三个工作过程是同时进行；外侧空间与吸气口相通，始终处于吸气过程；内侧空间与排气口相通，始终处于排气过程。

2）涡旋式压缩机的结构

如图3．25所示，涡旋式压缩机由涡旋式定盘、涡旋式动盘、波动块（防自转机构），主轴、电机、机体等少量部件所组成。动盘和静盘的涡旋线呈渐开线形状，安装时两者中心线距离一个回转半径r，相位差为180°，两者啮合时与端板配合形成一系列月牙形柱体工作容积。定盘中心为排气口，边缘有吸气孔。波动块的作用是防止动盘受压缩介质的压力作用产生围绕动盘中心轴的自转运动。

优点：

①相邻两压缩室压差小，可使气体泄漏量减少。

②由于吸气、压缩、排气过程是同时连续进行，故压力上升速度较慢，因此转矩变化幅度小、振动小；同时没有余隙容积，故不存在引起容积效率下降的膨胀过程。

③无吸、排气阀，效率高，可靠性高，噪声低。

④由于采用柔性结构，抗杂质和液击能力强，一旦压缩腔内压力过高，可使动盘与静盘端面脱离，压力立即得到释放。

⑤机壳内腔为排气室，减少了吸气预热，提高了压缩机容积效率。

⑥由于压缩气体由外向内运动，可进行喷液冷却和中间补气，实现经济性运行。

缺点是涡旋体型线加工精度非常高，其端板平面的平面度、端板平面与涡旋体侧壁面的垂直度须控制在微米级，必须采用专用的精密加工设备以及精确的调心装配技术。

3）压缩机的间歇运行

压缩机的工作工况与目标温度以及环境温度密切相关。要保持车内温度的稳定，压缩机的制冷量必须随热负荷的变化而变化，这就需要对压缩机的制冷量进行调节。目前常采用压缩机间歇运行和卸载的方法进行能量调节。

当车内温度降低到规定温度以下时，压缩机将停止运行；车内温度升高到超过规定温度的上限值时，压缩机重新启动运转。压缩机的停止或者启动是由温度传感器来实现自动控制，因每节车装有两个单元式机组，每个机组有两台压缩机，根据车内热负荷的变化，采取停止、半开以及全部开启的办法来实现能量调节。

压缩机正常工作后，油压建立起来，由于这时热负荷大，压缩机全部带负荷运转。压缩机全负荷运转一段时间后，车内物体的温度下降，蒸发压力相应减小，可自动调节压缩机的制冷量，提高运行的经济性。

4）压缩机保护器

①排气温度保护：

a．排气管温度保护器的设定值不高于120℃，如果超过需要增加液旁通措施；

b．排气管感温包的位置距压缩机排气管接口小于15 cm，将感温包紧贴管壁，并保温绝热；

c．排气管温度保护器动作后应为人工复位；

d．如果是自动复位应对一段时间内的保护次数进行限定；

e．排气管温度保护器动作后至少应有30 min的延时。

②高低压保护：

a．高压保护时，需要压力设定值应小于30 kg／cm2，推荐28±1 kg／cm2；

b．低压保护动作压力设定值应不高于0．2 kg／cm2，推荐0．15±0．05 kg／cm2。

③内置电机保护：

a．单相时，对运行绕组和启动绕组均起保护。有故障时，保护器切断公共端；

b．三相时，连在Y型电机中心，对三相均起保护。只要其中一相有故障，保护器同时切断三相，包括缺相情况。因希望另加过流保护器且在压缩机内置保护器之前动作，设定值为1．2～1．4 Ie。

④气液分离器结构在低负荷时提供储液功能。

公式中，K代表传热系数；Q表示单位时间内通过面积F的传热量；t1、t2分别表示热流体和冷流体的温度；传热系数K是当冷热流体温差为1℃时，每小时通过单位面积上的传热量。从公式可以看出，传热量与传热面积、传热系数和传热温差密切相关。

增大传热系数主要是通过减少传热壁的厚度，减少传热壁上的水垢、油污或者锈层来实现。传热系数越大，则传热过程进行愈强烈。

车辆制冷系统换热器是空冷换热器，其空气侧是传热过程的薄弱环节，最常用的方法是在空气侧设计成带有肋片的换热表面，增加空气侧的换热面积，达到增强传热的目的。

（2）冷凝器

冷凝器是一个制冷剂向系统外放热的热交换器。从压缩机出来的过热制冷剂蒸汽进入冷凝器后，将热量传递给周围介质———水或者空气，而其自身因冷却而凝结为液体。

冷凝器按照冷却剂的不同种类可以分为三大类型：水冷式、空冷式和蒸发式。

1）水冷式冷凝器

水冷式冷凝器以水作为冷却介质，靠水的温升带走冷凝热量，冷却水一般循环使用。其优点是结构简单，便于制造，传热效果好，但系统中需设有冷却塔或凉水池。大型制冷设备多采用这种冷凝器。

2）空气冷却式冷凝器

空气冷却式冷凝器以空气作为冷却介质，靠空气的温升带走冷凝热量。这种冷凝器适用于极度缺水或无法供水的场合，常见于小型氟利昂制冷机组。根据空气流动方式不同，它可分为自然对流式和强迫对流式两种。

3）蒸发式冷凝器

蒸发式冷凝器的换热主要是靠冷却水在空气中蒸发吸收汽化潜热而进行的。它按空气流动方式可分为吸入式和压送式。蒸发式冷凝器由冷却管组、给水设备、通风机、挡水板和箱体等部分组成。冷却管组为无缝钢管弯制成的蛇形盘管组，装在薄钢板制成的长方形箱体内。箱体的两侧或顶部设有通风机，箱体底部兼作冷却水循环水池。

目前，城市轨道交通车辆制冷装置采用空冷式冷凝器，本节着重介绍空冷式冷凝器。空冷式换热器管子内外的放热系数相差悬殊，管子内侧传热较快，空气侧放热较慢，所以在蛇管外部设有肋片，用以强化传热。这种具有肋片的蛇管式换热器称为肋片管式换热器，是目前车辆制冷设备中广泛采用的结构形式，如图3．26所示。检修过程中需定期清扫和清洗冷凝器，其目的是增强换热器的传热系数，提高制冷剂和管壁间的换热能力，保证机组的正常运行和提高机组制冷能力。

图3．26　肋片管示意图

肋管的形式很多，常见的有轧片管、绕片管、套片管等。

轧片管是在同一金属管外轧制出肋片，优点是无接触热阻，缺点是质量大。

L形绕片管是用绕片机将紫铜片直接绕在铜管上，由于肋片根部不打折，空气的流通阻力较小。L形肋片管加工工艺较复杂，应用较少。

套片式肋管是将预先冲好孔、厚度为0．2～0．3 mm的肋片（铜片或者铝片），用套片机套在管壁上，根部带有卷边，用以保证套管后肋片之间的距离，如图3．27所示。节距为2～4 mm，肋高h=7～12 mm，厚度为0．2～0．4 mm。肋片间距在保证空气流动阻力同时聚集灰尘和冷霜不大的情况下应尽可能小一些，这样可以使肋片面积增加。

图3．27　套片式冷凝器结构

肋管通常都采用铜管，较小的管径可以提高空气侧的放热系数，但是制冷剂在管内流动阻力增大，多采用10 mm和12 mm管径。为了增强换热时的空气流动循环，空调机组采用强迫通风的对流冷却，并通过两台轴流式风机来强化制冷剂在冷凝器中的凝结放热过程。

风冷冷凝器均制成蛇管式外套肋片，通常为长方形，几根蛇管并联在一起，具有结构紧凑、安装方便的优点。制冷剂蒸汽从上部的分配集管进入每根蛇管中，凝结的液体沿蛇管下流，汇集于积液管中然后流入储液器，这种上进下出的结构每根蛇管的后面部分被液体充满，使得传热效率降低。故车辆空调采用横进横出的结构，沿空气流动的方向，一般为6～8排。

（3）蒸发器

蒸发器是制冷装置中产生和输出冷量的设备，其转热过程包括：制冷剂的沸腾换热；载冷剂（空气）的对流换热以及通过金属壁的导热。制冷剂由液态变为气态，吸收了热量。制冷剂在蒸发器内吸热汽化，制冷剂在蒸发器管路中由液态变成气态，制冷剂的液气两态变化过程为汽化吸热过程。

在蒸发器中，来自膨胀阀出口处的制冷剂通过分配器从管子的一端进入蒸发器，吸热汽化，并在到达另一端时让制冷剂全部汽化，从而吸收管外被冷却空气的热量，达到冷却空气的目的。液体沸腾时，首先在传热面处发生汽化，形成气泡，然后气泡不断脱离，随着壁面上浮，形成气泡运动。制冷剂在蒸发器内流动过程中，随着沿途不断受热，液体不断向气体转化，管内的含气量不断增加故蒸发器内的制冷剂处于气、液共存状态。湿蒸汽进入蒸发器时，蒸汽的含量只有10%，当接近蒸发器出口时，一般已经变为干蒸汽了。

图3．28　直接蒸发式蒸发器结构图

蒸发器根据供液方式的不同，可以分为以下两种：

①满液式蒸发器：内存大量液体制冷剂，这样可以使传热面尽量与液态制冷剂接触，因此放热系数较高。但是需要充入的制冷剂量大。满液式蒸发器与壳管式冷凝器形状及结构都很类似，所不同的是制冷剂的进出口相反，冷凝器为上进下出，而蒸发器为下进上出。

②非满液式蒸发器：液态制冷剂经膨胀阀进入蒸发管内，随着在管内流动，不断吸收管外被冷却介质的热量而逐渐汽化，故蒸发器内的制冷剂处于气、液共存状态。这种蒸发器克服了满液式蒸发器的缺点，充液量小，然而由于有较多的传热面与气态制冷剂接触，所以传热效果不及满液式。

冷却空气的蒸发器有两种类型，一种是靠空气的自然对流冷却空气，另一种是风机强制对流。后者传热系数要比前者高，冷却速度快。铁道车辆空调采用强制对流式肋片管蒸发器，与冷凝器结构相似。考虑到蒸发器有析湿作用，因此肋片将有凝结水膜，使肋片之间的有效间距缩小，故蒸发器的间距要比冷凝器大些。一般肋片节距以大于2 mm为宜，外形为立方体的蛇形管组，外部有边框，以便形成空气流通，同时使肋片保持立放，以便于凝结水沿肋片流下，避免因凝结水积存在肋片上面增加空气流通阻力影响传热效果。进液处有分液器，制冷剂通过分液器进入蒸发蛇管。为了向各管分液能保持均匀，各分配管的长度要求一致，以便使蒸发器中各路的负荷相差不大，蒸发后的制冷剂蒸汽汇合到汇集管后，经吸气管再被压缩机吸入。

根据被冷却介质的种类不同，蒸发器可分为两大类：

①冷却液体载冷剂的蒸发器：用于冷却液体载冷剂———水、盐水或乙二醇水溶液等。这类蒸发器常用的有卧式蒸发器、立管式蒸发器和螺旋管式蒸发器等。

②冷却空气的蒸发器：有冷却排管和冷风机。

1）卧式蒸发器

卧式蒸发器与卧式壳管式冷凝器的结构基本相似，按供液方式可分为壳管式蒸发器和干式蒸发器两种。卧式壳管式蒸发器广泛使用于闭式盐水循环系统，其主要特点是：结构紧凑，液体与传热表面接触好，传热系数高。但是它需要充入大量制冷剂，液柱对蒸发温度将会有一定的影响；且当盐水浓度降低或盐水泵因故停机时，盐水在管内有被冻结的可能。若制冷剂为氟利昂，则氟利昂内溶解的润滑油很难返回压缩机。此外，清洗时需停止工作。

2）干式氟利昂蒸发器

其主要特点在于：制冷剂在管内流动，而载冷剂在管外流动。节流后的氟利昂液体从一侧端盖的下部进入蒸发器，经过几个流程后从端盖的上部引出。制冷剂在管内随着流动而不断蒸发，所以壁面有一部分为蒸汽所占有。因此，它的传热效果不如满液式。但是它无液柱，对蒸发温度的影响较小，且由于氟利昂流速较高（≥4 m／s），则回油较好。此外，由于管外充入的是大量的载冷剂，从而减缓了冻结的危险。

这种蒸发器内制冷剂的充注量只需满液式的或更少，故称为干式蒸发器。

3）立管式蒸发器

立管式和螺旋管式蒸发器的共同点是制冷剂在管内蒸发，整个蒸发器管组浸在盛满载冷剂的箱体内（或池、槽内）。为了保证载冷剂在箱内以一定速度循环，箱内焊有纵向隔板和装有螺旋搅拌器。载冷剂流速一般为0．3～0．7 m／s，以增强传热。

这两种蒸发器只能用于开式循环系统，故载冷剂必须是非挥发性物质，常用的是盐水和水等。如用盐水，蒸发器管子易被氧化，且盐水易吸潮而使浓度降低。这两种蒸发器可以直接观察载冷剂的流动情况，广泛用于以氨为制冷剂的盐水制冷系统。

4）冷却排管

冷却排管是用来冷却空气的一种蒸发器，广泛应用于低温冷藏库中，制冷剂在冷却排管内流动并蒸发，管外作为传热介质的被冷却空气作自然对流。冷却排管最大的优点是结构简单，便于制作，对库房内贮存的非包装食品造成的干耗较少。但排管的传热系数较低，且融霜时操作困难，不利于实现自动化。对于氨直接冷却系统用无缝钢管焊制，采用光管或绕制翅片管；对于氟利昂系统，大都采用绕片或套片式铜管翅片管组。

5）蛇管式排管

蛇管式顶管重力供液或氨泵供液均可；单排和双排蛇管式墙排管可用于下进上出式的氨泵供液系统及重力供液系统，单根蛇管式排管还可用于氨泵上进下出供液系统和热力膨胀阀供液系统。

蛇管式排管的优点是结构简单，易于制作，存液量较小，适用性强。其主要缺点为排管下段产生的蒸汽不能及时引出，必须经过排管的全长后才能排出，故传热系数小，气液两相流动阻力大。

6）U形排管

常用的U形排管由两层或四层光滑无缝钢管构成。U形顶排管优点是结霜比较均匀，制作和安装较方便，充液量小，约占其容积的50%，适用重力供液系统和氨泵下进上出氨制冷系统，在冷库中获得较广泛的应用。但其占据库房的有效空间较多，且上层排管不易除霜。

（4）冷风机（空气冷却器）

冷风机多是由轴流式风机与冷却排管等组成的一台成套设备。它依靠风机强制库房内的空气流经箱体内的冷却排管进行热交换，使空气冷却，从而达到降低库温的目的。冷风机按冷却空气所采用的方式可分为干式、湿式和干湿混合式三种。其中，制冷剂或载冷剂在排管内流动，通过管壁冷却管外空气的称为干式冷风机；以喷淋的载冷剂液体直接和空气进行热交换的，称为湿式冷风机；混合式冷风机除冷却排管外，还有载冷剂的喷淋装置。下面介绍目前冷库广泛使用的干式冷风机。

冷库常用的干式冷风机按其安装的位置又可分为吊顶式和落地式两种类型。它们都由空气冷却排管、通风机及除霜装置组成，且冷风机内的冷却排管都是套片式的。大型干式冷风机常为落地式。

3．3．3 制冷节流装置

（1）节流装置功能

节流装置是控制制冷系统的供液量和节流降压元件，是制冷系统四大件之一，其作用是：

图3．29　膨胀阀在制冷系统中的作用

①对高压液体进行节流降压，保证冷凝器与蒸发器之间的压力差，以便于使蒸发器中的液态制冷剂在要求的低压下蒸发吸热，从而达到制冷降温的目的。

②调整供入蒸发器的制冷剂流量以适应蒸发器负荷的变化，使制冷装置更加有效运转。

如果节流机构向蒸发器的供液量与蒸发器符合相比过大，部分液态制冷剂来不及在蒸发器内汽化，就随同气态制冷剂一起进入压缩机，引起湿压缩，甚至发生“液击”，使压缩机损坏。与此相反，若供液量与蒸发器热负荷相比太小，则液体制冷剂在蒸发管内流动途中就蒸发完了，在以后的一段蒸发管中没有液体制冷剂可供蒸发，则只有蒸汽被过热，因此在相当长的一部分管路在传热上未能充分发挥其效能。此外，由于压缩机的吸气能力是不变的，于是造成蒸发压力降低。

针对节流机构使高压液态制冷剂节流降压，使制冷剂一出阀孔就沸腾膨胀为湿蒸汽，故也称为节流阀或者膨胀阀。车辆制冷系统中常采用热力膨胀阀和毛细管。

（2）热力膨胀阀工作原理

热力膨胀阀通常安装在冷凝器和蒸发器之间，如图3．30所示。其工作原理是通过感温包感受蒸发器出口端过热度的变化，导致感温系统内充注的物质产生压力变化，促使膜片形成上下位移，再通过传动杆将阀座阀针上下移动，使阀门关小或者开大，起到降压节流作用。其自动调节是通过预紧的弹簧力实现的。当蒸发器工作时，膨胀阀在一定开度下向蒸发器供液。如果供液量相对于蒸发器的热负荷显得过少时，蒸发器回气过热度增加。此时，感温包内的液体（或者气体）的温度相应升高，压力增大，膜片上方腔内压力升高，膜片则向下弯曲，通过传动杆和阀座压缩弹簧最后使阀的节流孔开大，蒸发器的供液量随之增加。反之，如果膨胀阀向蒸发器的供液量相对于蒸发器的热负荷显得过多时，蒸发器出口蒸汽的过热度减少，感温包内压力降低，膜片弯曲程度减少，弹簧放松，使阀的节流孔关小，蒸发器的供液量随之减少。但是当过热度减少到某一数值时，开始调定的弹簧力将阀孔关闭，停止向蒸发器供液。

图3．30　热力膨胀阀

热力膨胀阀工作时，其膜片主要受到三个力的作用：

①P0———膨胀阀制冷剂节流后压力，即蒸发压力。其作用力方向向上，作用在膜片下部，使阀门向关闭方向移动。

②W———弹簧作用力，施加于膜片下方，使阀门向关闭方向移动。弹簧力的大小可以通过调节杆进行调整。

③P———感温包内制冷剂的压力，等同于制冷剂所感受到得温度下的饱和压力，作用在弹性金属膜片上部。其方向是使阀门开启，大小决定于温包内充注制冷剂的性质以及所感受的温度高低，即蒸发器出口处制冷剂温度的高低。

在任一运行工况，这三个力均会达到平衡，P= P0+W，此时膜片不动，阀针的位置不动，阀孔的开度不变。P＞P0+W，膜片向下移动，通过顶针使阀针向下移动，阀门开大；P＜P0+W，膜片向上移动，通过顶针使阀针向上移动，阀门开小。

总之，热力膨胀阀对于蒸发器热负荷的变化，是通过感温包与蒸发器内的压力，不断传递给预先调好的弹簧。外平衡式膨胀阀的结构与内平衡膨胀阀基本相同，主要区别是作用在膜片下方的压力不是蒸发压力而是蒸发器出口处压力，其膜片下方增设一个空腔，用平衡管与蒸发器出口连接，其调节特性不受管中流动阻力引起压降的影响。外平衡式膨胀阀克服了内平衡膨胀阀的缺点，但是结构复杂，制造与安装都比较麻烦。

内平衡热力膨胀原理：感温包压力=弹簧压力+蒸发器进口压力

外平衡热力膨胀原理：感温包压力=弹簧压力+蒸发器出口压力

当蒸发器的阻力较大时，蒸发器进口压力远大于蒸发器出口压力，内平衡热力膨胀阀较外平衡热力膨胀阀需更大的开阀压力，即增加了过热度，影响蒸发器传热效果。因此外平衡热力膨胀用于蒸发器阻力较大的系统。

当过热度偏大或偏小，需要对过热度进行调整时，可通过热力膨胀阀静态过热度调整杆进行调整。通过对调整杆的扭转可对弹簧压力进行调整，进而调整静态过热度。调整过热度时，要先取下保护帽顺时针扭转调整杆，制冷剂流量减小；过热度增大，逆时针扭转调整杆，制冷剂流量增大，热度减小。调整杆旋转一周过热度变化为1～2℃，热力膨胀阀调整时应耐心、细致，当调整后可能需要30 min系统才能稳定，调整完后应将保护帽上好。

图3．31　热力膨胀阀结构

（3）热力膨胀阀

热力膨胀阀普遍用于氟利昂制冷系统中。这种阀的开启度通过感温机构的作用，可随蒸发器出口处制冷剂的温度变化而自动变化，达到调节制冷剂供液量的目的。热力式膨胀阀主要由阀体、感温包和毛细管组成。热力式膨胀阀按膜片平衡方式不同有内平衡式和外平衡式两种类型。

液体在密闭容器内蒸发或沸腾而汽化为气体分子，同时由于气体分子之间以及气体分子与容器壁之间发生碰撞，其中一部分又返回到液体中去，当在同一时间内两者数量相等，即汽化的分子数与返回液体中的分子数相平衡时，这一状态称为饱和状态。饱和状态的温度就称为饱和温度，饱和温度时的压力称为饱和压力。

在制冷工程中，制冷剂在蒸发器和冷凝器内的状态在宏观上可视为饱和状态。也就是说，蒸发器内的蒸发温度及冷凝器的冷凝温度均视为饱和温度，因此蒸发压力和冷凝压力也就视为饱和压力。

在饱和压力的条件下，继续使饱和蒸汽加热，使其温度高于饱和温度，这种状态称为过热。这种蒸气称为过热蒸汽。此时的温度称为过热温度，过热温度与饱和温度的差为过热度。在制冷系统中，压缩机的吸气往往是过热蒸汽，若忽略管道的微波压力损失，那么压缩机吸气温度与蒸发温度的差值就是在蒸发压力下制冷剂蒸汽的过热度。例如R12，当蒸发压力为0．15 MPa时，蒸发温度为- 20℃，若吸气温度为-13℃，那么过热度为7℃。

制冷压缩机排气管内的蒸气均为在冷凝压力下的过热蒸汽排气温度与冷凝温度的差值，也是蒸气的过热度。

饱和液体在饱和压力不变的条件下，继续冷却到饱和温度以下称为过冷。这种液体称为过冷液体。过冷液体的温度称为过冷温度，过冷温度与饱和温度的差值称为过冷度。例如R717在1．19 MPa压力下，其饱和温度为30℃，若此氨液仍在1．19 MPa压力下继续放热被降温，就形成过冷氨液。如果降低了5℃，则过冷氨液温度为25℃，其过冷度为5℃。

大多数热力膨胀阀在出厂前把过热度调为5～6℃，阀的结构保证过热度再提高2℃时，阀就处于全开位置，与过热度约为2℃时，膨胀阀将处于关闭状态。控制过热度的调节弹簧，其调节幅度为3～6℃。

一般说来，热力膨胀阀调定的过热度越高，蒸发器的吸热能力就越低，因为提高过热度要占去蒸发器尾部相当一部分传热面，使饱和蒸汽在此得到过热，这就占据了一部分蒸发器传热面积，使制冷剂汽化吸热的面积相对减少。也就是说，蒸发器的表面未能得到充分利用。但是，过热度太低有可能使制冷剂液体带入压缩机，产生液击的不利现象。因此，过热度的调节要适当，既能确保有足够的制冷剂进入蒸发器，又要防止液体制冷剂进入压缩机。

当制冷剂流经蒸发器的阻力较小时，最好采用内平衡式热力膨胀阀；反之，当蒸发器阻力较大时，一般为超过0．03 MPa时，应采用外平衡式热力膨胀阀。

（4）内平衡式热力膨胀阀

内平衡式热力膨胀阀由阀体、推杆、阀座、阀针、弹簧、调节杆、感温包、联接管、感应膜片等部件组成，如图3．32所示。

图3．32　内平衡式膨胀阀结构图

热力膨胀阀对制冷剂流量的调节，是通过膜片上的三个作用力的变化而自动进行的。作用在膜片上方的是感温包内感温工质的气体压力P g，膜片下方作用着制冷剂的蒸发压力P o和弹簧当量压力P w。在平衡状态下，P g=P o+ P w。如果制冷剂出蒸发器时的过热度升高，P g随之升高，三力失去平衡。P g＞P o+ P w，使膜片向下弯曲，通过推杆推动阀针增大开启度，供液量增加；反之，阀逐渐关闭，供液量减少，如图3．33所示。内平衡式膨胀阀适合管内流动阻力相对较小的蒸发器。当蒸发器采用盘管且管路较长、管内流动阻力较大及带有分液器的场合，宜采用外平衡式热力膨胀阀。

内平衡式热力膨胀阀中蒸发压力是怎么作用到膜片下方的？对照结构图和实物不容易找到传递蒸发压力的通道，应该注意到传动杆（推杆）与滑体之间有间隙，此间隙正好沟通了阀的出口端与膜片下腔，把蒸发压力传递到膜片下方。

膜片是一块厚0．1～0．2 mm的铍青铜合金片，其截面被冲压成波浪形。

（5）外平衡式热力膨胀阀

外平衡式热力膨胀阀如图3．34所示，在结构上和安装上与内平衡式的区别是：外平衡式阀膜片下方的空间与阀的出口不连通，而是用一根小直径的平衡管与蒸发器出口相连。这样，作用于膜片下方的制冷剂压力就不是节流后蒸发器进口处的P o，而是蒸发器出口处的压力P c，膜片受力平衡时为P g=P c+P w。可见，阀的开启度不受蒸发器盘管管内流动阻力的影响，从而克服了内平衡式的缺点。外平衡式多用于蒸发器盘管阻力较大的场合。

图3．33　三力平衡原理

图3．34　外平衡式膨胀阀

通常，把膨胀阀关闭时的蒸汽过热度称为关闭过热度，关闭过热度也等于阀孔开始开启时的开启过热度。关闭过热度与弹簧的预紧力有关，其大小可由调节杆调节。当弹簧调至最松时的过热度称最小关闭过热度；相反，调至最紧时的过热度称为最大关闭过热度。一般膨胀阀的最小关闭过热度不大于2℃，最大关闭过热度不小于8℃。

对于内平衡式热力膨胀阀，作用在膜片下方的是蒸发压力。如果蒸发器的阻力比较大，制冷剂在某些蒸发器内流动时存在较大的流阻损失，将严重影响热力膨胀阀的工作性能，造成蒸发器出口过热度增大，过热度提高，对蒸发器传热面积的利用不合理。对外平衡式热力膨胀阀，作用在膜片下的压力是蒸发器的出口压力，不再是蒸发压力，情况就得到了改善。

图3．35　外平衡式膨胀阀结构图

（6）毛细管节流装置

在小型的制冷装置中，由于冷凝温度和蒸发温度变化不大、制冷量小，为了简化结构，一般采用毛细管作为制冷系统的节流降压装置。

毛细管实际上就是一根直径很小、长度较长的紫铜管。当流体在管内流动时，由于管道摩擦产生压降，管径越小，则流动阻力越大，产生的压降越大。目前使用的毛细管内径是0．6～2．5 mm，长度根据需要而定。目前，毛细管节流在车辆空调系统应用较广。

毛细管节流的优点是结构简单、工作稳定，无运动部件、价格低廉而且在压缩机停机后，冷凝器和蒸发器内的压力可以较快地自动达到平衡，减轻了再次启动电动机的负荷。缺点是调节能力差，其供液量不能随着工况自动调节。同时当蒸发压力下降时，容易引起压缩机的液击；当压力上升时，容易引起供液量不足的情况。因此毛细管节流装置适用于蒸发温度变化不大，适合较为稳定的场合，并且通常在系统中配有气液分离器，防止压缩机液击。

采用毛细管节流的制冷装置，制冷剂充注量要很准确，否则会影响到制冷系统的正常工作。毛细管可以几根并联且几根毛细管的工作情况要大致相同，同时毛细管前应设置过滤器，防止毛细管堵塞。

3．3．4　制冷剂

制冷剂在制冷系统中循环流动，通过自身热力状态变化与外界发生能量变换，从而实现制冷。制冷剂的性质直接影响制冷循环的技术经济指标，而且与制冷装置的特性及运行管理也有着密切的关系。理想的制冷剂并不存在，实际选用时应综合考虑进行选择。

（1）制冷剂的分类及对环境的影响

在选用制冷剂时，除了考虑其热力性质外，其安全性和材料的相互作用以及对环境的危害等也是考虑制冷剂的重要因素。

1）制冷剂命名、分类

可以充当制冷剂的物质很多，但是目前工业上常用的不过十余种。它按照组成分类主要有：无机化合物制冷剂、氟利昂制冷剂、碳氢化合物制冷剂和混合制冷剂。按照在标准大气压下沸腾温度的高低，制冷剂可以分为高温制冷剂、中温制冷剂和低温制冷剂。

国际上统一规定用字母R及其后的数字和字母作为制冷剂的代号：

①无机化合物：无机化合物的简写符号规定为R7（）。括号代表一组数字，这组数字是该无机物分子量的整数部分。例如NH3分子量是17，符号是R717。

②卤代烃和烷烃类：烷烃类化合物的分子通用式为C m H2m+2；卤代烃的分子通用式为C m H n Fx Cl y Br z（2m+2= n+ x+ y+ z），它们的简写符号规定为R（m- 1）（n+ 1）（x）B（z）。

③非共沸混合制冷剂：简写符号为R4（）。括号代表一组数字，这组数字为该制冷剂命名的先后顺序号，从R400开始，以后命名的按照先后顺序分别用R401、R402。构成非共沸混合制冷剂的纯物质种类相同但成分不同，则分别在最后加上大写英文字母以示区别，例如R407A、R407B、R407C。

④共沸混合制冷剂的简写符号为R5（）。括号代表一组数字，这组数字为该制冷剂命名的先后顺序号，从R500开始，以后命名的按照先后顺序分别用R501、R502。

⑤环烷烃、链烯烃以及它们的卤代物写符号规定：环烷烃及环烷烃的卤代物用字母“RC”开头，链烯烃及链烯烃的卤代物用字母“R1”开头。

⑥有机制冷剂则在600序列任意编号。

为了较简单判定制冷剂对大气臭氧层的破坏能力，氯氟烃类物质代号中的R可以表示为CFC，氢氯氟烃类物质代号中的R可以表示为HCFC，氢氟烃类物质代号中的R可以表示为HFC，碳氢类物质代号中的R可以表示为HC，数字编号不变。

2）物理和化学性质

制冷剂的物理和化学性质主要是指毒性、可燃性、爆炸性、与金属的相密性、与润滑油的互溶性等。

①毒性。毒性是根据制冷剂对人体的影响来确定的。氨（NH3）有刺激性气味，对人体有危害。一般氟利昂制冷剂对人体危害较低。

②爆炸性。爆炸性是指制冷剂在空气中含量达到一定浓度时，遇到明火就爆炸，因此尽量避免选用易燃易爆的制冷剂。

③与润滑油的互溶性。大多数制冷系统中，制冷剂与润滑油相互接触是不可避免的，各种制冷剂与润滑油之间的溶解程度不同。制冷剂与润滑油相溶会影响润滑作用，若制冷剂与润滑油不溶解，可以从冷凝器或者储液器中将润滑油分离出来，避免将润滑油带入蒸发器中，降低传热效果。

④与水的敏感性。不同制冷剂溶解水的能力不同，氨可以溶解比本身大许多倍的水，生成的溶液比水的冰点低，因此不会引起结冰造成堵塞，但是对金属材料有腐蚀作用。氟利昂和烃类制冷剂很难溶于水，当含水量较高时，温度降低后会造成冰堵，含有氯原子的制冷剂会水解生成盐酸，会腐蚀金属材料。

3）对环境的影响

氟利昂类制冷剂中，凡是分子内含有氯或者溴原子的都能与臭氧反应。这种物质必须具备两个特征：含氯、溴或另一种相似的原子参与臭氧变氧的化学反应；在低层大气中必须具有足够长的大气寿命，使其能够达到臭氧层。例如氢氯氟烃雪种HCF22有一个氯原子，能消耗臭氧。为了描述对臭氧的消耗特征及其强度，通常用ODP值表示对大气臭氧层消耗的潜能值，以R11的ODP值作为基准值。

部分制冷剂不仅破坏臭氧层，还具有使全球变暖的潜能，使用GWP表示，规定R11的GWP值为1．0。表3．8列出了一些制冷剂的ODP和GWP值。

表3．8　一些制冷剂的ODP和GWP值

目前常用的氟利昂是氟、氯、溴等部分或全部取代饱和碳氢化合物中的氢生成的化合物，氟利昂（CFC类）制冷剂的使用推动了制冷技术的迅速发展，但不含氢的氟利昂不仅对臭氧层有破坏作用，而且能稳定地吸收太阳热，导致大气温度升高，加剧温室效应。因此世界各国都投入了大量的人力和财力对制冷剂的替代问题进行了广泛的研究。但按照蒙特利尔协议，HCFC类制冷剂只能作为过渡性制冷剂，并要求在2030年停止使用。随着产业界愈来愈少地使用CFC类和HCFC类制冷剂，另一类纯工质制冷剂是HFC类物质，它不包含氯元素，在这方面较多的替代物是HFC-134a和HFC-152a。但HFC-134a的大气寿命为14年，随着人们对环境问题认识的深化，已发现它对全球气候变暖的有害影响，不是对环境完全友好的冷媒。

（2）轨道交通车辆常用制冷剂的特性

对于一体式列车空调机组，尤其对于地铁列车的空调机组来说，空调设计中往往还受到车辆限界尺寸、制冷量、列车电源功率、机组降噪等因素的影响，因此希望选用热力性质高、安全性好、节能效果佳的制冷剂。城市轨道交通车辆常用的制冷剂有R22、R134a和R407C。

1）R22

氟利昂是饱和烃类的卤族衍生物的总称，常见的有F-12、F-22等。优点是无毒、不可燃，制冷效果好，在目前的铁路客车上被广泛采用。缺点是价格较高，极易渗漏而且不易发现，当含有水分时能够腐蚀金属，对压缩机工作有不良影响。

R22是常见的中温制冷剂，它的热力性质优越，沸点是- 40．8℃，一般冷凝压力不超过1．6 MPa，蒸发压力和冷凝压力适中，而且单位容积制冷量较大，单位容积制冷量比CFC-12大50%左右，使用比氨安全可靠。因此R22被广泛应用在各种空调、冷藏、低温制冷装置中，由于对大气臭氧层仅有微弱的破坏作用，故可以作为R12的过渡性替代制冷剂。

2）R134a

R134a（四氟乙烷）作为R12的替代制冷剂而被提出，它的许多特性与R12很接近。其毒性很低，在空气中不可燃，是一种安全的制冷剂。R134a不含氯原子对臭氧层无破坏作用，化学性能稳定，对钢铁、铜铝等金属未发现有化学作用的现象。R134a具有优良的热力性质，导热率和传热系数高。

3）R407C

近年来对混合制冷剂的研究为寻找新的理想制冷剂开辟了新的途径，虽然低公害的纯制冷剂的热力性质不能改变，但把两种或两种以上的纯制冷剂混合在一起，会得到具有优良热力性质并有节能效果的新制冷剂，以获得比较理想的和可以长久使用的制冷剂。目前已研制出替代R22的新型混合制冷剂R407C和R410A。其中，R407C是由HFC-32、HFC-125、HFC-134a组成的三元混合工质，它不会破坏臭氧层，热力性质与R22非常相近，可在多种空调应用场合及大多数的压缩蒸汽制冷循环系统中替代R22。

表3．9列出了两种制冷剂在组份、分子量等基本物理性质上的比较数据，从中可以发现二者物理性质方面的相似性，R407C尤其在臭氧层损耗以及对地球温室效应的影响上更符合人们对环保的要求。

表3．9　R407C与F22物理性质比较

由于R407C是一种三元混合制冷剂，因此若系统发生泄漏，会影响制冷剂组分的变化。所以在此情况下，必须将系统原有的R407C排出，并重新充注新的制冷剂R407C。由于制冷剂在液相时的成分改变可降至最低，进而可使其使用性质保持一致，因此在处理R407C时需遵循：必须以液相注入系统内，以确保制冷剂成分及系统功能正常；一定在液体流动，而不是蒸汽流动时传输。从上述对R407C各项性能的分析以及与R22在性能方面的相关比较后，我们可以看到：

①R407C是一种环境友好的制冷剂，其对大气臭氧层损耗的潜能系数ODP值为0，制冷剂的温室效应潜能系数GWP值为1530，是一种较理想的替代制冷剂。

②R407C在物理、热力性质方面与R22十分相似，同时，其混合工质组分中减少了微燃的HFC-32，增加了不可燃的R125，提高了混合工质的安全性，因此基本上能直接替代R22。

③基本满足对地铁列车空调设计的多方面要求，对于新设计的地铁列车空调机组或原采用R-22想用新冷媒替换的列车空调机组来说，制冷剂R407C是目前较理想的替代物。

【任务实施】

经过本任务的学习，通过网络搜集涡旋式压缩机和制冷剂的相关知识，到空调检修场地认识冷凝器、蒸发器、膨胀阀和毛细管节流装置的结构和功能，要能够对不同类型的制冷换热器和节流装置进行辨识并能说明常见类型的使用场合。

【效果评价】

评价表

任务3．4　制冷系统日常运转中的维护和故障处理

【活动场景】

做好空调制冷系统的日常保养和维修是保障制冷系统正常运行和维持制冷系统功能的基本措施，对城轨交通车辆尤为重要，这关系着乘客的舒适感受，甚至关系着乘客的生命安全。

空调制冷装置作为不停运行的设备，难免会出现故障。而及时对故障进行分析、处理并修复，是保障空调制冷装置正常工作的重要措施。

本节主要介绍了制冷系统在日常的维护方面的内容，包括日常性维护和年检以上维护保养。同时介绍了制冷系统故障方面的内容，包括故障的分析方法和常见故障的处理方法。

【任务要求】

1．掌握空调系统在不同的维修周期的作业内容；

2．了解制冷系统的常见故障及其分析方法。

【知识准备】

3．4．1　日常运用中的维护

制冷系统日常保养作业如表3．10所示。

表3．10　制冷系统日常保养作业内容

3．4．2　一年以上的保养与维护周期

制冷系统一年以上的保养与维护周期如表3．11所示。

表3．11　制冷系统一年以上的保养与维护周期

续表

3．4．3　制冷系统的故障分析

制冷系统是由四大件和许多附件组成的相互联系而又相互影响的复杂系统，因此排查故障时，除需要掌握制冷系统的结构和工作原理外，还需要进行全面检查，综合分析，从中积累故障发生的规律和识别故障的经验。常见故障有压缩机停机、制冷量不足或者不制冷等，常用的检查方法是“一看、二听、三摸”。

“一看”是查看故障现象，包括看TCMS和空调控制屏上空调故障显示，看指示灯的显示情况，看温度继电器动作情况，看压缩机的吸排气压力值是否在正常范围内，看客室内的温度情况，看风机的运行情况，看制冷管路上是否有油迹。

“二听”是听压缩机运转时的噪声，“通通”声是压缩机液击声，“哒哒”声是内部金属撞击声；听制冷机组运转的声音，如果有较大的振动声音，则应检查风机的运转情况、轴承的磨损情况。

“三摸”是摸过滤器的表面温度，它应该比环境温度稍高些，如果显著低于环境温度，说明滤网大部分网孔已经堵塞，使制冷剂流动不畅通，导致节流降温；摸制冷装置吸排气管的冷热程度，正常运转的吸气管应该是较冷，排气管应是较热，否则不正常。

【任务实施】

（1）无电检查

1）冷凝器

冷凝器的散热片落上灰尘异物时会影响换热效率，使高压侧的压力升高，所以需进行定期检查、清扫或清洗。

在一年以上的维护周期中，清扫时，把压缩空气按运转时的反方向吹入肋片间隙或从脏物附着多的一侧用吸尘器进行吸尘。吸尘完毕用软毛刷带有洗涤剂的水进行清洗或者浸泡，然后用高压水枪顺着翅片进行洗尘。如果翅片有变形或者黏连现象，则用专业工具进行校正。

2）蒸发器

蒸发器弄脏，会使室内通风机风量减小，冷量不足，甚至会导致蒸发器表面的凝结水被通风机吹入风道内，并通过出风口滴入车内，所以视灰尘的附着情况应定期清扫或清洗。

清扫时，从脏物附着多的一侧用吸尘器进行吸尘。特别脏时或存在油污时，应使用专用洗涤剂进行清洗。注意：用洗涤剂进行清洗时，需对接线盒和电动回风阀执行器进行有效的防护或拆下电动回风阀，避免风阀执行器线路进水损坏。

3）排水系统

定期检查、清洗排水口，并疏通排水管，使之不被垃圾或异物等堵塞。

4）前盖板门锁检查

定期检查前盖板门锁，当锁舌出现细小裂纹时必须进行更换。

定期检查前盖板，前盖板原则上不允许踩踏。当前盖板出现变形，或者当前盖板门锁锁紧后前盖板出现松动时，请查明原因，及时进行维修或者更换门锁。

5）冷凝风机

运转时，发现有异常声音、振动时，需更换轴承或电机。

6）通风机

可用软毛刷刷洗附着在叶片内侧的灰尘（请注意不要使叶片变形）。运转时，发现有异常声音、振动时，请更换球轴承。

7）隔热材料检查

目测蒸发器室中隔热材料是否老化：如发现隔热材料表面有明显裂痕、明显损伤、与箱体黏接处有开胶现象，须除去老化或损坏的部分，换黏新的相应隔热材料。

8）减振器检查

减振器不需特殊维护，如损坏或失效，当目测减振器表面有明显的裂纹或空调机组或压缩机有异常的振动和噪音，应予以更换。

9）紧固件检查

通过查看螺栓防松标记或以锤轻击来检查各元件（如压缩机、风机、电加热器、电气元件终端等）的安装螺栓是否松动。

10）绝缘电阻检查

用500 V电阻表测量绝缘电阻并确认带电部分与无电部分之间的阻值大于2 MΩ。如果不大于2 MΩ，请检查各部分是否有绝缘老化并做适当的修补。

11）电气连接检查

请确认电线端头连接及其紧固螺栓是否连接牢固、可靠。

12）新风滤尘网

新风滤尘网落上灰尘使新鲜空气量减少，需定时清洗。清洗方法如下：

①拆下新风滤尘网；

②用肥皂水清洗；

③用清水洗净；

④晾干；

⑤重新安装新风滤尘网于机组上。

注意：新风滤尘网采用无纺布滤料，一般清洗1～2次后需更换新滤料，清洁、更换新风滤尘网的时间间隔取决于其变脏程度，无论如何不得少于1次／2周。尤其对于新线路，应至少一周清洗一次。

13）回风滤尘网的清洗

蒸发器前滤尘网上灰尘过多，会使室内侧通风量减少，制冷量降低，应定期清洗。清洗方法如下：

①拆下回风滤尘网；

②用肥皂水冲洗；

③用清水冲洗；

④晾干；

⑤重新安装回风滤尘网于机组上。

注意：清洁回风滤尘网的时间间隔取决于其变污程度，任何情况下不得少于1次／2周。尤其对于新线路，应至少一周清洗一次。

14）制冷剂管路检查

检查制冷剂管路的接缝处若有油渗出，制冷剂就有渗漏的可能。

（2）功能检查

1）运转前的检查

在运转空调机组之前，必须对下列项目进行检查，在确认没有问题之后，方可开始运转。

①配线是否确实接好。

②电气回路是否正常。

③主回路及控制回路的绝缘电阻是否都正常。

④通风机的叶轮是否碰风筒的内壁。

2）运转确认

①室内通风机的运转

室内通风机运转时，请确认一下车内是否有风吹出，风量极小时，可认为是风机反转，请将电源相序调整正确，即将三相中的任意两相对调（注意：空调机组出厂时各电机的相序已调好，请不要随意调换），请确认一下是否有异常振动和异常噪音。

②室外轴流风机的运转

请确认空调系统室外轴流风机的运转是否正常，旋转方向是否正确。

③制冷运转

全制冷状态时，吸入和吹出的空气温差为8～10℃时为正常。请确认一下是否有异常振动、异常噪音，同时注意电流表读数。

3）空调机组的安全运行

地铁车辆空调的安全运行极为重要。安全运行的含义，一方面指空调机组的安全运转，另一方面指对行车安全的影响。

①空调机组的安全操作

空调机组的操作和管理工作必须由懂得制冷技术和电气技术的人员来担任。开机之前，必须认真检查电气系统的安全性，严格按照电工操作规则进行操作。在进行电气控制柜的检修时，必须切断电源，严禁带电作业。

②空调系统的保护措施

为了确保空调机组可靠、安全地工作，空调机组在制冷系统和电气系统方面具有以下保护措施：

a．电源有过电压和欠电压保护。

b．压缩机内部设压力保护、过热保护，运行设延时启动保护。

c．各电机设短路、缺相、过载保护。

d．电加热器有温度继电器及温度熔断器保护。

当空调机组出现故障时，必须查明原因，排除故障后才允许重新启动，严禁带故障强行启动。

③低温运转

当蒸发器吸入的空气温度在19℃以下时，即为低温运转。此时，由于可能在蒸发器上引起结霜现象会对压缩机造成损伤。

④再次启动

在短时间内，请不要使室外风机或压缩机反复启动、停止。由于启动电流将加快电机的绝缘老化和电磁接触器等配电盘电器元件的接点消耗。所以再次启动时，一定要间隔3 min以上（正常线路上运行过断电区的情况除外）。

（3）故障检查

1）制冷系统不出风

故障分析及处理见表3．12。

表3．12　制冷系统不出风故障分析及处理

2）运转过程中不制冷

故障分析及处理见表3．13。

表3．13　制冷系统不制冷故障分析及处理

图3．36　翅片变形

①制冷系统正常运转过程中出现不制冷现象，除了电气故障外，可能是由于吸气压力过低、排气压力过高等原因导致保护动作，使压缩机停机。针对该类故障首先是检查高压、低压开关本身，确认器件本身无误。低压原因一般是系统内某一部分阻塞不畅或者制冷量不足。

②排气压力过高原因是冷凝器排风扇反转、不转、环境温度过高（高于40℃），这些都会引起排气压力显著上升。对冷凝风机叶片进行检查，如果发现转动方向与其他车不同，或者叶片上灰尘较多，就应该进行测试并判断。因风机反转时风量小于正转时的风量，只需将三相电源中的两相对换一下，即可判断是正转和反转。

③冷凝器结污垢：如果冷凝器散热片表面积灰尘太厚，会影响传热进而影响散热效率。可以用手电筒查看冷凝器散热片间结灰情况，如果很多片间空隙不能让光线通过，说明灰尘较多，可以用钢刷或者专用梳子将肋片里面伸出的灰尘刷干净。

④正常不制冷：当客室内温度降低到设定值以后，因温度传感器就会动作，切断机组电源而导致机组不工作，这是正常的，不要认为是故障现象。

3）运转过程中制冷量不足

机组能运转制冷，但是在规定的工作条件下，其降温速度太慢，或者达不到原定的温度，就属于冷量不足。一般有以下几个方面的原因：

①压缩机效率低：主要是由于运动件磨损严重，配合间隙增大或者气阀密封性能下降，引起漏气量增大。检查电机接线，用万用表对每一相的通断情况进行测试，确认无断线的情况，下一步要进行绕组接地检查，用兆欧表测定绕组对地绝缘。

②制冷剂不足：主要原因是系统内有渗漏点，造成制冷剂向外泄露，对此故障不能急于添加制冷剂，先找出渗漏部位，修复后再加制冷剂。容易产生泄露的部位主要是接头和焊接处。

空调制冷剂泄露故障实例见表3．14。

4）压力开关动作

故障分析及处理见表3．15。

表3．14　制冷系统制冷不足故障分析及处理

表3．15　制冷系统压力开关动作故障分析及处理

5）机组振动

故障分析及处理见表3．16。

表3．16　制冷系统机组振动故障分析及处理

6）机组漏水

故障分析及处理见表3．17。

表3．17　制冷系统机组漏水故障分析及处理

7）故障举例

大修车间在2010年5月6日—27日期间对送修的25台空调出现的故障汇总见表3．18。

表3．18　空调故障汇总表

经维修检查发现空调泄漏主要分为以下五个方面：毛细管断裂、磨损，高压充注阀连接管根部焊缝处泄漏，高压连接阀处泄漏，三通阀与铜管连接焊接部位泄漏，压缩机锈蚀泄漏。

①低压端毛细管根部焊缝处断裂泄漏（25台维修空调中占12例）。

图3．37　断裂毛细管位置图

故障原因是：应力集中，经过长时间的运行振动，管路焊接部位应力集中导致断裂。振动原因：列车运行产生振动，压缩机运行也产生振动。出现断裂的低压端毛细管位置在压缩机低压联接阀出口附近，靠近压缩机，压缩机的振动对此处影响较大。高压端毛细管没有断裂，高压毛细管焊接的位置在编织管之后，编织管起了减震作用，所以影响不大。

②高压连接阀处泄漏原因（6例）、高压充注阀连接管根部焊缝处泄漏（2例）。

高压连接阀处泄露原因是：高压连接阀内部密封件老化导致密封不良。处理措施是注意检漏更换密封件。充注阀连接管焊缝处泄漏原因（2例），原因是应力集中。经过长时间的运行振动，管路焊接部位应力集中产生裂纹。振动原因：列车的运行和空调运行振动加剧焊接部位裂纹的产生。外力原因：检修时外力影响所致。措施是注意检漏。

③毛细管与不锈钢板摩擦磨损泄漏（架修时出现过该现象）。毛细管在连接到高低压开关盒时要经过一块不锈钢立板，检查时发现通过该处的毛细管与不锈钢立板有摩擦破损的情况。处理措施：毛细管经过不锈钢立板的部位以前没有包裹处理，后使用保温材料包裹后通过该处。

图3．38　高压连接阀根部焊缝断裂实例

④毛细管与编织软管摩擦磨损的原因（1例）：毛细管是用保温材料包裹后用绑扎带绑在编织管上固定，运行一段时间保温材料磨破，毛细管直接与编织管接触摩擦，导至破损泄漏。措施是：毛细管用保温材料包裹后再用橡胶垫片二次包裹，最后用绑扎带绑在编织管上固定。

⑤压缩机锈蚀泄漏（25台维修空调中占1例）。

图3．39　压缩机锈蚀泄露实例

压缩机底部是低压区，温度较低，运行过程中容易吸收空气中的水分，使该部位长期结水锈蚀，特别是焊接部位锈蚀泄漏。架修发现有部分压缩机底部锈蚀严重。处理措施是：在偶次年检检查压缩机锈蚀情况，机组架修时应对压缩机锈蚀部位检漏，除锈喷漆处理。

⑥三通阀焊接部位泄漏原因（1例）。

故障原因：该位置焊接过程中存在沙眼或气孔，属于产品质量问题，注意检漏。

【效果评价】

评价表

*【知识扩展】

（1）制冷剂的检漏与充注

对制冷系统进行的气密性试验称为系统检漏，因为系统制冷剂的泄漏轻者会造成制冷量不足，严重的会造成制冷机组无法正常工作。制冷系统的泄漏部位主要在蒸发管路和冷凝管路的焊接处及管路弯头处。检漏方法一般有三种：压力检漏、真空检漏和校灯检漏。压力检漏是重点。

1）压力检漏

压力检漏是向制冷系统充注压缩气体试漏。一般是用氮气充入制冷系统中，因为氮气较为干燥价格便宜，是一种安全气体。用钢瓶装的压缩氮气其压力为1．5×107 Pa，充气时为确保安全，钢瓶上应装有带压力表的减压阀，以便于控制充气压力。

①将氮气瓶与制冷系统连接，同时转动减压阀，将氮气充入制冷系统，直到压力满足要求时将阀门关闭。

②将肥皂溶液用毛笔或者小刷涂于接头的缝隙中，如图3．40所示。仔细观察其动静，如果冒气泡就表示该处有渗漏。若是接头处有渗漏，则紧固后再次检查。每个渗漏点要做好标记。等全部检漏完毕再进行补漏。

补漏时，应将系统内的压缩氮气全部放空，经过补焊、接头更换垫片以及重新扩喇叭口后，再次进行充气检漏，直到整个系统不漏为止。

为了弥补可能没有查出的微小渗漏，当检漏完毕，不要将系统内的氮气放空，仍保持原压力并记下压力值，经过24 h后观察压力下降值是否在允许范围内，这就是保压试验。若压力下降值超出范围，则需要重复检漏。

图3．40　肥皂液检漏

2）真空检漏

充气检漏结束后，需要将系统内的氮气放空。当系统内的压力降低至周围大气压时，剩余在系统内的氮气无法自行排出，需要用本系统内的压缩机或者真空泵强制抽真空。系统必须抽真空的目的有两个：

①氮气或者空气在常温下或者一般的低温下是不会凝结为液体的，这部分气体存于冷凝器中占用了部分容积，影响冷凝器的散热能力；

②抽真空可以用来检验系统有无渗漏。全封闭式压缩机组成的制冷系统，需要接真空泵来完成。操作方法是：将带压力真空表的修理阀分别与真空泵、压缩机的灌气管连接起来；打开修理阀，开启真空泵，注意观察压力真空表读数是否往0刻度以下方向移动；当真空压力到达到时，关闭修理阀，停止真空泵运转。

制冷系统第一次抽真空所需时间较长，尤其只有低压充注口时，因毛细管节流作用，高压侧真空度很难达到。若采用两次抽真空可以在短时间内获得较高的真空度。即在第一次抽真空后，注入少量制冷剂，使压力表恢复为0，然后再一次抽真空。这样，剩余气体中的空气比例减少。

3）电子检漏

微量的制冷剂渗漏，可以用电子检漏仪，原理是利用气体电离现象，经过电子放大器放大后检查制冷剂泄漏的一种仪器。其基本结构是一个电离管，在电离管内部有一个白金套筒，内白金套筒接阳极，外白金套筒接阴极，中间有加热丝。其基本原理是：加热丝对内白金套筒加热到800℃左右，在两极上通直流高电压；管子内有风扇，不断抽吸气体，当有制冷剂泄漏时，被电离管吸口吸进，在高压电场内被电离成离子流，使串联在高压线路内的电流表的指示数值发生变化，即可判断泄漏位置。

卤素喷灯检漏：通过燃烧酒精去加热一块纯铜，空气被吸入喷灯，当空气中含有氟利昂时，气流与纯铜接触就会发生分解，并使燃烧的火焰变成黄绿色（泄漏量小时）或者紫色（泄漏量大时）。

补焊的注意事项：气钎焊：即氧气—乙炔焊，其焊料为银铜焊料，牌号为Lag45，含银量45%，其余为铜，助焊剂为XH4210。另一种焊料为磷铜合金，无需焊剂，但是这种焊料有冷脆性的缺点。管路焊接时应注意：不能在管路系统里有压力存在的情况下进行补漏，否则操作不安全，质量得不到保证。焊接前要清除表面的油漆绣层，并用纱布擦干净。

图3．41　电子检漏仪

4）充注制冷剂

制冷系统经过抽真空并确信无渗漏以后，就可以开始充注制冷剂。充注方法有两种：一种是从压缩机排气截止阀的“多用通道”充注，称为高压段充注，优点是充注速度快，适用于系统内无制冷剂并且是抽过真空的情况。另外一种方法是从压缩机吸气截止阀的“多用通道”充注，称低压段充注，用这种方法切不可以液态注入，以防发生液击，适用于系统制冷剂不够需要填充的情况。

需要的工具：制冷剂钢瓶或者服务罐、空调服务成套工具（压力表、充气软管、快速接头、服务罐阀）、卤素检漏仪、真空泵、乙炔焊接工具。

①高压段充注制冷剂法

a．将制冷剂钢瓶倾斜倒置于磅秤架子上，用铜管把压缩机排气管截止阀的“多用通道”与钢瓶连接起来；

b．稍微旋开一下钢瓶的阀杆并随即旋紧，将排气截止阀的接头松一下并随即旋紧将钢管内的空气赶出；

c．记下磅秤所指的质量，再将砝码减去所需加注制冷剂的质量，让砝码上翘；开启制冷剂钢瓶的阀门，再开启排气截止阀门，此时可以听到制冷剂喷入系统的流动声。注意总磅秤的动静，当发现磅秤砝码下落，标志着所加制冷剂已经达到规定值，应立即关闭钢瓶阀门。

d．关闭截止阀的阀杆，关闭“多用通道”孔，将接管拆卸，充注工作完成。

②低压段充注制冷剂法

a．将制冷剂钢瓶竖放在磅秤上，用钢管将吸气截止阀的“多用通道”接头和制冷剂钢瓶连接起来。

b．稍微旋开一下钢瓶的阀杆并随即旋紧，将排气截止阀的接头松一下并随即旋紧将钢管内的空气赶出；

c．记下磅秤所指钢瓶的质量，随即开启制冷剂钢瓶；开动冷凝器的排风扇，开启排气截止阀，启动压缩机。

d．旋开吸气截止阀的阀杆，接通截止阀的“多用通道”，制冷剂蒸汽缓慢吸入压缩机。这时用手摸铜接管会感到发凉，钢瓶表面也逐渐先结露然后结白霜。

e．随时注意查看磅秤读数，当数量够时，立即关闭钢瓶阀门，关闭“多用通道”阀门，拆下接管，充注工作完毕。

充注制冷剂时应注意：要防止大量制冷剂液体进入，损坏机器，一定要使制冷剂气体缓慢地多次进入，控制的方法是通过压缩机的时开、时停和调节修理阀。

在充注时，如果发现系统内混入空气，应及时将系统内的制冷剂全部放掉，重新进行充注。

（2）空调制冷系统检测与试验

空调制冷系统是若干机电设备组成的复杂系统。每个系统的性能是否良好，直接影响到整个装置的正常工作。客车空调的试验大致分为部件试验和系统试验。

1）部件检查与试验

①冷凝风机拆卸与检查：

a．将冷凝风机接线盒盖的固定螺栓拧松并取下；检查冷凝风机接线盒内部密封情况，如有出现返潮情况需要使用抹布对接线盒内部进行清洁。

b．取下冷凝风机接线盒盖；将冷凝风机的三根电源线固定螺母拧松并取出电源线；在拆装冷凝风机接线盒内部接线时，注意三相电源线的接线顺序。

c．使用斜口钳剪断冷凝风机电源线固定扎带，拧松冷凝风机固定螺栓并取下。

d．检查叶片在电机轴上的紧固情况，并查看叶片表面情况。

②冷凝风机调试及试验：

a．测量电机三相阻值，如不平衡，需要更换电机。

b．使用空调控制软件强制冷凝风机工作，观察冷凝风机转向是否正常，如不正确对冷凝风机接线盒内部接线进行调整。

③送风机拆卸及检查：

a．拧松蒸发室盖板所有固定螺栓和接地线螺栓，并取下蒸发室盖板。

b．拆下风压探测器与送风机连接的软管；拧松并拆下送风温度传感器固定螺栓。

c．使用斜口钳剪断蒸发室所有送风机电源线固定扎带；拧松送风机固定螺母并取出送风机；拧松送风机接线盒盖固定螺丝；检查送风机接线盒内部密封情况，如有出现返潮情况需要使用抹布对接线盒内部进行清洁。

d．拧松送风机电源线固定螺母；将送风机电源线卡箍拧松并取出电源线；在拆装送风机接线盒内部接线时，注意三相电源线的接线顺序。

e．用抹布对送风机外壳、电机体和安装底座进行清洁，检查叶片在电机轴上的紧固情况。

④送风机调试及试验程序：

a．测量电机三相阻值，如不平衡，需要更换电机。

b．使用静调电源柜对列车进行供电，使用RS232连接线把PTU串行口与空调控制器P14端口进行连接；使用空调控制软件强制送风机工作，检查客室是否有风送出；如发现送风机反转，需要对送风机接线盒内部接线进行调整。

⑤电磁阀拆卸及检查：

a．使用大号一字螺丝刀顶住电磁阀底部，将一字螺丝刀往上用力取出电磁阀；使用十字螺丝刀拧松电磁阀电源线安装座的4个固定螺丝并取下电磁阀。

b．使用干净抹布对电磁阀外表进行清洁。

⑥电池阀调试及试验程序：

a．使用万用表测量电磁阀线圈阻值。

b．检查电磁阀外观良好。

c．使用RS232线将PTU串行端口与空调控制器P14端口进行连接；使用软件进入监控界面，强制送风机、冷凝风机、压缩机工作；查看电磁阀在得电吸合时有无吸合声发出。

⑦干燥过滤器拆卸及检查程序：

a．使用乙炔对干燥器、电磁阀和窥视镜的连接管与主管两端连接处的焊膏进行融化。

b．作业人员使用钳子取出连接管，并使用乙炔对干燥器与铜管相连接的两端焊膏进行融化；另外一名作业人员使用钳子取出连接铜管。

c．使用钢丝球对干燥器连接铜管表面的氧化层进行处理，并用干净的抹布进行清洁；干燥器连接铜管表面干净无氧化层；使用干净抹布对干燥器两端铜管连接处进行清洁。检查干燥器外观情况。

d．将干燥器端口与连接铜管进行连接，使用乙炔焊进行焊接；干燥器其一端焊接完成后，使用湿石棉布对干燥器表面进行冷却；待干燥器冷却后，使用乙炔对干燥器另一端口与连接铜管进行焊接。

⑧干燥过滤器调试及试验程序：

a．干燥器更换完成后，使用氮气对管路进行保压（压力为1 MPa）。

b．保压12小时未发生泄漏后，才能进行抽真空充注制冷剂。

⑨温度传感器拆卸程序：

a．使用8号内六角打开新风门盖板锁；拧松新风温度传感器连接插头固定螺丝并取下插头；拧松送风温度传感器探头并取下。

b．使用黏酒精的抹布对温度传感器探头进行清洁；使用干抹布对温度传感器外表进行清洁。

c．使用万用表测量温度传感器内部阻值；检查送风温度传感器插头电源线连接状态。

d．将送风温度传感器探头固定在安装座，安装送风温度传感器连接插头并拧紧固定螺丝；使用8号内六角锁闭新风门盖板锁。

⑩温度传感器调试及试验程序：采用集控方式开启制冷系统。

2）整体试验

测试在设计工况下制冷系统的制冷量和工作状况，包括压缩机的吸气和排气压力，蒸发器和冷凝器的出口，进口温度以及冷凝器的冷却风量。

测试设备：电源110 VDC、电源380 V，3 phases，50 Hz、数字万用表DC／AC、综合电检仪、检漏仪（R407c）、干燥氮气瓶及相应的阀门和压力表，R407c制冷剂罐及相应的阀门和压力表、真空泵及相应的阀门和压力表、数字温度计、高压压力表、低压压力表。所有的实验用设备和工具在使用前必须经过校准，并有相应的记录。

常规测试内容：制冷系统压力试验，制冷系统真空、脱水和制冷剂加注、外观检查和部件标志、绝缘电阻测试，耐压测试，各种元件。如冷凝电机、蒸发电机、压缩机、旁通电磁阀等、压力开关动作测试、连续运转试验、淋雨测试。

①制冷系统保压及检漏测试。

在制冷系统完成后，必须按照程序Q2069的要求实施保压测试，测试压力为28 bar。本测试中注入氮气加压至28 bar，检查系统其他部位是否泄漏。并在加压完成后半小时，设备压力平衡后，记录压力值（保持小数点后1位）。保压时间必须不小于24 h，保压后压力降经温度梯度计算后不能大于0．3 bar。温度梯度计算公式如下：

P后=P前×T后／T前（T为开氏温度=273+摄氏温度）

空调机组在正常的制冷剂充灌量下，用检漏仪进行检漏，制冷系统中制冷剂的泄漏量不超过14g／a。测试过程中，如果系统出现任何泄漏，应立即报告生产部以进行修补。完成系统修补后，本保压测试必须重复进行直至成功通过为止。

②制冷系统的真空。

成功通过了制冷系统的保压测试后，系统必须根据程序Qc 8．2／3使用真空泵实施24 h的真空和脱水。然后，每个系统应按照程序Qc 8．2／4加注制冷剂R407C。目测和部件标志，在开始实施常规测试和常规测试后，应对系统实施一次外观目测检查，尤其应关注机械固定、接线的布置、电气连接（380 VAC，3 ph，50 Hz；110 VDC）、元件和黏贴件。在本操作中，各元件的标志和系列号必须记录在附件一的数据记录表内。

③绝缘电阻测试。

在实施介电强度测试之前必须首先对所有的空调电路进行绝缘电阻测试。该测试予以验证不同的电路与设备机架（接地）之间的绝缘电阻是否正常。检测电路的连接性，以确保整个设备的正确连接。

④介电强度测试。

只有在绝缘强度测试成功通过后，才能实施介电强度测试。本测试泄漏电流为100 mA。当一个电路在测试时，所有其他电路必须与机架连接。测试电压的频率为50 Hz，正弦波形。根据原件所属电路的名义电压如无绝缘击穿情况发生，则测试通过。测试完成后，所有短接电路和临时电线必须除去，所有电气连接恢复正常状态。

⑤旁通电磁阀验证。

一台空调机组有1个旁通电磁阀，阀门位置在冷凝腔处。该电磁阀的线圈必须通电，该测试主要通过听阀芯机械动作的声音来完成。

a．蒸发冷凝风机电机动作：

必须按照设备标牌标注的转数，首先检查冷凝器、蒸发器风机电机是否正常运转。观察电机运转的灵敏度，应逐个检测电机的启动与停止状态。

b．压缩机电机启动：压缩机必须装入空调机组，通过380 VAC电源并短暂接通—断开。在这个过程中，可检测压缩机的启动情况。

⑥压力开关运行测试：检查与所选定的部件是否匹配。

a．高压开关检测。

为检验该功能，应在高压计接头上安装一个0～40 bar的高压表。高压开关断开：在空调处于制冷状态下时，停止冷凝器风机，同时使压缩机继续运转，直到高压开关断开电源。在断开时要记录高压表上的读数，并检查是否符合上述设定标准（30±1）bar。高压开关重新闭合：在高压开关断开后，立即启动冷凝器风机，使冷凝器压力回落，直到压力开关闭合并重新接通压缩机为止。在压缩机要重新接通时，要记录下高压表读数，并检查是否符合上述设定标准（25±1．5）bar。

b．低压开关检测。

为进行这项检验，要在低压表接头上安装一个0～16 bar的低压表。低压开关断开：在空调机组处于制冷状态下时，停止通风机，使机组吸气端压力下降。当压力持续下降时，压缩机将停机，这时要记录下压力表的读数并核对是否符合上述设定标准（1．25±0．5）bar。低压开关重新闭合：在低压开关断开时，立即启动通风机，使吸入压力缓慢回升，直到压缩机重新启动。这时要记录下低压表读数，并核对是否符合上述设定标准（3±0．5）bar连续运转试验。在380 V、3相、50 Hz电源条件下，使设备连续运行大于2 h，液体管路视液镜应清晰并显示干燥的系统状态（试纸为绿色）。观察空调机组是否正常工作并且无故障发生。并记录各电器的运行电流、系统压力和环境温度等信息。

⑦淋雨测试。

将空调机组放置于水喷淋系统中，将该系统调节到均衡流量≥4．2 m3／h，压力≥0．17 MPa，试验时间为15 min，完成测试后，要检查空调机组内部是否渗水。绝缘电阻再次确认在淋雨测试通过后，应再次测试所有电路元件的绝缘电阻。

在测试结束后，必须将空调送去进行最终检验，主要检查以下几方面：所有空调机组部件的机械装配固定，空调机组的所有电气连接、所有机盖必须正确盖牢。

3）试运转测试

空调在装车之后还要进行运转测试，试验应该在制冷剂充注后，经过测试无泄漏，就可以开始制冷系统试运行工作了。

①对电气控制系统进行检查，确保接线端子无松动并进行绝缘试验。

②启动检查：先启动通风机，可以用手试验出风口有无风吹出；再启动冷凝风机，查看运转是否正常；然后可以启动压缩机，注意要等通风机、冷凝风机启动后1 min后再启动，同时两台压缩机启动时间应错开5 s以上。压缩机启动运转时应注意电流表的指示，通过机组工作电流表判断机组运行是否正常，同时应注意倾听声响，若有轻微比较均匀振动属于正常现象。

③运转调试：制冷系统经过一些检查并试运转正常后可以进行调试，所谓调试就是调整膨胀阀的开度。有些客车的单元式空调机组采用毛细管节流，因此不能调整。

④空调制冷系统的正常工况。

当空调制冷工况启动时，通风机、冷凝风机、压缩机通过电气连锁按照顺序启动，冷凝风机运转后，压缩机至少延时1 min再启动，并且各台压缩机的启动时间应相互错开5 s以上。这时，电流先增大后很快下降并恢复到一定位置。各电机在启动时应无异常振动和摩擦声响。压缩机的启动应平稳无剧烈振动，机组工作平稳，无特别噪声。机组启动后，客室内各出风口应有冷风吹出，客室温度下降均匀。

当列车空调装置开始启动时，“预冷却”模式自动启动。该模式在发出操纵命令后或者空调系统内的回流空气温度与设定温度差在1℃以内的2 min之后停止运行。在这段时间，没有来自外界的新鲜空气经由空调装置进入乘客厅。一旦操纵命令给出，微处理机控制器根据设定温度接管冷却能力的控制。

若内部温度上升，超过“设定”温度值2℃以上，由于空调系统热量超载，系统会自动转到“减少新鲜空气冷却”模式。该模式将减少空调装置新鲜空气的供应，尽快使乘客车厢回复设定温度。一旦车厢内温度超出“设定”温度小于2℃，系统会自动回复到先前的模式，通常为“正常冷却”。通过空调装置部分关闭新风门，完成“减少新鲜空气冷却”模式。

项目小结

本项目在结合制冷技术原理的基础上对城市轨道交通车辆制冷装置的结构、部件原理以及设备的使用、调试、维修等进行了阐述，内容包括蒸汽压缩式制冷原理、熵与焓的概念、制冷剂的特性、KG29H空调制冷系统的部件外形及参数，制冷系统的运用检修基本知识、制冷剂的检漏及充注、常见故障的判断及处理，对制冷系统的关键部件压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀进行了详细介绍。

思考练习

1．说明蒸汽压缩式制冷的组成及工作原理。

2．简述制冷压缩机的分类及工作原理。

3．简述空调机组四大部件的功能和制冷循环过程。

4．简述空调制冷系统的主要组成元件及作用。

5简述KG29H型空调制冷系统在不同的维护周期内的作业内容。

6．简述车辆制冷系统检漏的常用方法。

7．简述空调装置不出风的原因。

8．简述空调装置不制冷的原因。

9．简述空调装置出风不冷的原因。