罗芬激光器冷却系统故障分析

杨海生 于洪喜 齐杰斌 郑利元 宋锡友 马建阳 高 超

(1：首钢智新迁安电磁材料有限公司 河北省迁安市 064400； 2：首钢股份公司迁安钢铁公司 河北省迁安市 064400)

1 前言

工业生产中，为保证设备能够正常稳定的运行，必须对其运行过程中产生的热量进行散发，目前常用的冷却系统为水冷、风冷和油冷三种方式，其中水冷方式因其对流换热系数为空气自然换热系数的150倍以上，散热效率极高而得到广泛应用[1]。

本文所述冷却系统为首钢迁钢罗芬激光器冷却系统，采用的即是以水作为冷媒，冷却对象包括激光器光闸及能量吸收盒、功率传感器、光路镜片、前镜后镜、射频管冷循环换热器、谐振腔高压极板、金刚石窗口镜片、空间滤波器及外光路镜片，由于激光束的高能量使上述元器件在运行过程中产生大量的热量，这些热量将直接导致元器件的工作特性失效甚至损坏；该冷却系统即是在循环过程中带走激光器工作时的热能，保证元器件的工作精密度，使激光器稳定运行；具有体积小，效率高，运行稳定等特点。

2 冷却系统工作原理

2.1工作原理简介

如图1冷却系统由压缩机、风冷冷凝器、热力膨胀阀、盘管式蒸发器等组成，制冷剂的低压蒸汽由压缩机吸入，经过压缩变为高压蒸汽，送至冷凝器；同时轴流风扇吸入的机箱外空气流经冷凝器，带走气态制冷剂的热量，使高压蒸汽凝结为高压常温液态,过冷约5开尔文；该液态制冷剂经膨胀阀毛细管节流降压成为低压低温的湿蒸汽，制冷剂在蒸发器内，在一定的蒸发压力、蒸发温度下汽化，从被冷却对象即回水管路的热水中吸收热量，汽化后的低压高温蒸汽又被压缩机抽出，如此往复循环将回水管路的热量带走，输出冷源给设备，完成设备的冷却。

图1 水冷机制冷系统原理图

2.2 结构特点

2.2.1 温度控制模式

罗芬激光器冷却系统采用热力膨胀阀和电磁阀配合的方式对温度进行控制，系统可以有效控制过热度，并且可以在接近目标值时打开电磁旁通阀，实现微量制冷逐渐接近目标温度，此种配置，可以对系统输出冷量分段，但是在接近设定目标值时，温度常有微调现象，且由于比较难以控制系统温度，系统启停相对频繁[2]。

2.2.2 盘管式蒸发器

设计为盘管式蒸发器，其特点是结构紧凑，体积小，载冷剂容量大，冷量贮存多，热稳定性好。

由于形状成螺旋状，换热面积可以做到十几平方以上，而传热系数也很高，同时，由于蒸发流体的不断冲刷作用使管能自由浮动，胀缩自如，因而不易结垢，若在长期使用过程中，积累了少量水(油)垢，通过管子的膨胀，将能实现自动脱垢，因而长期使用换热能力下降不会太明显，换热效果良好。

传热特性：制冷剂在蒸发器内吸热后，达到该压力下的饱和温度时，在加热表面形成许多汽泡，汽泡增大上升、破裂而达到沸腾。此状态下制冷剂放热系数和热流密度随温差的增大而增大。

运行中的蒸发器导致其性能降低的原因分析：

1)制冷剂供给不足：结霜严重或者风速降低相当于传热系数降低等原因，这是蒸发器性能曲线由Z1变为Z2，工况点由1变为2，则相应的蒸发温度t02(蒸发压力p02)降低，制冷量q02变小。

2)蒸发器表面污垢过多，导致传热面积变小，则同样导致制冷量q02变小。

3)如果压缩机性能下降：性能曲线由C变为C′，工况点1移至1′，则装置蒸发温度(蒸发压力)提高，但制冷量也会下降。

2.2.3 防污防垢防腐设计

循环冷却水系统中，最常见的问题是系统结垢、腐蚀、微生物污染。为解决该问题，该水冷机采用水箱内添加某指定品牌杀菌剂和缓蚀剂。该缓蚀阻垢剂属于有机磷酸盐，是一种阴极缓蚀剂，主要通过多价螯合作用与铁、钙等金属离子结合，在金属表面形成一层抑制腐蚀作用的保护膜，并能防止钙、镁等离子结晶析出。

图2 蒸发器性能曲线

2.2.4 霜冻保护

如果水冷机设计场所环境温度低于5摄氏度，且无配套的防霜冻的设备时，则意味着有霜冻的可能，为解决该问题，水冷机在水箱内设计有加热装置，将水温控制在15摄氏度以上。

2.2.5 过热度调节

采用蒸汽过热度调整机构热力膨胀阀。它通过蒸发器出口蒸汽过热度的大小调整热负荷和供液量的匹配关系，以此控制节流孔的开度大小，实现蒸发器供液量随热负荷变化而改变的调节机制。系统可以有效控制过热度，并且可以在接近目标值是打开电磁旁通阀，实现微量制冷逐渐接近目标温度。

2.2.6 冷凝器

采用风冷翅片管式换热器作为冷凝器。由等距且相互平行的翅片和与翅片垂直并按一定规律排列的管束组成。翅片侧流体为空气强迫对流换热，管内侧流体为制冷剂冷凝换热。

3 冷却系统改造

水冷机承担着为激光器光学元件冷却的作用，需要为其输出恒温、恒压、恒流的冷却水，其运行稳定性尤为重要。但在实际应用中，环境的不稳定因素和设备设计与现场的不匹配性已经严重影响其正常运行。

如夏季厂房内温度过高，多次出现水冷机制冷剂压力超范围导致设备运行故障；制冷效果差导致镜片曲率发生变化，功率降低，激光焦点偏移等故障，鉴于这些情况特提出以下改造方案：

3.1 风扇启动方式优化

原风扇启动方式为：当控制器发出制冷指令时，压缩机开始运行，制冷剂回路压力小于15bar时风扇不启动，大于18bar时，风扇开始运行，当制冷剂回路压力小于21bar时风扇接线方式为星型接法，低速运转，当压力大于26bar时风扇接线方式为三角型接法，高速运转。经过长时间跟踪，此种设计已不满足现场使用要求，由于夏季厂房内温度高达40℃，且冷却系统周边设备较为密集，空气对流差，若等制冷剂压力满足要求再使风扇运转则不能在短时间内完成换热，极易造成制冷剂压力过高报警而导致机组停机。

经过多次尝试，对其启动方式进行优化：取消制冷剂回路压力大于18bar时风扇再启动的设计，改为：风扇与压缩机同步启动。

经过跟踪，改造后，大幅提高冷却系统与大气的强制对流能力和对流速度，制冷效果显著。

3.2新型冷凝器滤网

冷凝器主要热阻在空气侧，空气侧的换热性能决定了整个冷凝器的性能，而现场水冷机周边灰尘较多，尤其在春夏季节会有大量柳絮附着在冷凝器上，导致迎面风速不均匀甚至堵塞，造成温度场的不均匀，进而导致换热效率的降低；原有滤网为棉质材料，厚度大，透气性差且不易清扫更换。

新型滤网为双层纺织纤维滤网，筛孔增大，滤网四周用金属条固定且设计有易拆装锁扣。

新型滤网较原有设计优势明显：

1)取代传热能力差的棉质材料，采用纤维材质，可重复清洗循环利用，经济性高，使用寿命长；

2)筛孔增大，透气性更好，低压损，增加空气对流面积，且不易堵塞，易于清扫；

3)滤网厚度由原5mm改为1mm，增强传热能力；

4)设计易拆装锁扣更利于日常清扫更换。

3.3水过滤器升级

设备的冷却效果好坏取决于冷却水温和流量 ,当管道设计安装定型后,冷却水流量的大小完全取决于水的压力。而现场管路没有可视化的压力表，让维护人员对冷却水压力无从把握。

升级版的水过滤器即是在原有反冲洗过滤器的基础上增加温度表和出水压力表，实现维护人员在点巡检过程中可实时查看温度和压力，把握冷却水状态。

4 冷却系统维护

设备维护机制的不完善是导致设备故障的重要因素，结合现场人员配置和设备周边环境情况特制定如下维护方法：

1)维护人员固定化，避免员工对设备知识和维护工作能力的残次不齐；保证维护队伍的技术水平；

2)制定科学的点检标准，点检周期，充分利用维护单位的工作机制对冷却系统工作状态进行细致跟踪，避免低级故障发生；

3)制定备件周期性更换计划，并严格执行，将备件损坏导致的故障停机率降到最低；

4)春夏季节设备周边存在大量柳絮，极易造成冷凝器滤网堵塞，将冷却系统维护工作按季节分别制定执行，既保证设备的稳定运行又不增加维护人员的工作负担；其中主要包括：春夏季节增

大冷凝器滤网清扫更换频率和增大冷凝器及水冷机内部压缩空气深度吹扫项目；

5)设备的长期使用，使水箱内壁及盘式蒸发器表面产生顽固性污垢，针对此情况定期进行高压水枪清洗，保证水箱内清洁。

5 结束语

分析了罗芬激光器冷却系统工作原理及结构，并对实际应用中常见问题提出了合理化的改造和针对性的维护方法，为现场人员对罗芬激光器冷却系统的维护提供了参考。