-40 ℃溫區(qū)（高）低溫試驗裝置制冷機組的研發(fā)

陳斌，胡醇，胡德霖，黃濤，梁立峰，羅峰

（蘇州電器科學研究院股份有限公司，蘇州 215104）

引言

-40 ℃左右溫區(qū)基本屬于中國國內特定地區(qū)使用裝備試驗的最低溫[1]，是各類大、中、小型環(huán)境實驗裝置常用低溫溫區(qū)，由于制冷機組隨內外環(huán)境溫度變化帶來其冷量變化的特點[2]，通常的-40 ℃溫區(qū)機組普遍采用雙級機組、或復疊機組制冷方式，以及數(shù)套定頻單級機組并聯(lián)方式實現(xiàn)以方便冷量大小調節(jié)，這些常規(guī)制冷方式主要問題是：對前兩種制冷機組，溫度很高時就采用雙級或復疊方式，制冷效率低，換熱器因為一直很低的蒸發(fā)溫度而容易結霜，單級機組并聯(lián)方式倒是比較有利于按溫區(qū)高低逐步增臺運行，但在處于低艙溫時每臺機組壓比過大（可達10以上），制冷效率很低。一些文獻為此進行了相關節(jié)能分析和改進研究[3-7]。為了克服這幾種常規(guī)制冷方式的缺陷，本文特采用多臺制冷機組并聯(lián)及配打切換運行方式，不僅有利于節(jié)電運行，又能相應提高制冷效率。

1 研發(fā)理論分析

1.1 研發(fā)指標

所研制-40～80℃溫度區(qū)間高低溫試驗裝置主要指標：

1）高低溫試驗箱內部有效尺寸（mm）：長4 000×寬3 000×高2 700；

2）艙內溫度控制范圍：高溫80 ℃～常溫～-40 ℃；

3）升降溫時間：按常溫～-40 ℃降溫時間：～5 h，-40 ℃～常溫升溫時間：～2 h；

4）制冷冷凝形式：風冷（V型布置方式）。

1.2 裝置環(huán)控設備制冷原理

環(huán)控設備制冷原理如圖1所示。

圖1 中通過采用三臺壓縮機，在降溫過程的高溫段，各壓縮機按并聯(lián)方式工作，而在隨著試驗箱溫降低到某一溫度以下，通過分流三通開關閥和直通開關閥的組合動作，使得原本并聯(lián)工作的壓縮機重新組合為兩臺或兩臺以上的壓縮機，仍為并聯(lián)狀態(tài)并成為雙級機組的低溫級，其它一臺或數(shù)臺并聯(lián)壓縮機切換成雙級機組的高溫級，使得整體制冷機組按雙級機運行，以避免在大壓比下單機機組運行時不安全運行、制冷量過低的各種弊端，同時使得在高箱溫下按需開啟并聯(lián)機的單臺或多臺，避免機組運行時的高耗電和不合理的過大部件配置（包括冷凝組件、蒸發(fā)部件等多部件）。

圖1 制冷系統(tǒng)原理圖

本文中機組通過將整體低溫系統(tǒng)由常規(guī)的單臺壓縮機系統(tǒng)設計成由3臺（實際可按需拓展成2至5臺）并聯(lián)的方式，避免了單機組情況下高溫工況時制冷量過大，配置龐大帶來的機組體型大、造價大、配電大的弊端，又保證了機組的高效率；同時解決了整體系統(tǒng)在低溫工況下常規(guī)設計系統(tǒng)的運行壓比大、效率低，運行不安全的弊端，保證了機組的安全運行[8]。本發(fā)明尤其適合用于箱體內溫度范圍為從常溫到-40 ℃左右、即可以通過雙級或復疊制冷加以實現(xiàn)的場合。

基本控制邏輯：Te在約-7 ℃以上三臺并聯(lián)機組中運行時間最少的一臺運行，在約-7 ℃到約-20 ℃運行時間相對少的二臺運行，在約-20 ℃以下雙級運行。

1.3 理論計算

計算對比：選擇BITZER壓縮機型號4NES-20Y，R507工質，遵循壓縮機工作極限圖，計算不同艙溫下機組的能力，包括不同艙溫（蒸發(fā)溫度）下制冷量、壓力、壓差、排氣溫度對比。

模擬整個試驗箱內（20～-40）℃溫區(qū)范圍制冷機組需要開啟的時段。計算比較條件：

冷凝風量25 000 m3/h，蒸發(fā)風量14 000 m3/h，冷凝進風溫度固定為35 ℃，蒸發(fā)進風相對濕度在各溫區(qū)下皆按70 %。

單級單壓縮機及2至3臺并聯(lián)系統(tǒng)的模擬借助壓縮機廠家選型軟件（采用版本：BITZER software 6.15）和Coolpack （采用版本：version 1.50）壓焓圖對比計算，確保各過程壓縮機等熵效率取值準確性。同時針對固定不變的蒸發(fā)器、冷凝器，采用筆者參考相關文獻[9-12]自編的制冷系統(tǒng)模擬計算軟件，分別進行換熱計算，以保證各過程對應的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、循環(huán)流量與各換熱段工質流阻假設的相符性。

本文“配打機組”指的是三臺壓縮機在某較低艙溫下通過閥門的切換形成雙級機組，配打制冷方式在冷庫行業(yè)時有使用[13-18]，按原理圖1，因為低溫級吸氣比容遠遠大于高溫級，故這里采用兩臺機組做為低溫級，一臺機組做為高溫級的配打方式，狀態(tài)點及變量定義如圖2配打機組壓焓圖所示。兩壓縮過程同樣是借助壓縮機廠家選型軟件和Coolpack 壓焓圖對比計算，確保兩級壓縮過程壓縮機各自等熵效率取值準確性，以此確定各自排氣溫度；分別取蒸發(fā)器和經濟器有效過熱度5 ℃，經濟器節(jié)流閥采用熱力膨脹閥，并假設經濟器蒸發(fā)側出口溫度與進蒸發(fā)器主流體過冷液出口溫度差約4 ℃，換熱公式：

圖2 配打機組壓焓圖

（mr-m1r) ×（h21'-h41')=m1r×(h41'-h4)

中溫混合冷卻換熱公式：

（mr-m1r) ×（h2"-h21')=m1r×(h2-h2")

模擬結果部分曲線：見圖3～6。

圖3 三套壓縮機不同運行方式下制冷量對比

圖4 三套壓縮機不同運行方式下壓力、壓比對比

圖5 三套壓縮機同時運行兩種方式下蒸發(fā)器工質循環(huán)流量對比

圖6 三套壓縮機不同運行方式下排氣溫℃對比

1.4 模擬結果分析

1）在箱溫a（本計算條件下a約等于10）℃以上，只需要開啟一臺，冷量足夠，結合卸載，高艙溫下亦可卸載運行；

2）在箱溫b（本計算條件下b約等于0）℃以上，只需要啟動三臺并聯(lián)機組中的兩臺運行，冷量達40 kW以上；即使在c（本計算條件下c約等于-10）℃艙溫下，制冷量仍達30 kW以上；

3）c ℃艙溫時若需繼續(xù)降溫，可以啟動三臺壓縮機常規(guī)并聯(lián)方式運行，此時冷量近40 kW；三壓縮機并聯(lián)方式可以一直工作到d（本計算條件下d約等于-20）℃艙溫以下區(qū)間，制冷量皆能維持在20 kW以上；

4）在箱溫e（本計算條件下e約等于-5）℃左右以下溫區(qū)，才可開啟三臺并聯(lián)壓縮機，否則制冷量過大；在箱溫f（本計算條件下f約等于-15）℃左右以下溫區(qū)，才可開啟三臺配打壓縮機，否則配打機組單級壓比過小會帶來壓縮機運行不正常。

5）從制冷量圖和排氣溫度圖可見，三臺壓縮機并聯(lián)運行與只有其中兩臺并聯(lián)運行制冷量對比，兩者相差不大，遠不及三臺機組配打運行帶來的效果明顯。在同樣的兩側二次換熱介質進口溫度、流量下，配打機組在低溫下運行帶來相比于同樣三臺機組并聯(lián)仍單級工作的制冷量的明顯改善、排氣溫度的明顯降低。配打機組制冷能力的提高主要不是因為蒸發(fā)溫度的提高、冷凝溫度的降低，而是雙級壓縮帶來單級壓比的顯著降低、蒸發(fā)器循環(huán)流量的顯著增加以及經濟器運行帶來冷凝器側出口工質更大的過冷度。

6）需要注意壓縮機極限工作范圍，由于兩器換熱能力的影響，考慮配打機組工質循環(huán)流量、冷能力的增大，為發(fā)揮配打機組的作用，對于最低-40℃艙溫，大冷量需求時需要提升蒸發(fā)器循環(huán)風量（或者有意識按保證最低蒸發(fā)溫度來設計蒸發(fā)器結構和面積），以防蒸發(fā)溫度低于-45 ℃過多帶來壓縮機損壞。

7）采用本文配打機組原理，通過采用比R507更低沸點工質方式、或使用R404A（雖然低溫時其飽和溫度對應飽和壓力還要低于R507，但其相對R507多示出了最低到-59 ℃的物性數(shù)據），可以將本原理機組使用最低艙溫拓展至-45 ℃左右，則本制冷原理使用需求更旺盛。

2 實驗驗證

模擬假設的一些條件在實際運行中并不能維持，比如通過兩換熱器的風量會隨溫濕度變化而變化，尤其是蒸發(fā)器溫度變化帶來風量的變化還比較明顯，因此機組連續(xù)工作時的實際性能會與模擬計算不同。采用本文原理圖制冷機組提供環(huán)控制冷服務的防爆試驗艙室實體如圖7所示，艙體的一端是環(huán)控系統(tǒng)部分，主要包括制冷機組主機系統(tǒng)、風冷冷凝器及風機部分電控柜、電熱功率調整模塊，艙內一側是室內換熱模塊，包括蒸發(fā)器、電加熱器，風機，風機驅動變頻電機外置，由磁耦合結構相互連接（本艙需進行負壓試驗，避免電機受艙內高低溫、負壓影響），艙內空氣循環(huán)為下側回風、頂部均布孔板送風以保證艙內溫濕度均勻性。

圖7 防爆試驗艙室結構圖

針對實際系統(tǒng)做降溫和升溫實驗，在降溫程序中設置隨不同艙溫（蒸發(fā)換熱器回風溫度）變化，機組自動調整開啟臺數(shù)以及切換到配打狀態(tài)。

艙內由常溫降至-40 ℃，降溫時間要求小于5h，降溫速率均勻性沒要求，溫度到達設定值并穩(wěn)定一定時間后停機做防爆性能試驗。因本艙既有高溫（80 ℃）指標，又有低溫（-40 ℃）指標，采用電加熱器調功方式大致控制降溫速率，圖8曲線為調試初期實驗結果，圖中可見，通過在約-20 ℃艙溫下切換成三壓縮機配打的制冷方式，很好保證了艙內低溫段的降溫速率，實驗基本驗證了本文原理及計算的正確性。

圖8 艙內實際降溫曲線圖

3 結論

配打制冷方式在冷庫行業(yè)時有使用，本文通過合理設計、分析，認為將其推廣使用于-40℃左右溫區(qū)高低溫試驗裝置制冷精控溫領域具備多個優(yōu)點，不僅有利于實現(xiàn)制冷全降溫段冷量輸出的負荷調節(jié)的節(jié)能運行效果，尤其是能夠實現(xiàn)降溫速率的均衡性，提升制冷機組在低艙溫下的制冷效率，值得在環(huán)境試驗箱、冷庫等行業(yè)推廣使用。