【技术篇】关于高低温湿热试验箱你知道多少？

2023/3/17 10:11:00

摘要：R404A和R23为制冷剂的复叠制冷机组，不但满足了制取-80℃的低温要求，还具有环保的优点。通常我们的高低温箱采用的是复叠式制冷系统，那么我们下面对复叠机组设计中涉及到的几个关键问题及其解决方法进行分析和阐述：

一、组成：

复叠式制冷机组通常由两个部分(也可由三个部分) 组成 ,分别称为高温部分及低温部分。高温部分使用中温制冷剂 ,低温部分使用低温制冷剂 ,而每一部分都是一个完整的单级或双级压缩制冷系统。高温部分系统中制冷剂的蒸发是用来使低温部分系统中制冷剂冷凝 ,而只有低温部分系统的制冷剂在蒸发时才制取冷量。高温部分和低温部分用一个冷凝蒸发器联系起来 ,它既是高温部分的蒸发器 ,又是低温部分的冷凝器。

低温部分 :A. 压缩机 ;D. 冷凝器 ; G. 节流阀 ; E. 蒸发器

二、机组主要性能指标

R404A 高温部分：蒸发温度 te = - 38 ℃，蒸发压力 Pe = 1. 454 bar ,采用回热器 ,吸气过热度为15 ℃;冷凝温度 tc = 40 ℃,冷凝压力 Pc = 18. 157 bar ,过冷度 5 ℃;压缩机消耗功率 Ng = 11. 47 kW。

R23 低温部分 :蒸发温度 te = - 85 ℃,蒸发压力Pe = 0. 851 bar ,吸气过热度为 30 ℃;压缩机排气被水冷换热器冷却降温至 40 ℃, 中间温度 tm = - 33 ℃,对应压力 Pm = 9. 138 bar ;制冷量 Q0 = 10 kW ; 冷凝蒸发器热负荷 Qc = 13 kW ;电机消耗功率 N d = 6. 27 kW 。

总功率 (kW) : N = N d + N g = 17. 74KW

性能系数 : CO P = Q0/ N = 0. 56。

2.1 相关热力计算

复叠式制冷循环的热力计算可分别对高温部分及低温部分单独进行计算。计算中令高温部分的制冷量等于低温部分的冷凝热负荷加上冷损。计算方法与单级或两级压缩制冷循环的热力计算相同。

2.2中间温度的确定：

复叠式制冷循环中中间温度的确定应根据制冷系数或各个压缩机压力比大致相等的原则。前者对能量利用经济 ,后者对压缩机气缸工作容积的利用率较高 (即输气系数较大) 。由于中间温度在一定范围内变动时对制冷系数影响并不大 ,故按各级压力比大致相等的原则来确定中间温度似乎更为合理。

我们以可以根据迈勒普拉萨特公式 ,理论计算下低温复叠机组的中间温度 (低温段冷凝温度) ：

式中：

Δ T 为冷凝蒸发器传热温差 ( K) ;

Te 为蒸发温度( K) 。

- 33 ℃。

2.3传热温差的确定

冷凝蒸发器传热温差的大小不仅影响到传热面积和冷量损耗，而且也影响到整个制冷机的容量和经济性，一般Δt = 5～10 ℃，温差选得大，冷凝蒸发器的面积可小些，但却使压力比增加，循环经济性降低。

<p helvetica="" neue",="" "pingfang="" sc",="" "hiragino="" sans="" gb",="" "microsoft="" yahei="" ui",="" yahei",="" arial,="" sans-serif;="" background-color:="" rgb(255,="" 255,="" 255);="" box-sizing:="" border-box="" !important;="" overflow-wrap:="" break-word="" !important;"="" style="margin-top: 0px; margin-bottom: 0em; padding: 0px; font-family: "PingFang SC", Helvetica, "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif; color: rgb(34, 34, 34); font-size: 17px; white-space: normal; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; letter-spacing: 0.544px; text-align: justify;">系统中高温段采用热气旁通到膨胀阀与蒸发器之间的调节阀 ,旁通的热气通过一个气液混合器混合后进入蒸发器 ,相当于热气为蒸发器提供了一个“虚负荷",达到减载的目的 ,同时尽管实际负荷较低 ,热力膨胀阀仍能控制向蒸发器的供液量充足 ,以保证蒸发器中有足够的制冷剂流速 ,不会出现回油困难。

低温段由于调节阀体材料使用温度的限制 ,采用了热气旁通到吸气管的能量调节阀来改变压缩机的有效排气量的方法 ,采用这种能量调节阀 ,会导致吸气过热 ,需要对压缩机采用喷液冷却系统。

四、膨胀容器

复叠机组停止运转时 ,由于系统内的温度升高到了环境温度 ,低温制冷剂全部气化成过热蒸汽 ,并且将高于规定的工作压力 ,这种情况是不允许的。因此要在系统中接入一个膨胀容器 ,以便在停机后大部分的制冷剂蒸汽进入膨胀容器中 ,膨胀容器可以接到吸气管上 ,也可以接到排气管上 ,接到吸气管上时 ,膨胀容器所需要的容积较小 ,因而比较合理

V d 为不计膨胀容器容积时 ,低温部分的制冷系统总容积 (m3) ;

vd 为设计温度、吸气压力下低温系统制冷剂过热气体比容(m3/ kg) ;

本设计取设计温度 38 ℃,设计压力 1. 5 MPa。

五、总结：

在当前和今后的制冷系统设计中 ,要尽可能考虑到环保问题 ,尽量选用环保的制冷剂 ,即使牺牲部分性能也是值得的。复叠机组因其蒸发温度很低 ,设计中要全面考虑到回油问题、冷量调节问题、膨胀容器的设计、制造材料的选用等一系列问题。笔者就 R404A/ R23 复叠机组设计中的一些问题的处理做了粗浅的分析和说明 ,不当之处请各位指正。

六、实际：

我们上课程，得到的负荷求和，我们再乘以一个余量1.2；得到的结果如下：

我们用以上的结果，来设计一套-70℃的高低温箱的制冷系统：

选择高温级的设计参数：

Excel自动计算出结果：

以上为本套高低温箱热力计算的数据。

高低温试验箱制冷循环均采用逆卡若循环，该循环由两个等温过程和两个绝热过程组成，其过程如下：制冷剂经压缩机绝热压缩到较高的压力，消耗了功使排气温度升高，之后制冷剂经冷凝器等温地和四周介质进行热交换将热量传给四周介质。后制冷剂经截流阀绝热膨胀做功，这时制冷剂温度降低。未尾制冷剂通过蒸发器等温地从温度较高的物体吸热，使被冷却物体温度降低。此循环周而复始从而达到降温之目的;

为了保证试验箱对降温速率和MIN温度的要求，高低温试验箱的制冷系统采用进口压缩机所组成的复叠式制冷系统，该制冷系统具有匹配合理、可靠性高、使用维护方便等优点;

制冷方式

高低温试验箱低温室自动除霜，经过电磁阀自动转换将压缩机排气端高温高压气体引入制冷蒸发器，使得蒸发器表面温度升高，凝结水排出室外;

高低温试验箱制冷系统的设计应用能量调节技术，一种行之有效的处理方式既能保证在制冷机组正常运行的情况下又能对制冷系统的能耗及制冷量进行有效的调节，使制冷系统的运行费用下降到较为经济的状态

高低温湿热试验箱低温控制方式：制冷循环均采用逆向卡诺循环，该循环由两个等温过程和两个绝热过程组成，其过程如下：制冷工质从冷库定压气化吸热后（此时工质通常为干饱和蒸气或接近干饱和蒸气），再进入压缩机在绝热状态下压缩，温度超过环境温度，然后进入冷凝器向环境介质等压散热；在冷凝器内，过热的制冷剂蒸气先等压降温到对应于当前压力的饱和温度，然后继续等压（同时也是等温）冷凝成饱和液状态，进入节流阀，在节流阀处绝热节流降温、降压至对应于循环起始压力的湿饱和蒸气状态，再进入冷库气化吸热，完成循环，和四周介质进行热交换将热量传给四周介质

适用于航空航天产品、信息电子仪器仪表、材料、电工、电子产品、各种电子元器件，在高温、低温或湿热环境下的各项性能指标的检验。