环境试验箱制冷系统的热气旁通设计研究

刘俊宏，覃家祥，刘俊辰

（1. 深圳市瑞蓝技术有限公司，深圳 518116；2. 中国电器科学研究院股份有限公司，工业产品环境适应性国家重点实验室，广州 510663；3. 中山大学材料科学与工程学院，低碳化学与过程节能广东省重点实验室，广州 510275）

引言

环境试验箱是用科技的手段模拟出不同的自然环境气候，对现代工业品进行测试，达到性能验证、加速老化、应力筛选的目的。随着各行各业对产品可靠性要求越来越苛刻，产品可靠性测试对环境试验箱的要求也越来越多样、严厉[1,2]。当今的环境试验箱必须要能满足越来越快的温度变化速率要求，越来越宽的极限高低温要求，越来越大的承载能力要求。环境试验箱的制冷系统必须要有能同时满足高温（150 ℃以上）到低温（-70 ℃到以下）区间的所有工况，且需快速响应试验设备0～100 %制冷量需求[3]。为避免制冷压缩机的频繁启停，尤其是较大制冷机组启动复杂，也为了保证试验设备性能的持续稳定性，制冷系统常常维持低载运行，甚至很多时候试验设备暂时制冷量需求为负值时也必须保证制冷系统的正常运行[4]。为保证压缩机的回油和电机冷却，制冷系统有最低回气压力运行的要求[5]，当试验设备需求的蒸发量不足以维持压缩机最低吸气压力时，额外的回气补充显得非常关键。

1 环境试验箱的制冷系统

环境试验箱的制冷系统多采用R404A和R23两种工质，其中R404A可单独使用设计成单级制冷系统，R23则必须搭配R404A系统一起组成复叠式制冷系统才可以正常工作。无论哪种形式的制冷系统都需要维持制冷系统在低制冷输出甚至零制冷输出时的运行，其中冷热旁通方式维持回气是最简单最常用的形式[6]。通过在制冷系统排气管连接一根热气管，在液管干燥过滤器后连接一根液管，通过合理的节流和流量控制，汇合后接入压缩机吸气管道。当试验设备需求的制冷量不足以维持压缩机运行最小吸气量时，冷热旁通共同工作或单独工作，保证压缩机的最低吸排气量要求运行。连接方式如图1，图2所示。

试验设备大制冷量需求时，主供液阀和次供液阀同时向蒸发器供液，保证压缩机能够发挥最大能力。部分制冷量需求时，通过对主供液阀和次供液阀的调节，来匹配试验设备对于不同制冷量的需求[7]。

图1 单机带冷热旁通制冷系统

图2 复叠带冷热旁通制冷系统

2 热旁通设计方法

冷热旁通回路是将热旁通当成冷旁通的模拟负载，在制冷系统仅开启冷热旁通回路时能维持压缩机的最低吸气压力[8]。不同的压缩机对最低运行压力不同的要求，根据这个要求去计算热气旁通的流量，有两种选择可以考虑。一是直接对制冷配件生产商提供的热气旁通阀进行选型；二是通过截取一定长度的毛细管来达到热气旁通的目的。冷气旁通的作用是维持压缩机合理的吸气温度，避免压缩机吸气过热，本质上是一个膨胀节流阀，同时为避免压缩机的湿压缩，冷气旁通的选择计算必须与热气旁通匹配。

热气旁通直接选择制冷配件商提供的热气旁通阀件时，根据制冷系统最低制冷量要求，按照配件商提供的选型软件或资料对应计算选型。需要注意的是不同的制冷工质，在不同的冷凝温度下有不同的修正因数。如丹佛斯系列热气旁通阀[9]（见表1）。

在考虑修正因数之后，选择热气旁通阀负荷值与压缩机制冷量对应的型号。

选型现有的品牌阀件相对简单方便，但受限于各厂商的型号设计，很多时候并不能很恰当的匹配制冷系统所需要的旁通负荷值，只能做近似设计，将制冷系统设计的卸载运行压力提高或降低来匹配既有的品牌型号的热气旁通阀，这有违设计的初衷，即使不影响系统的安全稳定性，对长期的经济性也不利,而且可靠的品牌阀件成本不菲。自制毛细管价格低廉，同时稳定可靠，能更简便、贴切的匹配制冷系统所需要的旁通负荷量。

表1 danfoss热气旁通阀修正因数Correction factors for condensing temperature t1

3 毛细管热气旁通的设计

毛细管是一种便宜、有效、没有磨损的节流机构，它在家用制冷装置中经常被用作液体节流器,对蒸发器供液。毛细管作为液管节流器的计算一直都没有可靠公式，大多根据经验值通过实验确定[5]。将其用在热气旁通管中，利用制冷工质在细长管中的流动阻力，对压缩机排气管中的高温高压过热工质进行降压节流成为高温低压气体，节流过程只涉及到单相流体，可以通过管道的阻力粗略计算得出毛细管管内径和长度[10，11]。

4 毛细管热气旁通的粗算过程

如图3所示，毛细管多采用夹扁大管焊接，毛细管进出两端实质上是一个突缩和突扩的局部阻碍。从流体力学的角度,毛细管的的节流能力就是对这个两个局部阻碍和毛细管沿程阻力的计算。

1）计算毛细管前后低压、高压热气旁通管的管内流速 υ1、υ3。

首先根据设计的最低运行压力，结合制冷剂的工质性质可以查出毛细管前后高压、低压热气旁通管道内的密度或比容，从而计算得出体积流量：

根据体积流量确认毛细管前后低压、高压热气旁通管的内管径：

管径一般根据管内流速来确定，考虑的一个依据是管内噪音，管内流速在3 000 FPM（15.24 m/s）以上会产生很大噪音[12]。管内流速不应超过15 m/s。毛细管后的低压管一般取略大于毛细管前的高压管。

图3 毛细管连接模型

以最大流速计算得出的管径D是最小要求的铜管内径。而商用铜管的尺寸已经标准化，为保证可靠性，环境试验箱制冷系统管路铜管在选择时均选用壁厚较厚的K形式铜管[12]。

2）初定毛细管的内径

不同毛细管的管内径和管长在相同应用工况下存在类比关系，内径和管长共同确定毛细管的节流能力。所以管长和内径需先假定一个初始内径值，再计算管长。当计算管长太长时（影响实际生产加工），再通过类比，或重选管内径较大的毛细管重新计算。热气旁通管毛细管一般假定内径值为高压热气旁通管D1的1/2左右，即1/4的截面积。

3）计算毛细管沿程阻力

毛细管的长度直接影响的是制冷剂的沿程阻力，要计算毛细管的长度，就需要先得到毛细管的沿程阻力值。而这个沿程阻力值可以粗略的看做整个热气旁通回路的压降除去毛细管进出口两个局部阻力ΔP1-2和ΔP2-3。

制冷剂过热气体在毛细管中流动时，比容不断发生改变，流速越来越快，加上管路的保温作用，在毛细管长度粗算时，将其单纯的看成一元气体在绝热管中流动能简化计算过程，也较贴近实际[11]。

根据气体一元气体连续性方程ρvA=C，C为常量。毛细管进出口的流速看做气体圆形断面在有限空间射流分析，为方便计算，将射流断面的平均流速、密度假定为随喷射距离均匀变化，由此可以计算得到制冷剂在流入、流出毛细管瞬间的流动状态参数υ2i，ρ2i；

毛细管前后突然缩小和突然扩大的两个局部阻力可分别采用计算公式[11]：

4）计算毛细管的长度

毛细管节流过程为绝热膨胀过程，根据一元气体绝热流动的基本公式（近似解）[11]：

公式中：

P1、P2—毛细管进出口压力，单位为Pa；

l—毛细管长度，单位m；

λ—摩擦阻力系数；

k—制冷剂气体绝热系数，常数k=1.33；

ρ1—制冷剂密度，kg/；

D—毛细管内径，单位m；

G—制冷剂质量流量，单位Kg/s；

A—毛细管截面积，单位m2。

当Re=4 000～107时采用在柯式公式基础上简化的莫迪公式：

当Re＞107时采用在柯氏公式上简化的阿里特苏里公式：

式中K为当量糙粒高度，对于铜管，根据莫迪当量粗糙图得出k=0.01 mm[11]。

由绝热管路一元气体流动方程可得毛细管长度：

通过计算得出的毛细管长度是一个较为粗略的值，要更精确的满足实际应用还需要进一步通过试验验证。同时根据不同的应用场合，也可以根据需要提高制冷系统设计的最低允许压力。

5 结束语

冷热旁通调节保持压缩机在低吸气压力下保持运行，不仅能有效的防止压缩机频繁起停，更利于环境试验箱温湿度性能的稳定性保持，尤其是有不同带载量需求的试验设备，冷热旁通的卸载运行显得更加有意义。而毛细管方式的热气旁通，简便可靠且成本低廉。通过不同长度和内径的毛细管热气旁通管选择，几乎可以满足所有制冷系统低吸气压力旁通吸气量的要求。合理的设计计算和实践验证显得非常有意义。