高低温试验箱制冷系统最佳制冷剂充注量研究

李佳，张华

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

高低温试验箱制冷系统最佳制冷剂充注量研究

李佳*，张华

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

高低温试验箱适用于工业产品高、低温的可靠性试验。本文以一高低温试验箱为对象，在完成制冷系统设计，包括制冷剂选择、制冷系统部件选型等工作的基础上，对高低温试验箱进行制冷剂充注量实验，得到试验箱在最佳运行状态下的最佳充注量。

高低温试验箱；复叠制冷；制冷剂充注量

0　引言

环境试验是验证产品设计及质量的主要手段［1］。环境试验设备运用人工手段，模拟出产品实际所处的环境，测试其性能指标，及时发现产品的缺陷，可使人们对产品进行有针对性的改进。研制新产品时，无需将产品放置于难以达到的实际环境中实验，节约时间、成本、劳力和物力。环境试验设备已成为现代高技术产品研发和验收时必不可少的设备。在众多的环境影响因素中，温度影响始终是所占比例最大的一类。在各类环境试验装置中，高低温试验箱是占据比例最大的一种［2］。高低温试验箱既能提供高温环境，又可提供低温环境，有的还可以做湿度实验，其目的是测试产品在高/低温下的可靠性。受试产品经过高低温试验箱的加热、冷却过程，其产品的性能变化就显现出来，及时发现缺陷及时加以修正，以提高产品的质量。随着科学技术的发展，制冷技术的应用越来越广泛，颇为重要的应用之一就是环境试验设备［3］。从近几年发表的论文来看，对于试验箱的研究主要集中在隔热层传热特性、制冷系统方式选择与设计、制冷量调节、系统控制等方面，而在制冷剂充注量方面的研究十分有限。

1　高低温试验箱制冷循环及制冷剂的确定

制冷系统是高低温试验箱中关键部分，其性能直接影响试验箱整体质量的高低。通过对比确定制冷循环为经典复叠式制冷循环，并对制冷剂的选择情况介绍如下。

1.1高低温试验箱制冷系统选择

经典复叠式制冷系统是由两个分别独立的高、低温级系统衔接而成，高温级和低温级循环各自选取两种合适的制冷剂，使压缩机处于合适的压力下工作，整个循环能在合适的压比、蒸发温度以及冷凝温度下运行。相关文献表明，在较低温度下，两级压缩制冷循环的理论输气量约为复叠式制冷系统的（2～8）倍，其输气系数则比复叠式制冷系统小很多，在-70 ℃时，两级压缩制冷循环的输气系数下降迅速［4］。复叠式制冷系统能经济地达到-40 ℃～-120 ℃低温，所以被广泛地应用于工业制造、航天航空、化工等行业。本高低温试验箱的温度范围为-70 ℃～150 ℃。根据以上原因，所以本高低温试验箱选用复叠式制冷循环。

1.2制冷剂的选定

目前，国内许多生产复叠式制冷机组的制造商大多采用的是R22/R13制冷剂组，R22是氢氯氟烃类制冷剂，而R13是氯氟烃类制冷剂，按照《关于破坏臭氧层物质的蒙特利尔议定书》的规定，R22将过渡使用、最后会被淘汰，R13已被发达国家禁用［5-6］。

本课题的高低温试验箱选用R404A为复叠式制冷系统的高温级制冷剂。R404A标准沸点为-46.6℃，将R125（标准沸点为-49℃）、R143a（标准沸点为-47.2℃）以及R134a（标准沸点为-26.1℃）按照质量分数44︰52︰4配比混合组成，热物理性质与R22 相近，但R404A无毒且不破坏臭氧层。文献表明在相同工况且使用相同压缩机的情况下，R404A制冷机组的制冷量比R22高约4%～10%。当环境温度较高时，R22机组效率比R404A的略高；当环境温度较低时，R404A效率则较高。运用在螺杆式机组中，R404A的制冷量大于R22，但其耗功增加了，综合起来COP略有下降。运用在涡旋式机组中，R404A制冷机组的COP值、制冷量受蒸发温度及环境温度影响比R22大；随着蒸发温度和环境温度降低，R404A的制冷量和COP显著提高；而R404A的系统充注量比R22大［7-9］。

本文选用R23作为高低温试验箱复叠式制冷系统的低温级制冷剂。R13、R23以及二者的混合物R503常被选作复叠式制冷系统的低温级制冷剂。但是由于R13为CFCs类制冷剂，已从1996年1月1日全面禁止使用，属于被淘汰和禁用的制冷剂。而R23属于HFCs类环保型制冷剂，不破坏臭氧层，可长期使用，被当前世界绝大多数国家认可并推荐，成为替代R13和R503的普遍选择。作为被广泛使用的超低温制冷剂R23，其低温时具有良好的热力学性能以及能和润滑油良好互溶再加上无毒、不可燃的优点，被广泛应用于新冷冻设备，如环境试验箱、生化试验箱、超低温冰箱等设备复叠式制冷系统的低温级。

2　高低温试验箱制冷系统设计

2.1高低温试验箱运行原理

本高低温试验箱的温度范围为-70 ℃～150 ℃，利用双级复叠式制冷系统来获取-70 ℃低温。

一年中室内环境温度平均在5 ℃～35 ℃间，当试验箱中设定的温度明显高于室温时，无需启动制冷循环，仅依靠电加热器和试验箱自身的散热就可以使温度平衡，达到设定值［10］。

当试验箱需要制取低于环境温度的低温时，需要开启冷源。为了节能，当设定的低温仅依靠高温级制冷循环就能达到时，只启动高温级循环；而当仅依靠高温级制冷循环无法达到设定低温时，则启动双级复叠式制冷循环。根据高温级循环制冷剂R404A的性质并且要保证高温级制冷循环时有一定富余的制冷能力来应对环境温度变化，故以-15℃作为双级复叠式制冷循环和高温级制冷循环的切换温度。

所以，试验箱制冷系统的运行模式为：当箱内温度设定高于室温时，复叠式制冷机组不启动，只靠电加热和试验箱散热来维持设定温度；当设定温度为-15℃到室温时，只启动高温级系统，以节约能耗；而当设定温度为-70 ℃～-16 ℃时，则启动双级复叠式制冷系统。

图1为高温级制冷系统流程图。当设定温度为-15 ℃～39 ℃时，高温级制冷系统运行流程为图1右侧部分，电磁阀四、六、七关闭，电磁阀一、二打开。制冷剂R404A从高温级压缩机1排出，流经冷凝器3、干燥过滤器8、压力控制器7，经过电磁阀一经电子膨胀阀6节流进入蒸发器5，再经电磁阀二后，流入高温级压缩机1，完成一个循环。

此循环中还有一路由电磁阀三和毛细管11组成的旁通回路，其作用如下：

1）若蒸发器内制冷量过大，则高温级制冷剂从冷凝器出来后，一部分经上述流程流回压缩机，另一部分经电磁阀三、毛细管11，与从蒸发器出来的高温级制冷剂合并后一起进入压缩机吸气口，这样可减少蒸发器中的冷量；

2）当压缩机吸气温度过高时，电磁阀三打开，降低压缩机吸气温度，从而降低排气温度。

图1　高温级系统流程图

当箱内设定温度为-16～70℃时，采用双级复叠式制冷系统流程，见图2。高温级运行流程用图中右侧箭头表示，电磁阀一、三关闭，电磁阀四打开。高温级制冷剂经高温级压缩机1排出，流经冷凝器3、干燥过滤器8、压力控制器7，经电磁阀四、毛细管11节流，进入冷凝蒸发器4蒸发后，经单向阀15后流入高温级压缩机1，完成一个循环流程。

图2　高低温试验箱复叠式制冷系统原理图

低温级运行流程用图中的左侧箭头表示，电磁阀七打开。低温级制冷剂经低温级压缩机2排出，经过油分离器14后进入预冷器3，减少冷凝蒸发器中的冷凝热负荷。而后流经压力控制器7，进入冷凝蒸发器4冷凝后，再经过干燥过滤器8，经电磁阀七、毛细管11节流后进入蒸发器5，最后流入低温级压缩机2，完成一个循环流程。

低温级循环中还有一路由电磁阀六和毛细管组成的旁通回路，其作用如下：

1）当复叠式制冷循环的蒸发器制冷量过大时，打开电磁阀六，从冷凝蒸发器4出来的制冷剂一部分按上述流程流回压缩机，另一部分经过干燥过滤器8后流经电磁阀六、毛细管11后与流出蒸发器的低温级制冷剂混合后流入低温级压缩机，这样可降低蒸发器中低温级的制冷量；

2）打开电磁阀六的另一个作用是防止低温级压缩机吸气温度过高。

本系统有两个单级压缩系统，R404A作为高温级的循环制冷剂，R23作为低温级的循环制冷剂。高温级冷凝温度定为45℃，本高低温试验箱的正常情况下最低温度为-70℃，但最恶劣情况下可达-75℃，若取传热温差5K，则系统低温级蒸发温度为-80℃。

在低温系统停机时，由于R23处于超临界状态，有压力过高的危险。为保证系统的安全运行，在低温级中，利用毛细管、卸荷阀连接一个膨胀容器，可避免超压状态。当启动时低温级压缩机排气压力超过设定安全值，则自动打开卸荷阀，使一部分排气流入膨胀容器，避免低温级出现超压危险，保证安全启动。当低温级正常运行后，膨胀容器内的R23制冷剂又通过毛细管压差作用流回系统中，使循环顺利进行。

电磁阀有两个功能：1）通过打开和关闭电磁阀，控制系统；2）防止系统停止运行后，高压的液体制冷剂进入蒸发器，否则当系统重新启动时，将有大量制冷剂液体进入压缩机，从而发生液击事故。

复叠式制冷机组低温级蒸发温度较低，较大的压差使压缩机排气温度过高，冷凝温度过高，会使制冷量和COP降低，而且可能会对系统带来安全隐患。因此为低温级压缩机的排气增加了一个预冷器，使排气温度快速降低后，再进入冷凝蒸发器器冷凝，保证系统安全，增强冷凝效果，提高制冷能力。

2.2高低温试验箱热力计算及制冷系统部件选型简要介绍

高低温试验箱总冷负荷Q=965.62×1.2≈1.2 kW。

高温级压缩机选用泰康TFH2511Z型全封闭活塞压缩机；由于各大厂家没有专门针对R23的压缩机，所以低温级压缩机也选用泰康TFH2511Z型全封闭活塞压缩机。

根据制冷循环流程，高低温试验箱的蒸发器有2种制冷剂分别蒸发制冷循环回路，并放在箱体室内的后壁面，采用翅片铜管式的蒸发器。紫铜管尺寸为管径9.52 mm、壁厚0.7 mm，翅片厚度δf为0.2 mm，翅片间距Sf为4 mm，管间距S1为25 mm。

根据制冷系统流程，高低温试验箱的冷凝器有2种制冷剂分别冷凝或者冷却循环回路，复叠系统高温级部分的冷凝器采用强制通风空冷式冷凝器，初步设计冷凝器的结构参数，选择尺寸为管径9.52 mm、壁厚0.7 mm的紫铜管，正三角形叉排列，管间距S1为25 mm，翅片厚δf为0.2 mm，片距Sf为2 mm，铝片热导率λ为204 W/（m·K）。冷凝温度为45℃，冷凝负荷根据之前的热力计算，考虑到恶劣情况下的环境，取4.5 kW。

冷凝蒸发器选用某公司定制的板式换热器。

3　高低温试验箱制冷剂充注试验及其结果

高低温试验箱的高、低温级制冷剂充注实验分别进行。首先在不改变低温级制冷剂量的情况下，改变高温级制冷剂充注量，以满足高低温试验箱在较优的状态下运行并得到高温级制冷剂最优充注量。然后再进行低温级的实验，将高温级制冷剂充注量控制不变，改变低温级制冷剂充注量来使试验箱有较好的运行状态并得到低温级制冷剂最优充注量［11］。

3.1高低温试验箱高温级制冷剂充注实验

通过理论研究、参考同类高低温试验箱制冷剂充注量给定范围，以及考虑本论文中试验箱的具体情况，本实验中高温级制冷剂充注量分别选取700 g、750 g以及800 g。在这三种不同制冷剂充注量条件下，综合高低温试验箱整体的降温速率和运行状态，选取一最优充注量。本测试大部分参考GB/T 10592-2008来对测试结果进行评定，将高低温试验箱升温至150 ℃并稳定2小时再降至-70 ℃，来检测其降温速率。

从图3可以看出，充注量为700 g时，高低温试验箱的降温速率明显要低于750 g和800 g充注量的降温速率。充注量为700g时，试验箱内温度从150℃降至-70℃所用降温时间约为103分钟，而750 g和800 g充注量所用的降温时间几乎相同，分别为95分钟和93分钟，由此可见700 g充注量时试验箱降温慢，750 g和800 g充注量时试验箱降温快。而且图3中可以看出在750 g和800 g充注量的降温曲线中有一凹凸点，该点为单独高温级循环模式切换成复叠循环模式，而700 g充注量的降温曲线则没有，这是由于750 g和800 g充注量较合适，试验箱在降温过程中先单独开启高温级循环模式，待箱内温度到达切换温度条件时，其切换成复叠循环模式；由于700 g充注量较少，高低温试验箱从降温一开始，就直接启动复叠循环模式，这样会造成不必要的多耗能。

图3　高温级制冷剂不同充注量的降温速率对比图

由图4可以看出，当最终趋于稳定时，700 g充注量的排气压力最高约为1.32 MPa，750 g充注量的排气压力次之约为1.31 MPa，800 g充注量的排气压力最低约为1.30 MPa，这三者的排气压力基本相近，而这三者的吸气压力也相近，均在0.15 MPa左右。

图4　高温级制冷剂不同充注量的压缩机吸排气压力对比图

从图5可以看出当最终系统趋于稳定时，三种充注量下的吸排气温度也趋于稳定，700 g制冷剂充注量的吸排气温度最终分别约为-6.0 ℃和76.7 ℃，750 g制冷剂充注量的吸排气温度最终分别约为6.1 ℃和80.2 ℃，800 g制冷剂充注量的吸排气温度最终分别约为8.4 ℃和80.4 ℃。图中三种充注量下，吸气温度在后期都有一个下降并趋于稳定的过程，其中700 g制冷剂充注量的效果尤为明显，这是因为此时箱内温度在55 ℃左右，电磁阀SV1-6 的关闭对系统有一定的影响。由实验数据可以知道700 g制冷剂充注量过低，导致压缩机吸气温度过低，因此制冷剂充注量为750 g和800 g较合适，但是在实验过程中发现当高温级充注800 g制冷剂时，高温级压缩机在运行很长一段时间后，其表面会略有结霜，会对压缩机性能造成损害，所以综上分析，高温级制冷剂充注量最后确定为750 g。

图5　高温级制冷剂不同充注量的压缩机吸排气温度对比图

3.2高低温试验箱低温级制冷剂充注实验［12］

通过理论研究、参考同类高低温试验箱制冷剂充注量给定范围以及考虑本论文中试验箱的具体情况，本实验中低温级制冷剂充注量分别选取350 g、400 g以及450 g。在这三种不同制冷剂充注量条件下，综合高低温试验箱整体的降温速率和运行状态，选取一最优充注量。测试部分继续按照前面所描述的进行，有所区别的是因为此时已经确定高温级制冷剂的充注量为750 g，为了着重看清低温级制冷剂充注量不同对试验箱整体性能的影响，主要关注复叠开启后整个箱体的降温速率和运行状态，所以选取从箱内从0 ℃开始降温至-70 ℃这一过程。

从图6可以看出低温级制冷剂充注量为400 g时其降温速率明显快于制冷剂充注量为350 g和450 g的。充注量为400g时，试验箱内温度从0 ℃降至-70 ℃所用降温时间约为41分钟，而350 g和450 g充注量所用的降温时间分别为54分钟和52分钟，由此可见低温级制冷剂充注量的多少对试验箱整体的降温速率影响很大。

图6　低温级制冷剂不同充注量的降温速率对比图

从图7低温级制冷剂不同充注量的吸排气压力对比图中可以看出，制冷剂不同充注量对排气压力影响很大，对吸气压力影响很小。由图可以得出当系统趋于稳定时，低温级制冷剂充注量为450 g的排气压力高达1.46 MPa，而制冷剂充注量为400 g的排气压力为1.03 MPa，制冷剂充注量为350 g的排气压力为0.88 MPa。而制冷剂充注量450 g、400 g和350 g的吸气压力分别约为0.13 MPa、0.10 MPa和0.09 MPa，由此可见发现，制冷剂充注量的不同对压缩机排气压力影响较大。

图7　低温级制冷剂不同充注量的压缩机吸排气压力对比图

从图8可以看出，当最终系统趋于稳定时，三种充注量下的吸排气温度也趋于稳定，350 g制冷剂充注量的吸排气温度最终分别约为-47.0 ℃和95.0 ℃，400 g制冷剂充注量的吸排气温度最终分别约为-53.0 ℃和99.3 ℃，450 g制冷剂充注量的吸排气温度最终分别约为-75.3℃和100.3℃。

图8　低温级制冷剂不同充注量的压缩机吸排气温度对比图

综合上述实验结果来看，450 g制冷剂充注量的排气压力过高，吸气温度过低，长期运行会对压缩机造成损害，而且在实验过程中发现当充注量为450g时，压缩机外壳严重结霜，这会对压缩机性能有不利影响。350 g和400 g制冷剂充注量的压缩机吸排气温度和压力都相近，但是由图7可以看出，400 g制冷剂充注量的降温速率要明显快于350 g，所以低温级制冷剂充注量最终确定为400 g。

所以根据上述两次实验确定，高低温试验箱高温级制冷剂R404A充注量确定为750 g，低温级制冷剂R23充注量确定为400 g。

4　总结

制冷剂的充注量对高低温试验箱的性能及运行状态有重大影响。本文对设计的一台高低温试验箱进行了制冷剂充注量实验。高低温试验箱高温级和低温级制冷剂充注实验分开进行。首先在不改变低温级制冷剂量的情况下，改变高温级制冷剂充注量，以满足高低温试验箱在较优的状态下运行并得到高温级制冷剂最优充注量。然后再进行低温级的实验，将高温级制冷剂充注量控制不变，改变低温级制冷剂充注量来使试验箱有较好的运行状态并得到低温级制冷剂最优充注量。最终确定高低温试验箱复叠系统高温级制冷剂充注量为750 g，低温级制冷剂充注量为400 g。

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Research on Best Refrigerant Charges in Refrigeration System of High and Low Temperature Test Chamber

LI Jia*， ZHANG Hua
（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

High and low temperature test chamber is suitable for the reliability test at high and low temperatures for industrial products. The research object is a high and low temperature test chamber. After completing the design of the refrigeration system， including the choose of refrigerant and the selection of the system components， the refrigerant charge experiments were processed and the optimal refrigerant charge for the chamber at the best operation state was obtained.

High and low temperature test chamber； Cascade refrigeration； Refrigerant charge

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.103

*李佳（1993-），女，硕士。研究方向：制冷与低温。联系地址：上海市杨浦区军工路516号上海理工大学北校区8宿舍413，邮编：200093。联系电话：15921356886。Email：820844099@qq.com。