陳斌，胡醇，胡德霖，黃濤，梁立峰，羅峰

（蘇州電器科學(xué)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(guó)國(guó)內(nèi)特定地區(qū)使用裝備試驗(yàn)的最低溫[1]，是各類(lèi)大、中、小型環(huán)境實(shí)驗(yàn)裝置常用低溫溫區(qū)，由于制冷機(jī)組隨內(nèi)外環(huán)境溫度變化帶來(lái)其冷量變化的特點(diǎn)[2]，通常的-40 ℃溫區(qū)機(jī)組普遍采用雙級(jí)機(jī)組、或復(fù)疊機(jī)組制冷方式，以及數(shù)套定頻單級(jí)機(jī)組并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)以方便冷量大小調(diào)節(jié)，這些常規(guī)制冷方式主要問(wèn)題是：對(duì)前兩種制冷機(jī)組，溫度很高時(shí)就采用雙級(jí)或復(fù)疊方式，制冷效率低，換熱器因?yàn)橐恢焙艿偷恼舭l(fā)溫度而容易結(jié)霜，單級(jí)機(jī)組并聯(lián)方式倒是比較有利于按溫區(qū)高低逐步增臺(tái)運(yùn)行，但在處于低艙溫時(shí)每臺(tái)機(jī)組壓比過(guò)大（可達(dá)10以上），制冷效率很低。一些文獻(xiàn)為此進(jìn)行了相關(guān)節(jié)能分析和改進(jìn)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(tái)制冷機(jī)組并聯(lián)及配打切換運(yùn)行方式，不僅有利于節(jié)電運(yùn)行，又能相應(yīng)提高制冷效率。

1 研發(fā)理論分析

1.1 研發(fā)指標(biāo)

所研制-40～80℃溫度區(qū)間高低溫試驗(yàn)裝置主要指標(biāo)：

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

2）艙內(nèi)溫度控制范圍：高溫80 ℃～常溫～-40 ℃；

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

4）制冷冷凝形式：風(fēng)冷（V型布置方式）。

1.2 裝置環(huán)控設(shè)備制冷原理

環(huán)控設(shè)備制冷原理如圖1所示。

圖1 中通過(guò)采用三臺(tái)壓縮機(jī)，在降溫過(guò)程的高溫段，各壓縮機(jī)按并聯(lián)方式工作，而在隨著試驗(yàn)箱溫降低到某一溫度以下，通過(guò)分流三通開(kāi)關(guān)閥和直通開(kāi)關(guān)閥的組合動(dòng)作，使得原本并聯(lián)工作的壓縮機(jī)重新組合為兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的壓縮機(jī)，仍為并聯(lián)狀態(tài)并成為雙級(jí)機(jī)組的低溫級(jí)，其它一臺(tái)或數(shù)臺(tái)并聯(lián)壓縮機(jī)切換成雙級(jí)機(jī)組的高溫級(jí)，使得整體制冷機(jī)組按雙級(jí)機(jī)運(yùn)行，以避免在大壓比下單機(jī)機(jī)組運(yùn)行時(shí)不安全運(yùn)行、制冷量過(guò)低的各種弊端，同時(shí)使得在高箱溫下按需開(kāi)啟并聯(lián)機(jī)的單臺(tái)或多臺(tái)，避免機(jī)組運(yùn)行時(shí)的高耗電和不合理的過(guò)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(jī)組通過(guò)將整體低溫系統(tǒng)由常規(guī)的單臺(tái)壓縮機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成由3臺(tái)（實(shí)際可按需拓展成2至5臺(tái)）并聯(lián)的方式，避免了單機(jī)組情況下高溫工況時(shí)制冷量過(guò)大，配置龐大帶來(lái)的機(jī)組體型大、造價(jià)大、配電大的弊端，又保證了機(jī)組的高效率；同時(shí)解決了整體系統(tǒng)在低溫工況下常規(guī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行壓比大、效率低，運(yùn)行不安全的弊端，保證了機(jī)組的安全運(yùn)行[8]。本發(fā)明尤其適合用于箱體內(nèi)溫度范圍為從常溫到-40 ℃左右、即可以通過(guò)雙級(jí)或復(fù)疊制冷加以實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)合。

基本控制邏輯：Te在約-7 ℃以上三臺(tái)并聯(lián)機(jī)組中運(yùn)行時(shí)間最少的一臺(tái)運(yùn)行，在約-7 ℃到約-20 ℃運(yùn)行時(shí)間相對(duì)少的二臺(tái)運(yùn)行，在約-20 ℃以下雙級(jí)運(yùn)行。

1.3 理論計(jì)算

計(jì)算對(duì)比：選擇BITZER壓縮機(jī)型號(hào)4NES-20Y，R507工質(zhì)，遵循壓縮機(jī)工作極限圖，計(jì)算不同艙溫下機(jī)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(duì)比。

模擬整個(gè)試驗(yàn)箱內(nèi)（20～-40）℃溫區(qū)范圍制冷機(jī)組需要開(kāi)啟的時(shí)段。計(jì)算比較條件：

冷凝風(fēng)量25 000 m3/h，蒸發(fā)風(fēng)量14 000 m3/h，冷凝進(jìn)風(fēng)溫度固定為35 ℃，蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度在各溫區(qū)下皆按70 %。

單級(jí)單壓縮機(jī)及2至3臺(tái)并聯(lián)系統(tǒng)的模擬借助壓縮機(jī)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(duì)比計(jì)算，確保各過(guò)程壓縮機(jī)等熵效率取值準(zhǔn)確性。同時(shí)針對(duì)固定不變的蒸發(fā)器、冷凝器，采用筆者參考相關(guān)文獻(xiàn)[9-12]自編的制冷系統(tǒng)模擬計(jì)算軟件，分別進(jìn)行換熱計(jì)算，以保證各過(guò)程對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、循環(huán)流量與各換熱段工質(zhì)流阻假設(shè)的相符性。

本文“配打機(jī)組”指的是三臺(tái)壓縮機(jī)在某較低艙溫下通過(guò)閥門(mén)的切換形成雙級(jí)機(jī)組，配打制冷方式在冷庫(kù)行業(yè)時(shí)有使用[13-18]，按原理圖1，因?yàn)榈蜏丶?jí)吸氣比容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高溫級(jí)，故這里采用兩臺(tái)機(jī)組做為低溫級(jí)，一臺(tái)機(jī)組做為高溫級(jí)的配打方式，狀態(tài)點(diǎn)及變量定義如圖2配打機(jī)組壓焓圖所示。兩壓縮過(guò)程同樣是借助壓縮機(jī)廠家選型軟件和Coolpack 壓焓圖對(duì)比計(jì)算，確保兩級(jí)壓縮過(guò)程壓縮機(jī)各自等熵效率取值準(zhǔn)確性，以此確定各自排氣溫度；分別取蒸發(fā)器和經(jīng)濟(jì)器有效過(guò)熱度5 ℃，經(jīng)濟(jì)器節(jié)流閥采用熱力膨脹閥，并假設(shè)經(jīng)濟(jì)器蒸發(fā)側(cè)出口溫度與進(jìn)蒸發(fā)器主流體過(guò)冷液出口溫度差約4 ℃，換熱公式：

圖2 配打機(jī)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(jié)果部分曲線：見(jiàn)圖3～6。

圖3 三套壓縮機(jī)不同運(yùn)行方式下制冷量對(duì)比

圖4 三套壓縮機(jī)不同運(yùn)行方式下壓力、壓比對(duì)比

圖5 三套壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)行兩種方式下蒸發(fā)器工質(zhì)循環(huán)流量對(duì)比

圖6 三套壓縮機(jī)不同運(yùn)行方式下排氣溫℃對(duì)比

1.4 模擬結(jié)果分析

1）在箱溫a（本計(jì)算條件下a約等于10）℃以上，只需要開(kāi)啟一臺(tái)，冷量足夠，結(jié)合卸載，高艙溫下亦可卸載運(yùn)行；

2）在箱溫b（本計(jì)算條件下b約等于0）℃以上，只需要啟動(dòng)三臺(tái)并聯(lián)機(jī)組中的兩臺(tái)運(yùn)行，冷量達(dá)40 kW以上；即使在c（本計(jì)算條件下c約等于-10）℃艙溫下，制冷量仍達(dá)30 kW以上；

3）c ℃艙溫時(shí)若需繼續(xù)降溫，可以啟動(dòng)三臺(tái)壓縮機(jī)常規(guī)并聯(lián)方式運(yùn)行，此時(shí)冷量近40 kW；三壓縮機(jī)并聯(lián)方式可以一直工作到d（本計(jì)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(jì)算條件下e約等于-5）℃左右以下溫區(qū)，才可開(kāi)啟三臺(tái)并聯(lián)壓縮機(jī)，否則制冷量過(guò)大；在箱溫f（本計(jì)算條件下f約等于-15）℃左右以下溫區(qū)，才可開(kāi)啟三臺(tái)配打壓縮機(jī)，否則配打機(jī)組單級(jí)壓比過(guò)小會(huì)帶來(lái)壓縮機(jī)運(yùn)行不正常。

5）從制冷量圖和排氣溫度圖可見(jiàn)，三臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行與只有其中兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行制冷量對(duì)比，兩者相差不大，遠(yuǎn)不及三臺(tái)機(jī)組配打運(yùn)行帶來(lái)的效果明顯。在同樣的兩側(cè)二次換熱介質(zhì)進(jìn)口溫度、流量下，配打機(jī)組在低溫下運(yùn)行帶來(lái)相比于同樣三臺(tái)機(jī)組并聯(lián)仍單級(jí)工作的制冷量的明顯改善、排氣溫度的明顯降低。配打機(jī)組制冷能力的提高主要不是因?yàn)檎舭l(fā)溫度的提高、冷凝溫度的降低，而是雙級(jí)壓縮帶來(lái)單級(jí)壓比的顯著降低、蒸發(fā)器循環(huán)流量的顯著增加以及經(jīng)濟(jì)器運(yùn)行帶來(lái)冷凝器側(cè)出口工質(zhì)更大的過(guò)冷度。

6）需要注意壓縮機(jī)極限工作范圍，由于兩器換熱能力的影響，考慮配打機(jī)組工質(zhì)循環(huán)流量、冷能力的增大，為發(fā)揮配打機(jī)組的作用，對(duì)于最低-40℃艙溫，大冷量需求時(shí)需要提升蒸發(fā)器循環(huán)風(fēng)量（或者有意識(shí)按保證最低蒸發(fā)溫度來(lái)設(shè)計(jì)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)和面積），以防蒸發(fā)溫度低于-45 ℃過(guò)多帶來(lái)壓縮機(jī)損壞。

7）采用本文配打機(jī)組原理，通過(guò)采用比R507更低沸點(diǎn)工質(zhì)方式、或使用R404A（雖然低溫時(shí)其飽和溫度對(duì)應(yīng)飽和壓力還要低于R507，但其相對(duì)R507多示出了最低到-59 ℃的物性數(shù)據(jù)），可以將本原理機(jī)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

模擬假設(shè)的一些條件在實(shí)際運(yùn)行中并不能維持，比如通過(guò)兩換熱器的風(fēng)量會(huì)隨溫濕度變化而變化，尤其是蒸發(fā)器溫度變化帶來(lái)風(fēng)量的變化還比較明顯，因此機(jī)組連續(xù)工作時(shí)的實(shí)際性能會(huì)與模擬計(jì)算不同。采用本文原理圖制冷機(jī)組提供環(huán)控制冷服務(wù)的防爆試驗(yàn)艙室實(shí)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(jī)組主機(jī)系統(tǒng)、風(fēng)冷冷凝器及風(fēng)機(jī)部分電控柜、電熱功率調(diào)整模塊，艙內(nèi)一側(cè)是室內(nèi)換熱模塊，包括蒸發(fā)器、電加熱器，風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)外置，由磁耦合結(jié)構(gòu)相互連接（本艙需進(jìn)行負(fù)壓試驗(yàn)，避免電機(jī)受艙內(nèi)高低溫、負(fù)壓影響），艙內(nèi)空氣循環(huán)為下側(cè)回風(fēng)、頂部均布孔板送風(fēng)以保證艙內(nèi)溫濕度均勻性。

圖7 防爆試驗(yàn)艙室結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)做降溫和升溫實(shí)驗(yàn)，在降溫程序中設(shè)置隨不同艙溫（蒸發(fā)換熱器回風(fēng)溫度）變化，機(jī)組自動(dòng)調(diào)整開(kāi)啟臺(tái)數(shù)以及切換到配打狀態(tài)。

艙內(nèi)由常溫降至-40 ℃，降溫時(shí)間要求小于5h，降溫速率均勻性沒(méi)要求，溫度到達(dá)設(shè)定值并穩(wěn)定一定時(shí)間后停機(jī)做防爆性能試驗(yàn)。因本艙既有高溫（80 ℃）指標(biāo)，又有低溫（-40 ℃）指標(biāo)，采用電加熱器調(diào)功方式大致控制降溫速率，圖8曲線為調(diào)試初期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖中可見(jiàn)，通過(guò)在約-20 ℃艙溫下切換成三壓縮機(jī)配打的制冷方式，很好保證了艙內(nèi)低溫段的降溫速率，實(shí)驗(yàn)基本驗(yàn)證了本文原理及計(jì)算的正確性。

圖8 艙內(nèi)實(shí)際降溫曲線圖

3 結(jié)論

配打制冷方式在冷庫(kù)行業(yè)時(shí)有使用，本文通過(guò)合理設(shè)計(jì)、分析，認(rèn)為將其推廣使用于-40℃左右溫區(qū)高低溫試驗(yàn)裝置制冷精控溫領(lǐng)域具備多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，不僅有利于實(shí)現(xiàn)制冷全降溫段冷量輸出的負(fù)荷調(diào)節(jié)的節(jié)能運(yùn)行效果，尤其是能夠?qū)崿F(xiàn)降溫速率的均衡性，提升制冷機(jī)組在低艙溫下的制冷效率，值得在環(huán)境試驗(yàn)箱、冷庫(kù)等行業(yè)推廣使用。