低壓空氣制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計探究

陳剛

大連斯頻德環(huán)境設(shè)備有限公司 遼寧大連 116600

關(guān)鍵字低壓空氣；制冷系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 引言

低壓空氣制冷系統(tǒng)是一種將低壓空氣作為工作介質(zhì)和動力的制冷系統(tǒng)，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要把握好增壓單元、換熱單元和制冷單元等各個部分的設(shè)計方法，同時采取有效的調(diào)節(jié)措施，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和制冷能力。從以往的設(shè)計經(jīng)驗來看，由于設(shè)計人員對低壓空氣制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不夠了解，或細(xì)節(jié)設(shè)計不合理，導(dǎo)致產(chǎn)品難以達(dá)到預(yù)期效果。因此，有必要對其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法進(jìn)行詳細(xì)研究，從而提升低壓空氣制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。

2 低壓空氣制冷系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)分析

低壓空氣制冷系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，大體可分為增壓單元、換熱單元、冷卻單元、電磁節(jié)流閥膨脹單元幾個部分。具體包括主閥、增壓泵、一級換熱器、保溫室、二級換熱器、電磁節(jié)流閥、氣體出口等。將0.7MPa低壓空氣輸入到增壓單元后，將其分為兩個部分使用。其中一部分作為驅(qū)動活塞的動力，完成作工后，排入到大氣中。另一部分則作為制冷介質(zhì)，將其壓縮成23.5MPa高壓空氣，然后引入到第一級換熱器中，對其進(jìn)行冷卻。完成后引入到第二級換熱器中，對其進(jìn)行再次冷卻。經(jīng)過兩次冷卻的高壓空氣最終電磁節(jié)流閥膨脹單元中進(jìn)行節(jié)流，進(jìn)而產(chǎn)生低溫氣體。得到的低溫氣體也分為兩部分使用，其中一部分引入到保溫室中，負(fù)責(zé)對保溫室進(jìn)行冷卻。另外一部分低溫氣體則返回到第二級換熱器中，與持續(xù)輸入的高壓空氣發(fā)生逆流換熱作用，然后通過噴射方式，返回到第一級換熱器中。低溫空氣在噴射過程中，會在噴口位置形成負(fù)壓，確保保溫室氣體能夠吸入到第一級換熱器中，通過與高壓氣體發(fā)生逆流換熱作用后，排入到大氣中。在整個制冷過程中，低壓空氣制冷系統(tǒng)的換熱器冷卻氣體溫度會逐漸下降，電磁節(jié)流閥的節(jié)流孔前氣體溫度也會持續(xù)下降，從而形成積分式的制冷效應(yīng)，確保制冷量越來越大。其制冷量變化情況如圖1所示，即從“1-2-3-4”變化到“1-2-3ˊ-4ˊ”，再變化到“1-2-3"-4"”[1]。

3 低壓空氣制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

3.1 增壓單元設(shè)計

在上述低壓空氣制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，需要對各功能單元進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，從而實現(xiàn)最終的制冷功能。其中，增壓單元是低壓空氣制冷系統(tǒng)的一個重要單元，在整個制冷過程中都發(fā)揮著重要作用。低壓空氣制冷系統(tǒng)的增壓單元如圖2所示，主要由主閥大軸、主閥小軸、N腔、M腔、R腔、S腔、T腔、閥1、閥2、閥3、閥4等部分組成。氣缸活塞運動到上死點后，閥1被頂開，從A1口進(jìn)入0.7MPa低壓空氣，引入N腔。低壓空氣進(jìn)入后會作用在主閥大端和主閥小端，且前者作用力大于后者，從而推動主閥活塞向右側(cè)移動。從A1口進(jìn)入的低壓空氣通過主閥中心部分的通路后，被引入R腔，作為推動力使氣缸活塞向下移動。與此同時，T腔中的0.7MPa低壓空氣會被壓縮到23.5MPa，得到的高壓空氣通過閥4后，從B口排出區(qū)，同時閥3關(guān)閉。氣缸活塞移動到下死點后，閥2被頂開，此時N腔經(jīng)閥2可以與大氣相通。M腔中的0.7MPa低壓空氣作用在主閥活塞上，使其向左進(jìn)行移動，R腔可通過C1口與大氣相同。閥4關(guān)閉后，T腔中的剩余空氣發(fā)生膨脹，閥3被打開，使低壓空氣進(jìn)入到T腔中，進(jìn)而使氣缸活塞上移，達(dá)到上死點后，進(jìn)入下一個吸氣壓縮循環(huán)[2]。

圖1 低壓空氣制冷系統(tǒng)制冷量變化情況

圖2 增壓單元設(shè)計示意圖

圖3 低壓空氣制冷系統(tǒng)的電磁節(jié)流閥結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 換熱器設(shè)計

在低壓空氣制冷系統(tǒng)中，共設(shè)計有兩級換熱器，且第一級換熱器和第二級換熱器的結(jié)構(gòu)形式不同。第一級換熱器的蛇形管是由3層的φ3 0.5紫銅管組成的。其中，內(nèi)層紫銅管的直徑為φ48.5，其圈數(shù)為65圈。中層的雙頭繞管直徑為φ56.5，其圈數(shù)為82圈。外層的雙頭繞管直徑為φ64.5，其圈數(shù)為72圈。第二級換熱器的蛇形管結(jié)構(gòu)則是由四層φ3 0.5紫銅管所促成的。其中，里面的兩層為單頭紫銅管，其中一層紫銅管直徑為φ41，圈數(shù)為39圈，另一層紫銅管直徑為φ48，圈數(shù)為34圈。外面的兩層紫銅管則為雙頭繞管，其中一層直徑為φ57，圈數(shù)為48，另一層直徑為φ65，圈數(shù)為54。因此，在設(shè)計過程中，要對兩級換熱器進(jìn)行分別設(shè)計，區(qū)分第一級和第二級換熱器的蛇形管形式，控制好其設(shè)計參數(shù)[3]。

3.3 電磁節(jié)流閥設(shè)計

在低壓空氣制冷系統(tǒng)的電磁節(jié)流閥設(shè)計過程中，由于電磁節(jié)流閥屬于制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，需要對其設(shè)計參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格把控，否則將對整個系統(tǒng)的制冷性能產(chǎn)生不利影響。電磁節(jié)流閥的主要功能是對壓縮空氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而影響著低壓空氣制冷系統(tǒng)的制冷能力。具體可采用2個孔板進(jìn)行條件，孔板材料為聚四氟乙烯。在對電磁節(jié)流閥進(jìn)行設(shè)計時，重點應(yīng)設(shè)計好聚四氟乙烯孔板的直徑。電磁節(jié)流閥具體由去節(jié)流裝置的換熱器、銜鐵、調(diào)節(jié)螺栓、冷凍室、閥芯、閥座和孔板等結(jié)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在對孔板直徑進(jìn)行設(shè)計時，具體的直徑系列可采用φ0.5/φ0.7/φ1/φ1.4/φ2/φ2.8/φ3/φ3.5/φ4，從而滿足電磁節(jié)流閥的壓縮空氣流量和制冷量調(diào)節(jié)需求。此外，還應(yīng)做好針閥閥芯和針閥閥座的設(shè)計，確保其結(jié)構(gòu)尺寸和規(guī)格能夠滿足電磁節(jié)流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，詳細(xì)設(shè)計其尺寸參數(shù)，確保電磁節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)完整性和靈活性。

3.4 制冷量調(diào)整措施

在低壓空氣制冷系統(tǒng)中，保溫容器一般采用體積150～200L左右的絕熱容器。在其設(shè)計過程中，需要合理設(shè)計保溫室流量孔板直徑、空氣壓力和節(jié)流孔溫度，從而確保保溫室的制冷能力能夠正常發(fā)揮。從以往的設(shè)計經(jīng)驗來看，由于制冷量調(diào)節(jié)措施不當(dāng)、設(shè)計人員沒有把握好各項參數(shù)的設(shè)計范圍，或因細(xì)節(jié)處理不當(dāng)，導(dǎo)致保溫室難以達(dá)到預(yù)期的溫度下降效果。在實際設(shè)計過程中，首先應(yīng)充分了解保溫容器的使用功能，其流量孔板直徑設(shè)計會影響通向保溫室的壓力，進(jìn)而影響其制冷功能。一般情況下，應(yīng)將通向保溫室的流量孔板直徑設(shè)計為3～4mm，并在0.1～1.2MPa壓力條件下，對通向換熱器流量孔板的直徑進(jìn)行逐步調(diào)節(jié)，確保通向保溫室的空氣壓力在50～60kPa范圍內(nèi)。在此條件下，節(jié)流孔前的壓力值在19.5MPa～21MPa范圍之間，節(jié)流口后的溫度則會從-140℃下降到-180℃。由此可以確保保溫室能夠在44min～55min時間內(nèi)，具備將溫度降低至-70℃的制冷能力，從而滿足低壓空氣制冷系統(tǒng)的實際使用需求。

3.5 設(shè)計效果評價

通過采取上述設(shè)計方法設(shè)計并實現(xiàn)的低壓空氣制冷系統(tǒng)，可以滿足一般情況下的制冷功能需求，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，運行穩(wěn)定性較高，具有較高的綜合運行效益。目前使用的低壓空氣制冷系統(tǒng)主要是基于逆布雷頓循環(huán)和逆埃里克森循環(huán)實現(xiàn)的。在理想條件下，布雷頓循環(huán)是由2個定壓過程、2個等熵過程組成的，工質(zhì)經(jīng)過低壓換熱器后，被升溫至狀態(tài)1，然后經(jīng)過等熵壓縮升溫至狀態(tài)2。埃里克森循環(huán)則是由兩個冷卻器、低壓換熱器、2個壓縮機和膨脹機組組成的，為提高循環(huán)性能系數(shù)，也需要采用換熱器，經(jīng)過熱交換后再進(jìn)入膨脹機和壓縮機。低壓空氣制冷則是兩種循環(huán)的逆過程。包括目前使用的列車空調(diào)空氣制冷系統(tǒng)、飛機空調(diào)空氣制冷系統(tǒng)、低溫用空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)等，都是根據(jù)這一原理設(shè)計的。本次設(shè)計的低壓空氣制冷系統(tǒng)除能夠發(fā)揮正常的制冷功能外，還能滿足熱負(fù)荷增加下的系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求。

從上述設(shè)計過程中，可以總結(jié)出以下幾方面經(jīng)驗：

（1）低壓空氣制冷系統(tǒng)的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且需要發(fā)揮各個功能單元的協(xié)調(diào)作用，才能確保系統(tǒng)的制冷功能。因此，在設(shè)計過程中，必須關(guān)注于各個單元的具體功能以及各單元時間的聯(lián)動性，特別應(yīng)把握好接口部分的設(shè)計內(nèi)容，包括其尺寸結(jié)構(gòu)的合理性以及動力傳遞的合理性等。

（2）從低壓空氣制冷系統(tǒng)的運行原理來看，其工作過程是一個往復(fù)循環(huán)的過程，在低壓空氣作為動力供應(yīng)和作為工質(zhì)流通的過程中，通過合理設(shè)計各閥門、出口、腔體結(jié)構(gòu)，可以確保其工作過程中的連續(xù)性，進(jìn)而滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行需求。

（3）兩級換熱器的應(yīng)用是低壓空氣制冷系統(tǒng)循環(huán)流程實現(xiàn)的關(guān)鍵，在具體設(shè)計過程中，需要根據(jù)兩級換熱器的設(shè)計目的，分別設(shè)計其結(jié)構(gòu)形式，滿足第一級換熱器和第二級換熱器的逆流換熱作用需求。通過把握好細(xì)節(jié)設(shè)計，進(jìn)一步提升低壓空氣制冷系統(tǒng)的設(shè)計水平，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)制冷功能。

4 結(jié)束語

綜上所述，在對低壓空氣制冷系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通過明確其使用需求及系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，掌握每個結(jié)構(gòu)組成單元的功能特點，可以明確設(shè)計方向，從而合理選擇設(shè)計方法。在此基礎(chǔ)上，通過對各結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行分別設(shè)計，逐一實現(xiàn)其模塊功能，并提升各功能單元之間的聯(lián)動性，可以提升低壓空氣制冷系統(tǒng)的整體性能。