-40 ℃温区（高）低温试验装置制冷机组的研发

陈斌，胡醇，胡德霖，黄涛，梁立峰，罗峰

（苏州电器科学研究院股份有限公司，苏州 215104）

引言

-40 ℃左右温区基本属于中国国内特定地区使用装备试验的最低温[1]，是各类大、中、小型环境实验装置常用低温温区，由于制冷机组随内外环境温度变化带来其冷量变化的特点[2]，通常的-40 ℃温区机组普遍采用双级机组、或复叠机组制冷方式，以及数套定频单级机组并联方式实现以方便冷量大小调节，这些常规制冷方式主要问题是：对前两种制冷机组，温度很高时就采用双级或复叠方式，制冷效率低，换热器因为一直很低的蒸发温度而容易结霜，单级机组并联方式倒是比较有利于按温区高低逐步增台运行，但在处于低舱温时每台机组压比过大（可达10以上），制冷效率很低。一些文献为此进行了相关节能分析和改进研究[3-7]。为了克服这几种常规制冷方式的缺陷，本文特采用多台制冷机组并联及配打切换运行方式，不仅有利于节电运行，又能相应提高制冷效率。

1 研发理论分析

1.1 研发指标

所研制-40～80℃温度区间高低温试验装置主要指标：

1）高低温试验箱内部有效尺寸（mm）：长4 000×宽3 000×高2 700；

2）舱内温度控制范围：高温80 ℃～常温～-40 ℃；

3）升降温时间：按常温～-40 ℃降温时间：～5 h，-40 ℃～常温升温时间：～2 h；

4）制冷冷凝形式：风冷（V型布置方式）。

1.2 装置环控设备制冷原理

环控设备制冷原理如图1所示。

图1 中通过采用三台压缩机，在降温过程的高温段，各压缩机按并联方式工作，而在随着试验箱温降低到某一温度以下，通过分流三通开关阀和直通开关阀的组合动作，使得原本并联工作的压缩机重新组合为两台或两台以上的压缩机，仍为并联状态并成为双级机组的低温级，其它一台或数台并联压缩机切换成双级机组的高温级，使得整体制冷机组按双级机运行，以避免在大压比下单机机组运行时不安全运行、制冷量过低的各种弊端，同时使得在高箱温下按需开启并联机的单台或多台，避免机组运行时的高耗电和不合理的过大部件配置（包括冷凝组件、蒸发部件等多部件）。

图1 制冷系统原理图

本文中机组通过将整体低温系统由常规的单台压缩机系统设计成由3台（实际可按需拓展成2至5台）并联的方式，避免了单机组情况下高温工况时制冷量过大，配置庞大带来的机组体型大、造价大、配电大的弊端，又保证了机组的高效率；同时解决了整体系统在低温工况下常规设计系统的运行压比大、效率低，运行不安全的弊端，保证了机组的安全运行[8]。本发明尤其适合用于箱体内温度范围为从常温到-40 ℃左右、即可以通过双级或复叠制冷加以实现的场合。

基本控制逻辑：Te在约-7 ℃以上三台并联机组中运行时间最少的一台运行，在约-7 ℃到约-20 ℃运行时间相对少的二台运行，在约-20 ℃以下双级运行。

1.3 理论计算

计算对比：选择BITZER压缩机型号4NES-20Y，R507工质，遵循压缩机工作极限图，计算不同舱温下机组的能力，包括不同舱温（蒸发温度）下制冷量、压力、压差、排气温度对比。

模拟整个试验箱内（20～-40）℃温区范围制冷机组需要开启的时段。计算比较条件：

冷凝风量25 000 m3/h，蒸发风量14 000 m3/h，冷凝进风温度固定为35 ℃，蒸发进风相对湿度在各温区下皆按70 %。

单级单压缩机及2至3台并联系统的模拟借助压缩机厂家选型软件（采用版本：BITZER software 6.15）和Coolpack （采用版本：version 1.50）压焓图对比计算，确保各过程压缩机等熵效率取值准确性。同时针对固定不变的蒸发器、冷凝器，采用笔者参考相关文献[9-12]自编的制冷系统模拟计算软件，分别进行换热计算，以保证各过程对应的蒸发温度、冷凝温度、循环流量与各换热段工质流阻假设的相符性。

本文“配打机组”指的是三台压缩机在某较低舱温下通过阀门的切换形成双级机组，配打制冷方式在冷库行业时有使用[13-18]，按原理图1，因为低温级吸气比容远远大于高温级，故这里采用两台机组做为低温级，一台机组做为高温级的配打方式，状态点及变量定义如图2配打机组压焓图所示。两压缩过程同样是借助压缩机厂家选型软件和Coolpack 压焓图对比计算，确保两级压缩过程压缩机各自等熵效率取值准确性，以此确定各自排气温度；分别取蒸发器和经济器有效过热度5 ℃，经济器节流阀采用热力膨胀阀，并假设经济器蒸发侧出口温度与进蒸发器主流体过冷液出口温度差约4 ℃，换热公式：

图2 配打机组压焓图

（mr-m1r) ×（h21'-h41')=m1r×(h41'-h4)

中温混合冷却换热公式：

（mr-m1r) ×（h2"-h21')=m1r×(h2-h2")

模拟结果部分曲线：见图3～6。

图3 三套压缩机不同运行方式下制冷量对比

图4 三套压缩机不同运行方式下压力、压比对比

图5 三套压缩机同时运行两种方式下蒸发器工质循环流量对比

图6 三套压缩机不同运行方式下排气温℃对比

1.4 模拟结果分析

1）在箱温a（本计算条件下a约等于10）℃以上，只需要开启一台，冷量足够，结合卸载，高舱温下亦可卸载运行；

2）在箱温b（本计算条件下b约等于0）℃以上，只需要启动三台并联机组中的两台运行，冷量达40 kW以上；即使在c（本计算条件下c约等于-10）℃舱温下，制冷量仍达30 kW以上；

3）c ℃舱温时若需继续降温，可以启动三台压缩机常规并联方式运行，此时冷量近40 kW；三压缩机并联方式可以一直工作到d（本计算条件下d约等于-20）℃舱温以下区间，制冷量皆能维持在20 kW以上；

4）在箱温e（本计算条件下e约等于-5）℃左右以下温区，才可开启三台并联压缩机，否则制冷量过大；在箱温f（本计算条件下f约等于-15）℃左右以下温区，才可开启三台配打压缩机，否则配打机组单级压比过小会带来压缩机运行不正常。

5）从制冷量图和排气温度图可见，三台压缩机并联运行与只有其中两台并联运行制冷量对比，两者相差不大，远不及三台机组配打运行带来的效果明显。在同样的两侧二次换热介质进口温度、流量下，配打机组在低温下运行带来相比于同样三台机组并联仍单级工作的制冷量的明显改善、排气温度的明显降低。配打机组制冷能力的提高主要不是因为蒸发温度的提高、冷凝温度的降低，而是双级压缩带来单级压比的显著降低、蒸发器循环流量的显著增加以及经济器运行带来冷凝器侧出口工质更大的过冷度。

6）需要注意压缩机极限工作范围，由于两器换热能力的影响，考虑配打机组工质循环流量、冷能力的增大，为发挥配打机组的作用，对于最低-40℃舱温，大冷量需求时需要提升蒸发器循环风量（或者有意识按保证最低蒸发温度来设计蒸发器结构和面积），以防蒸发温度低于-45 ℃过多带来压缩机损坏。

7）采用本文配打机组原理，通过采用比R507更低沸点工质方式、或使用R404A（虽然低温时其饱和温度对应饱和压力还要低于R507，但其相对R507多示出了最低到-59 ℃的物性数据），可以将本原理机组使用最低舱温拓展至-45 ℃左右，则本制冷原理使用需求更旺盛。

2 实验验证

模拟假设的一些条件在实际运行中并不能维持，比如通过两换热器的风量会随温湿度变化而变化，尤其是蒸发器温度变化带来风量的变化还比较明显，因此机组连续工作时的实际性能会与模拟计算不同。采用本文原理图制冷机组提供环控制冷服务的防爆试验舱室实体如图7所示，舱体的一端是环控系统部分，主要包括制冷机组主机系统、风冷冷凝器及风机部分电控柜、电热功率调整模块，舱内一侧是室内换热模块，包括蒸发器、电加热器，风机，风机驱动变频电机外置，由磁耦合结构相互连接（本舱需进行负压试验，避免电机受舱内高低温、负压影响），舱内空气循环为下侧回风、顶部均布孔板送风以保证舱内温湿度均匀性。

图7 防爆试验舱室结构图

针对实际系统做降温和升温实验，在降温程序中设置随不同舱温（蒸发换热器回风温度）变化，机组自动调整开启台数以及切换到配打状态。

舱内由常温降至-40 ℃，降温时间要求小于5h，降温速率均匀性没要求，温度到达设定值并稳定一定时间后停机做防爆性能试验。因本舱既有高温（80 ℃）指标，又有低温（-40 ℃）指标，采用电加热器调功方式大致控制降温速率，图8曲线为调试初期实验结果，图中可见，通过在约-20 ℃舱温下切换成三压缩机配打的制冷方式，很好保证了舱内低温段的降温速率，实验基本验证了本文原理及计算的正确性。

图8 舱内实际降温曲线图

3 结论

配打制冷方式在冷库行业时有使用，本文通过合理设计、分析，认为将其推广使用于-40℃左右温区高低温试验装置制冷精控温领域具备多个优点，不仅有利于实现制冷全降温段冷量输出的负荷调节的节能运行效果，尤其是能够实现降温速率的均衡性，提升制冷机组在低舱温下的制冷效率，值得在环境试验箱、冷库等行业推广使用。