（制冷及低温工程专业论文）冷热气流冲击试验箱制冷系统设计及试验研究.pdf

冷热气流冲击试验箱制冷系统设计与试验研究 摘要 冷热气流冲击试验箱是一种可以同时提供高温、低温的环境设备， 对产品进行高温、低温环境的性能测试、筛选或考核实验，在机械、电 子、电工、仪器仪表、航空航天等领域得到广泛应用。冷热气流冲击试 验箱执行温度冲击实验( g j b l 5 0 5 8 5 ) 技术标准。试验箱制冷系 统设计采用自然复叠制冷循环，使用r 2 2 r 2 3 混合工质来获取一5 5 高 压气体。本文根据制冷循环热力学分析和计算，进行制冷系统各个部件 的选型及系统整体布置设计，成功建立了制冷系统试验台，并对试验台 的最低蒸发温度、降温速度、制冷量进行了试验研究，成功获得了一5 5 以下的低温气体，完全达到设计要求。最后，对试验台的运行结果进行 分析，得出一些重要结论。 关键词： 冷热气流冲击试验箱制冷系统自然复叠设计试验 d e s i g na n dr e s e a r c ho fr e f r i g e r a t i o ns y s t e mf o rc o l da n d h o ta i r f l o ws h o c kc h a m b e r a b s t r a c t t h ec o l da n dh o ta i r f l o ws h o c kc h a m b e ri sak i n do fe n v i r o n m e n t a lt e s t c h a m b e rt h a tc a np r o v i d et h ee n v i r o n m e n to f h i g ht e m p e r a t u r ea n dl o w t e m p e r a t u r e ， w h i c hi s m o s t l ya p p l i e d t o p e r f o r m a n c et e s t i n go r e x a m i n a t i o nf o rm a c h i n ep r o d u c t 、e l e c t r o np r o d u c ta n ds oo n t h ec h a m b e r o b e y st h e r k a ls h o c kt e s t ( g j b l 5 0 5 - - 8 6 ) t e c h n i c a ls t a n d a r d t h ec h a m b e r r e f r i g e r a t i o ns y s t e mu s ea u t o c a s c a d er e f r i g e r a t i n gc y c l ea n dr 2 2 r 2 3 a st h ez e o t r o p icm ix t u r er e f r i g e r a n tt oo b t a i nl o w - t e m p e r a t u r e 5 5 h i g hp r e s s u r ea i r s o nt h eb a s i so ft h e r m o d y n a m i ca n a l y s i s a n e x p e r i m e n t a lr i gi sd e s i g n e ds u c c e s s f u l l y b yc a r r y i n go nt h e e x p e r i m e n t ，t h el o w t e m p e r a t u r e 一5 5 h i g hp r e s s u r ea i r si so b t a i n e d a n d t h e r e f r i g e r a t i n go u t p u t i sm e a s u r e di nt h e e x p e r i m e n t a lr i g s u c c e s s f u l l y l a s t l y ，s o m ei m p o r t a n tc o n c i u s i o nisa c q u i r e db y a f l a l y z i n gt h er e s t l l to ft h ee x p e r i m e n t k e yw o r d s ： c o l d h o t a i r f l o ws h o c kc h a m b e r ， r e f r i g e r a t i o ns y s t e m a u t o c a s c a d e ，d e s i g n ，e x p e r i m e r i t 图l 一1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图4 一l 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图5 一l 图5 2 图5 3 图5 4 插图清单 气压传动式冲击试验箱工作原理图3 冲击试验箱箱体布置图4 冷热气流试验箱结构图5 制冷压缩机分类图8 压缩蒸汽制冷循环t s 图与p h 图9 复叠式制冷循环系统图- 1 1 自然复叠制冷循环系统图1 2 复叠循环系统布置图1 3 自然复叠制冷系统流程图2 0 冲击试验箱制冷系统流程图2 4 自然复叠循环p h 图2 5 冷凝蒸发器内部单管缠绕图2 8 换热箱外形结构图2 8 精馏塔内部操作过程图3 2 精馏柱外形图3 4 精馏装置内部结构零件图3 5 自然复叠系统布置图” 试验台整体实物图3 8 系统参数测试点布置图4 0 r 2 3 含量为3 0 蒸发器内降温曲线图- - 4 3 r 2 3 含量为3 5 蒸发器内降温曲线图4 5 r 2 3 含量为4 0 蒸发器内降温蓝线图4 6 表2 一l 表3 1 表3 2 表4 一l 表4 2 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 表5 7 表格清单 常用制冷剂蒸发温度表 复叠制冷循环常用制冷剂性质表 系统各点状态参数表 精馏塔常用填料表 制冷系统对润滑油要求 测试点温度表- 试验1 系统运行各点温度表 试验1 问题分析及改进措施表 试验2 系统运行各点温度表 试验2 问题分析及改进措施表 试验3 系统运运行各点温度表 冷却后高压氮气参数表 m堪笠孙药毋钙舛酊拍盯勰 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒目g 王些盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字受，j 毒聋签字日期力萨多月倌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 胆王世盘堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文 签字日期 储铭匆瓣 川口，v 、 ：洲年多月r o 目 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 一删瓣 签字日期：加年6 月d 日 电话 邮编 致谢 本论文的研究工作是在导师左承基老师和王铁军老师的精心指导 和热情关怀下完成的，至此论文完成之际，谨向我的两位老师表示真诚 的感谢和真挚的敬意! 衷心感谢左承基老师对作者在学习和课题上的指导和帮助，左老师 宽广的知识面、活跃的思维、对科学技术的浓厚兴趣、对学科的深入了 解，给作者以深刻的启发。深深感谢王铁军老师直以来在生活和学习 上对作者的帮助和指导，特别是王老师为学生创造了十分优越的科研条 件，在这样良好的环境中作者逐渐进步。做课题期间作者取得的每一点 成绩都浸注了王老师大量的汗水和心血，在老师细心指导下课题不断取 得进展。这里，再次衷心感谢两位老师对作者的教诲，祝愿老师工作顺 利、身体健康! 衷心感谢中电集团电子1 6 所陈登科副所长、覃小本主任为作者创 造了十分优越的科研条件和环境，给了我一个把理论与实践相结合的机 会，从而使作者对本专业有了更深一步的认识：衷心感谢电子1 6 所万 瑞公司丁怀况副总，四部汪韩送高工、石国丽主任、马学焕、孙志和、 罗仁智、韩崎各位工程师，三部章学华主任、张俊峰、程琳等人，以及 张志民师傅夫妇、孔伟、程辉、蔡郑凤、孔志诚等所有员工，在多方面 给予作者的指导和帮助! 衷心感谢所有同学和朋友在学习和生活上给予的帮助! 深深感谢计算机与信息学院郭玉梅同学在论文写作上给予的帮助! 深深感谢我的母亲和哥哥在生活上对我无微不至的关心和照顾，使 我能够专心的进行课题研究! 最后衷心感谢文中被引用文献的所有作者。 作者：毛雪东 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 1 1 引言 随着人类社会的进步，以及制冷工业的迅速发展，制冷技术在生产生活、 国防建设和科学研究等方面的应用也目益广泛。空调、冰箱等制冷空调设备 广泛应用于人们的日常生活，改善居住环境和条件，提高了人们的生活水平 “、“。1 2 0 k 以下的制冷技术多被应用于空气液化、石油化工、航天、低温超 导等重要领域，对社会建设和尖端科学技术进步起到积极的推动作用。“1 。 同样，随着各个行业的快速发展，许多领域高端产品的工作环境不只是在室 温条件或深冷条件，而是需要在高温、低温、高低温循环的情况下工作，甚 至在短时间内改变产品的工作环境温度，如：现代高性能军用飞机正向高速、 高压、大功率的方向发展，飞机的无效功率增加，无效功率主要转化为大量 热，导致飞机部分系统常在远远偏离环境温度的高温或低温情况下工作，系 统电子、机械元件性能好坏往往对整个飞机的性能有着直接的影响，所以研 究元件在高低温条件下的可靠性是十分必要的。而且精密仪器的机构越来越 复杂，工作环境变化频繁，更加需要一个可以快速实现温度变化的实验设备， 尽早的筛选出有缺陷的元件，确保系统正常工作。所以，对于许多行业和部 门来说，高低温循环的冲击试验已经成为检验或科研必不可少的方法和手 段。 目前，我国急需一种可以同时提供高低温环境，对元件进行循环温度冲 击的试验设备。本文涉及的冷热冲击试验箱的研制工作，正是为了满足国内 对这种温度冲击试验设备的大量需求而开发的。被测元件在冲击试验箱内经 过一系列的高低温度冲击试验后，再检测样品的电性能和机械耐久性的变化 情况，从而及时发现结构上的缺陷，诸如耐温度冲击能力不足，包装密封不 佳，引线焊接不良，塑料裂缝，等等。这些缺陷能给元件和仪器带来潜伏性 故障。这样可使研制人员快速直接的发现问题所在，有针对的改进优化，大 大缩短研制开发的周期；同样也为生产节约时间，提高出厂产品的可靠性。 此种冷热冲击试验箱广泛应用于电子电工、仪器仪表、航空航天、医疗 卫生、生物医药等领域的科研和生产活动中。该冲击试验箱的工作温度一般 在1 2 5 一6 5 之间，在试验箱的设计、制造过程中，制冷系统的设计是 试验箱研制的一个重要环节，其设计质量的优劣直接影响试验箱进行快速冷 热冲击试验的运行效果：同时，制冷系统的制冷方式、结构布置也关系到试 验箱的操作方便性和运行稳定性。 1 2 冷热冲击试验箱国内外发展概况 随着科学技术的快速发展，各国对可进行高低温循环冲击的试验设备需 求量逐年扩大，而且不同国家、不同行业对冷热冲击试验箱的使用环境和使 用要求又各不相同，为了满足客户需求，提高市场竞争力，国外、国内的开 发单位对冷热冲击试验箱研制和改进都在不停的进行中，但是开发水平和发 展方向各有不同。 国外概况：美国、德国、日本的研制工作起步较早，开发和生产的技术 水平比较高，美国通用设备公司、日本爱斯派克公司、意大利a c s 公司、德 国和法国的部分企业，在制冷方式、冲击方式、制冷剂的选择等方面做了大 量工作，已完成了产品的多样化、系列化。 国内概况：虽然国内在这方面起步比较晚，但是也已有一些科研机构、 大学、企业作了大量的工作，并取得了较大进步，生产出了能够满足温度冲 击试验要求的机组，如：北京航空航天大学对高低温液压试验台的研制“3 ： 中电集团第1 6 研究所基于高低温实验箱的技术基础对此种冲击实验箱产品 的开发：重庆银河股份有限公司生产的气压传动温度冲击试验箱；还有台湾 的部分企业等。但以国内现有的试验箱产品与国外大公司的系列产品相比， 机组在温度控制精度、自动化程度、运行的稳定性等方面还有一定的差距。 冷热冲击试验箱研究的主要方向： 制冷方式： 在制冷技术中，制取一2 0 一8 0 温度时，常采用两级压缩制冷 和复叠式制冷两种方式。两级压缩制冷中间压力控制相对复杂”1 ，要求 工质的蒸发压力低冷凝温度较高，工质的选择范围窄且多数达不到环保 要求，所以两级压缩制冷在冲击试验设备上多不被采用。复叠式制冷可 以在夏天工况实现- 8 0 低温，不但可以解决压缩机压比过高问题，而 且可以找到满足环保要求的制冷剂，所以此种制冷方式被广泛采用。在 复叠式制冷中，根据制冷系统使用的压缩机数量和制冷剂的循环方式， 又可以分为二元复叠制冷和自然复叠制冷。二元复叠制冷是将两个分别 使用高、低温制冷剂的独立系统复叠在一起，将低温环境的热量逐步的 释放给冷却介质，完成制冷。自然复叠制冷采用混合工质，在一个系统 内利用分凝原理将制冷剂分离，并使它们进入各自的蒸发器蒸发制冷， 间接实现复叠。该制冷循环只使用一台压缩机，使系统的结构和控制大 为简化，将是冷热冲击试验箱的一个重要发展方向。 冲击方式： 国外主要以气压传动、气流和箱体移动等冲击方式为主。由于气压 传动式冲击试验箱所需配套设备多数为标准件，零部件选择方便，这种 冲击方式试验设备被广泛采用，技术比较成熟。此类气压传动式冲击试 验箱通过机组的加热系统和制冷系统，分别产生一个高温环境( + 7 0 + 15 0 ) 和一个低温环境( 一2 5 一6 5 ) ，根据温度冲击试 验的相关要求，将被测元件放入指定温室的载物篮内，待两温室达到预 设温度且稳定时，通过气压传动机构牵动载物篮，实现篮内被测元件 ( 如：电子器件) 在高低温室间的移动。移动过程中高低温室相通，被 测元件也由高温或低温状态进入另一温室，所以会有大量冷热负荷带 入，机组要通过制冷系统或加热系统迅速恢复到各温室预定温度。当被 测元件所在温室温度长时间保持稳定后，再经过传动机构将载物篮反向 牵动，把被测元件带回原温室，同样须迅速恢复到预定温度，当温度再 次长时间稳定后，再重复上述操作，完成多次温度循环冲击试验。工作 原理如下图所示。 1 高温室 2 载物篮与试验元件3 低温室4 蒸发器5 制冷机组 6 气压传动装置7 板式换热器8 加热块 图1 1 气压传动式冲击试验箱工作原理图 气流式冲击试验箱温度冲击原理与气压传动式冲击试验箱类似，但 其结构设计新颖，靠交换改变进入试验箱内的冷热气流，来实现对元件 的冷热冲击。元件在箱体内无需移动，运动部件少，机构简单可靠性高， 而且可以承载更多试验元件，提高了空间利用率和试验效率。这种冲击 方式出现较晚，机构整体布置和配套设备都要重新设计，与以往的冷热 冲击试验箱有较大区别。而此类试验箱又分为可移动式、不可移动式两 种。 箱体移动式冲击试验箱应用于大负荷冲击试验场所，被测物多为运 行状态的整体设备。此类试验箱靠液压传动或电机传动实现箱体的移 动，机组体积庞大。 箱体布置方式： 冷热冲击试验箱分为两箱体形式和三箱体形式，箱体布置方式又分 为水平布置和垂直布置两种。气压传动式冲击试验箱箱体分为两箱式和 三箱式，布置方式全部是垂直布置；气流式冲击试验箱全部是三箱式， 箱体布置方式为垂直布置和水平l 型布置。箱体移动式冲击试验箱箱体 分为两箱式和三箱式，布置方式全部是水平一字型布置。箱体具体布置 情况如下图所示。 a 气压传动两箱体垂直布置式试验箱 试骑驻内的气流 b 气流冲击三箱体垂直布置式试验箱 c 气流冲击试验箱箱内气流方式 图1 2 冲击试验箱箱体布置图 制冷工质选择”1 ： 根据1 9 8 7 年蒙特利尔协定，欧美等发达国家已全面禁止r 12 、r 1 3 、 r 2 2 等制冷剂的使用，在欧美地区使用的冲击试验箱制冷系统高温级制 冷剂多为r 4 0 4 a ，低温级制冷剂为r 2 3 ；而在发展中国家，对r 2 2 的使 用尚未到禁止期限，所以出口到发展中国家的冲击试验箱制冷系统高温 级制冷剂为r 2 2 ( 少数为r 4 0 4 a ) ，低温级制冷剂为r 2 3 。 4 控制方式： 目前，市场上使用的冷热冲击试验箱基本上实现了智能化、程序化、 可视化，但是为了满足客户更高的要求，各开发单位又在数字化等方面 做了大量工作，提高设备网络信息通信能力，通过计算机实现对试验箱 的远程控制。 1 3 课题来源及意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于中国电子科技集团第1 6 研究所万瑞冷电科技有限公司的 “冷热气流冲击试验箱开发”项目。 1 3 2课题意义 本课题的意义在于有较大的应用价值，对该试验箱制冷系统的研制，不 仅可以满足国内对冷热冲击试验设备的迫切需求，而且对我国的各行业科技 发展有着积极的促进作用。 1 4 本课题设计目标 为了满足客户要求，我们要设计台体积小、移动灵活、操作方便的冷 热气流冲击试验箱，其基本组成有四大部分：制冷系统、摇臂机构、气流系 统和控制系统，箱体结构如下图所示： 图1 3 冷热气流试验箱结构图 冷热气流冲击试验箱以大流量且连续的压缩空气或高压氮气为冷却对 象，通过被冷却气体把冷量带入玻璃罩内，对试验元件进行冷冲击。根据气 流回收方式将试验箱分为冷气流循环利用式和冷气流直接排放式两种。冷气 流循环利用式试验箱是将工作后的冷气流循环利用，以达到节能、提高制冷 量的效果，在一次冲击试验中可以测量多组元件，但是试验箱要增加气体回 流机构，增加了试验箱设计工作量；冷气流直接排放式试验箱是将工作后的 冷气流通过玻璃罩上的小孔直接排出，这样造成了冷量的损失，但是结构相 对简单，多被采用。目前，此种冷热气流冲击试验箱9 0 以上为进口，工作 气体流量一般为7 8 6 升秒，为了满足今后冷热冲击试验更高的要求，并 与国内市场接轨，我们此次设计的气体流量在9 升秒以上，完全达到试验 要求。试验箱的设计执行温度冲击试验( g j b l 5 0 5 8 6 ) 技术标准。标 准温度冲击试验条件： 1 ) 试验温度：高温为+ 7 0 低温为一5 5 2 1 试验温度保持时间：1 h 或直至试验样品达到温度稳定，以时间长者 为准： 3 1 转换时间：不大于5 m i n ： 4 ) 循环冲击次数：3 次； 试验箱也可根据检测的要求，预先设定冲击温度，完成不同等级的温度 冲击试验。冷热冲击试验箱可实现多等级温度冲击试验： 高温温度等级为： 7 08 51 0 01 2 5 ( ) 低温温度等级为：一2 5 4 0 5 5 6 5 ( ) 此类环境试验设备多在实验室使用，一般都安装有空气调节设备和高压 气源，实验室环境温度可以稳定在2 7 左右，室内的湿度为5 5 左右。由 上述冷热冲击试验要求和使用条件，我们确定了冷热冲击试验箱的工况条件 和技术指标如下： 1 环境温度： 2 7 2 气体流量：最大1 0 升秒 3 气体利用方式：冷气流直接排放式 4 工作温度范围： 1 2 5 一6 5 5 标准冲击温度： 一5 5 6 最低冲击温度：一6 5 综上所述，冷热气流冲击试验箱制冷系统的设计，就是以制取一5 5 大 流量的高压气体为最终目标，系统各参数和使用指标都是围绕实现该目标而 定。 1 5 本论文主要工作 本文主要工作如下： 1 、根据温度冲击试验要求和试验箱使用要求，选取适合的制冷系统。 2 、确定制冷系统使用的工质，对循环进行理论分析。 3 、确定试验箱的制冷量，根据制冷系统热力计算，对各个部件进行选 型和设计。 4 、搭建自然复叠制冷系统试验台，进行试验研究，分析外来因素对制 冷系统性能的影响，为进一步优化设计提供依据。 第二章制冷循环方式确定 根据温度冲击试验的技术指标和冷热气流冲击试验箱的使用要求， 试验箱可以快速提供一2 5 一6 5 的大流量冷气流，因此制冷系统设计采 用通过压缩机实现制冷的蒸气压缩制冷循环，选取有效制冷方式是设计工作 进行的第一步。 2 1 蒸气压缩制冷循环概述 蒸气压缩式制冷循环“、2 1 是在制冷设备中应用最为广泛的一种制冷循 环，它适用于各类制冷设备，这样的制冷机设备更加紧凑，而且能够得到比 较宽的制冷温度范围，在普通制冷温度范围内有着较高的工作效率，可以根 据不同场合的需要制成大、中、小型。在蒸气压缩式制冷循环中，为把制冷 剂蒸气从低压变为高压，且使其不断在制冷系统内循环流动，可以采用多种 类型的制冷压缩机。按照各类制冷压缩机工作原理可以将它们分为速度型和 容积型”1 ，压缩机分类如下图所示。速度型压缩机由旋转部件连续将角动量 转换给蒸气，再将该动量转为压力；容积式压缩机通过对运动机构做功，以 减少压缩式容积，提高蒸气压力来完成压缩功能。蒸气压缩式制冷机根据工 作原理和使用条件的不同有单级压缩制冷循环、多级压缩制冷循环和复叠式 循环等不同的组合表现形式，以满足不同的温度要求。 裁蹲蕊藕撬 i r 删忡_ _ 制_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 怖州_ h _ 蝴荆删删黼* _ 、 骞豫毅 遵漤鼙 r 1 土 港 蝈辚式荸 蕃广下1 r _ 1毒 r辫 靖攀 双 满 i 复叠式制冷循环三种形式，以满足不同的温度要求。 2 1 1 单级蒸气压缩制冷循环 单级蒸气压缩制冷循环工作过程如下图所示。单级蒸气压缩制冷循环是 指从蒸发器出来的低压蒸气，经过压缩机一次压缩到冷凝压力的制冷循环。 压缩机吸入的是以点1 表示的饱和蒸气，1 2 表示制冷剂在压缩机内的压缩 过程，这一过程在理想的情况下为等熵过程。2 3 4 表示制冷剂在冷凝器 的冷却和冷凝过程，在这一过程中制冷剂的压力保持不变，且等于冷凝温度 下的饱和蒸气压力。4 5 为节流过程，制冷剂在节流过程中，压力和温度都 降低，但焓值保持不变。5 一l 表示制冷剂在蒸发器中的蒸发吸热过程，制冷 剂在蒸发温度和蒸发压力不变的情况下蒸发，吸收被冷却物的热量实现制 冷。 图2 2 蒸气压缩制冷循环t s 图与p h 图 实际上，单级蒸气压缩制冷的理论循环和实际循环是有差异的，差异归 结为3 点： 1 压缩机工作时有摩擦阻力、热量交换和工质泄漏，压缩过程不是等 熵的。 2 实际热交换过程中，存在传热温差。 3 + 制冷剂流经过道及排气阀门和换热设备时，存在阻力和压力降。 由此可知，实际循环比理论循环要复杂得多，另外制冷系统制冷量也受 蒸发温度和冷凝温度的影响。制冷系统所能达到的最低蒸发温度主要是由它 的冷凝压力和压缩比来决定的。制冷剂的冷凝压力由冷却介质温度决定，如 空气、水等。当冷凝压力一定时，用单级蒸气压缩制冷循环要达到较低的温 9 度，其蒸发压力也必须降低，冷凝压力和蒸发压力之差增大，从而使压缩比 扩大，恶化了压缩机的运行条件，不利于循环运行。在单级蒸气压缩循环中， 一般规定压缩比不超过l o ，在压缩机正常工作的压缩比范围内，采用中温制 冷剂制冷系统所能达到的最低温度为一4 0 左右。采用低温工质，系统的冷 凝压力过高，冷凝压力一般为2 0 b a r 左右，增加了系统制冷剂泄漏的可能性。 而采用高温工质又存在最低蒸发温度相对较高的问题，并且同样存在压比过 太的缺陷，这样不但造成循环性能下降，而且使循环运行的安全性受到影响。 在最大压缩比限制的条件下，不同冷凝温度时几种制冷剂在单级压缩时所能 达到的最低蒸发温度，如下表所示： 表2 一i 常用制冷剂蒸发温度表9 制冷剂 r 12 r 2 2r 1 3 4 ar 4 0 4 ar 5 0 2r 7 1 7 冷凝疽泳 3 0- 3 63 73 24 0- 4 02 5 3 53 33 42 9- 3 63 62 2 4 03 1 3 l 2 5 3 33 32 0 5 02 52 52 12 8- 2 8 由以上各种制冷剂在各冷凝温度下的最低蒸发温度可得：在单级蒸气压 缩制冷循环中，压缩比一定的情况下，单一中温制冷剂制冷受到蒸发压力不 能过低的限制，系统很难获得- 4 0 以下的温度。 2 1 2 两级蒸气压缩制冷循环 在两级压缩制冷循环中，制冷剂的压缩过程分两个阶段进行，即将来自 蒸发器的低压制冷剂蒸气( 压力为p o ) 先进入低压压缩机，在其中压缩到中 间压力p m ，经过中间冷却后再进入高压压缩机，将其压缩到冷凝压力p k ，排 入冷凝器中。这样，可使各级压力比适中，由于经过中间冷却，又可使压缩 机的耗功减少，可靠性、经济性均有所提高。两级压缩制冷循环按中间冷却 方式可分为中间完全冷却循环与中间不完全冷却循环，所谓中间完全冷却是 指将低压级的排气冷却到中间压力下的饱和蒸气；如果低压级排气虽经冷 却，但并未冷到饱和蒸气状态时称为中间不完全冷却。按节流方式又可分为 一级节流循环与两级节流循环，如果制冷剂液体由冷凝压力p k 直接节流至 蒸发压力p o ，则称为一级节流循环：如果将高压液体先从冷凝压力p k 节流 到中间压力p m ，然后再由p m 节流降压至蒸发压力p o ，称为两级节流循环。 一级节流循环虽经济性较两级节流稍差，但它利用节流前本身的压力可实现 远距离供液或高层供液，故被广泛采用。两级压缩制冷循环常用的中温制冷 剂有：r 12 、r 4 0 4 a 、r 2 2 、r 7 17 、r 5 0 2 等。 1 0 在理论上两级压缩制冷循环的总压缩比可以取得很大( 最高压比可达 1 0 0 ) ，获得较低的蒸发温度。例如，制冷系统冷凝温度为4 0 时，对于r 4 0 4 a ， 当总压比为1 0 0 时，蒸发压力为1 8 7 k p a ，与之相对应筋蒸发温度为一 7 l 0 5 ；对于r 2 2 ，当总压比为1 0 0 时，蒸发压力为1 5 7 k p a ，所对应的 蒸发温度可以达到一7 3 0 5 ，此时系统的蒸发压力过低，增加了空气渗 入制冷系统的可能性，吸气压力过低压缩机吸气阀片也不易开启，压缩机的 工作效率低，甚至不能正常工作。采用一种中温制冷荆的两级压缩制冷循环， 还可能因为蒸发温度过低使得制冷剂凝固，制冷系统无法正常工作。 综上所述，采用单一制冷剂的两级压缩制冷循环，适合用来制取一4 0 一6 0 的温度，这样整个制冷系统可以正常工作，具有较高的工作效率。 若要获得更低的温度，就需要采用两种制冷剂的复叠制冷循环。 2 1 3 复叠制冷循环 复叠制冷循环通常由高温级和低温级两部分组成。高温部分使用中温制 冷剂，低温部分使用低温制冷剂，形成两个单级压缩制冷系统复叠工作的循 环。两系统之间采用一个冷凝蒸发器衔接起来，高温级的中温制冷剂在其中 蒸发制冷，使低温级的低温制冷剂在其中放出热量，与蒸发的中温制冷剂进 行热交换后，被冷凝成为液体。从冷凝蒸发器出来的中温制冷剂蒸气带走低 温制冷剂的冷凝热量，经过高温级循环将热量传递给环境介质( 水或空气) 。 而从冷凝蒸发器出来的低温制冷剂液体，经低温级节流阀降压后，进入蒸发 器吸取被冷却物的热量而蒸发制冷。获得所需要的低温。 q o _ _ 一 h ，b 一高低温部分压缩机c 一冷凝器d 一冷凝蒸发器e 一蒸发器f 一节流阀 图2 3 复叠式割冷循环系统图 由于复叠制冷循环是由两个独立的制冷系统复叠而成，每台压缩机工作 压力适中，能很好的满足获得较低温度的要求，所以广泛应用于一6 0 一 8 0 的普冷领域。复叠制冷循环使用了多台压缩机，从设计制造和生产维护 的方面考虑，系统相对较为复杂，投入较大，运行维护难度更大。 2 1 4 自然复叠制冷循环 自然复叠制冷循环“”1 是复叠制冷循环的一种特殊形式，循环采用混合 制冷剂作为工质，巧妙的利用了分凝原理来实现各制冷剂之间的复叠。其工 作原理如下图所示。当混合制冷剂经压缩机压缩后变为高温高压蒸气排入冷 凝器，在这里大部分的高沸点制冷剂被冷凝下来，成为液体。由于低沸点制 冷剂在通常的室温冷凝条件下，不能被冷却成液体，所以仍然为气态。气液 两相混合工质从冷凝器出来后，依靠重力的作用，气体和液体分离。其中液 体部分经第一个节流阀c 节流变为低压液体，在冷凝蒸发器中蒸发吸收气态 低沸点制冷剂的热量。从冷凝器出来的气态低沸点制冷剂在冷凝蒸发器中放 热被冷凝为液体，由第二个节流阀d 节流后进入蒸发器进行蒸发制冷。最后， 从蒸发器出来的低沸点制冷剂气体与从冷凝蒸发器出来的高沸点制冷剂气 体混合后进入压缩机，从而完成整个循环。 d t q k l q o a 一压缩机b 一冷凝器c ，d 一节流阀e 一冷凝蒸发器f 一蒸发器 图2 4自然复叠制冷循环系统图 在国内，自从1 9 8 7 年华中理工大学的李文林和华小龙“”等人采用单级压 缩、两次分凝自然复叠循环，以r 1 3 1 r 1 2 为工质进行实验，得到了一5 5 的温 度以来，我国科研人员在自然复叠制冷领域做了大量的研究工作，如：中国 科学院理化所的罗二仓“”1 老师等人采用一次分凝自然复叠循环，以高压钢 瓶内的气体为冷却对象，多种气体成分组成的混合工质，获得了液氮温度以 下的低温，扩大了自然复叠制冷的应用范围。在随后的研究中又开展了自然 复叠制冷在普冷领域的应用，浙江大学陈光明“6 1 教授等人在自然复叠制冷循 环的优化等方面也开展了大量工作，曾采用三元混合物r 1 15 0 r 1 3 r 1 2 作为 工质，获得了一7 3 的低温。随着对自然复叠制冷系统研究的不断深入，采 用自然复叠制冷循环可以获得不同温区的低温，它将被更广泛的应用于环境 试验设备、低温储存及医疗、真空以及冷冻干燥、红外系统、空气液化等领 域，满足各个领域对不同低温环境的需求。 2 2 制冷循环的确定 自然复叠制冷循环利用了多级复叠的制冷原理，通过一台压缩机，在一 个独立的系统内可以实现一2 5 一8 0 的温度，甚至更低的温度。与两级 压缩制冷循环、传统复叠制冷循环相比”73 ( 见下图，可与图4 8 进行比较) ， 该循环只采用一台压缩机就可以实现同样制冷效果，不仅使制冷系统结构得 到简化，而且使设备的运行控制复杂程度大为降低，提高了设备的工作稳定 性。因此冷热气流冲击试验箱的制冷系统采用自然复叠制冷循环，以达到简 化试验箱结构、降低设备成本的目的，即可以满足不同客户的使用要求，又 可以提高市场竞争力。 图2 5 复叠循环系统布置图 2 3 自然复叠制冷循环的特点 自然复叠循环“”使用混合工质，通过一台压缩机实现系统内混合工质的 分离和循环，使低沸点的制冷剂进入蒸发器，制取预定的低温。和常规的制 冷循环相比，自然复叠制冷循环在制取低温时具有以下的特点1 ： 1 自然复叠制冷循环只采用一台压缩机就可以获得很低的温度环境，实现 了常规制冷方法中需要两台或两台以上的压缩机才能达到的低温。整个 制冷循环系统中只有一个压缩机为运动部件，提高了机组运行稳定性， 使系统控制、维护等方面大为简化。 2 3 在自然复叠制冷循环中，混合工质中的高沸点组分成为循环的高温制冷 剂，低沸点组分成为循环的低温制冷剂，可以制取与两级压缩制冷循环 和复叠制冷循环同样的工作温度。在制取低温时不会出现制冷剂蒸发压 力过低或冷凝压力过高的情况。 自然复叠制冷循环的制冷剂是混合工质，在流程中分别呈气态、气液平 衡态及液态，其物性值确定没有统规则，循环的计算较为复杂，没有 较为成熟的相关理论。 1 4 第三章自然复叠循环制冷系统设计分析 冷热气流冲击试验箱制冷系统采用非共沸混合工质自然复叠制冷循环， 因此，本章首先对混合工质的基础知识做了简要介绍，再根据相关要求选取 合适制冷剂作为混合工质、确定混合工质的质量组分，最后又对采用该混合 工质的自然复叠循环进行了状态分析。 3 1 混合工质概述 制冷剂”、”是制冷系统的工作流体，它在制冷机中循环流动，通过自身 热力状态的循环变化不断与外界发生热量交换，达到制取冷量的目的。液体 蒸发式制冷机的制冷剂在人们要求的低温下蒸发，从低温环境或被冷却对象 吸取热量，而后再在较高的温度下凝结，向外界环境排放热量。所以，只有 在工作温度范围内能够气化和凝结的物质才可以作为制冷剂使用。 人类在寻找合适制冷剂的道路上进行着不断的探索。在制冷工业发展早 期被作为制冷剂的物质有乙醚、二甲基乙醚、c 0 2 、n h 3 、s 0 2 等，它们在 历史上曾经是比较重要的制冷剂，直到1 9 5 5 年才被氟利昂制冷剂所取代。 氟利昂是链状饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物的总称。人们在1 8 世纪 后期就已经知道了这类化合物的化学组成，但直到上个世纪初期才被提出当 作制冷剂使用来的。由于氟利昂制冷剂的种类很多，它们之间的热力性质有 很大区别，而且在物理、化学性质上又有许多共同的优点，便于实用。所以 这些制冷剂的应用给制冷工业带来过变革性的进步。但是，1 9 7 4 年美国的两 位学者指出，卤代烃中的氯原子会破坏大气臭氧层，雨后臭氧层的保护问题 越来越引起人们的关注。为此，联合国环保组织于1 9 8 7 年在加拿大的蒙特 利尔市召开会议，3 6 个国家和1 0 个国际组织共同签署了关于消耗大气臭 氧层物质的蒙特利尔议定书，国际上正式规定了逐步削减c f c s 生产与消费 的日程表。目前寻找性能更好、污染性更小、运行更加稳定的制冷剂工作又 从新提上日程。 工业上常用的制冷剂按组成划分，有单一制冷剂和混合制冷剂。单一制 冷剂是由一种纯物质充当制冷剂，采用单一制冷剂的制冷循环被广泛的应用 于用冷的各个行业。混合工质“”是由几种性质不同的制冷剂按照一定比例混 合而成，根据相交过程的不同，主要分为共沸混合工质和非共沸混合工质。 在制冷工质的物理、热力学性质的研究方法中，无论是通过实验研究测定该 工质性质，还有是通过关联式对该工质的各个性质进行理论计算，最终的结 果都是通过试验检验。 3 1 1 共沸混合工质 在混合工质发生相变过程中，平衡的气相和液相具有相同的成分，在各 相内混合物的组分比例不发生变化，该混合工质为共沸混合制冷剂。 共沸混合制冷荆在蒸发过程中蒸发温度是恒定的，表现出和纯制冷剂相 同的恒沸点性质，而且蒸发温度一般比其组分中的单一制冷剂蒸发温度略 低。在系统蒸发温度相同时，共沸混合制冷剂比其组分中的任一制冷剂的压 力高、比体积大，所以共沸混合制冷剂的单位容积制冷量比组分中任一制冷 剂的容积制冷量略大。共沸混合制冷剂具有和纯制冷工质一样的饱和正气压 特性，因此可以不需要对原制冷系统进行改造，直接进行制冷剂替代灌注。 由于混合工质各组分比例是固定的，制冷剂泄露时可能导致失去共沸特性， 使得混合制冷剂的应用受到一定限制。通常用于蒸发温度不低于一6 0 的制 冷系统中。 3 1 2 非共沸混合工质 在混合制冷剂发生相变过程中，气相和液相的组分浓度不同，其在任何 浓度配比下都不发生共沸现象，该制冷剂称为非共沸混合制冷剂。 非共沸混合制冷剂”“3 具有以下特点： 1 非共沸混合制冷剂在蒸发和冷凝过程中其温度是变化的，是一个近似 等压相变过程。由于各组分的沸腾温度和冷凝温度不同，气相和液相 的成分是连续变化的，在冷凝过程和蒸发过程中，沸点低的组分都先 发生相变。 2 非共沸混合制冷剂在冷凝过程中存在一个两相区，循环时要对其气相 和液相进行分离，降低了制冷循环的压比，使单级压缩循环能获得更 低的温度，则自然复叠制冷循环的实现成为可能。 非共沸混合制冷剂应用于制冷主要意义：一是在采用一台压缩机单级压 缩的情况下，可获得更低的蒸发温度。二是可以实现更宽温区范围的制冷， 并能达到节能的效果。 3 1 3 混合工质使用要求 在蒸气压缩制冷循环中，被冷却对象的热量是通过制冷剂的相变来带走 的，是否选用合适的制冷剂，直接影响整个制冷系统的运行效果。一般情况 下，常规制冷空调系统对制冷剂的要求也适用于自然复叠制冷循环，主要从 热力学性质、物理化学性质、安全性质以及经济性和来源四个方面考虑，具 体要求如下”“”： 1 热力学性质方面： ( 1 ) 在工作温区内有合适的工作压力和压缩比。蒸发压力尽量不低于大气 压力，避免制冷系统的低压部分出现负压，使外界空气渗入系统引起 一些不良后果；冷凝压力不可过高，避免系统承受压力负担大，易造 成制冷剂向外界环境泄漏；冷凝压力与蒸发压力之比也应适中，避免 1 6 排气温度过高或使压缩机的输气系数过低。 ( 2 ) 单位制冷量和单位容积制冷量比较大。总制冷量一定的情况下，单位 制冷量大，可减少制冷剂的循环量；单位容积制冷量大，可减少压缩 机的输气量，故可缩小压缩机的尺寸。 ( 3 ) 比功和单位容积压缩功小，提高循环效率高。 ( 4 ) 等熵压缩后排气温度不太高，以免压缩机润滑条件恶化或制冷剂自身 在高温条件下分解。 2 物理化学性质方面： ( 1 ) 粘度小，制冷剂在系统中流动阻力小：密度尽量小，可减少制冷剂在 系统中充注量。 ( 2 ) 化学稳定性和热稳定性好，制冷剂要在蒸发和冷凝的循环变化，不与 润滑油反应，不腐蚀制冷机构件，在压缩终了的高温下不分解。 ( 3 ) 热导率大，提高热交换设备的传热系数，减少传热面积，使系统结构 紧凑。 3 安全性质方面： ( 1 ) 无毒、不燃烧、不爆炸，使用安全。 ( 2 ) 具有环境可接受性，制冷剂的臭氧层破坏指数和温室效应指数为零 或尽可能小。 4 其他 ( 1 ) 原料来源充足，便于获得，价格便宜。 以上要求为选择混合工质时的主要原则和最优先考虑的条件，但是非共 沸混合工质是由多种纯工质混合而成的，所表现出来的性质不同于任何单一 组分的性质，在选择混合制冷剂的组分时还得考虑其他几点： 1 混合制冷剂内任一组分都应具有环境可接受性。臭氧层破坏问题和大 气温室效应已经成为世界瞩目的环境问题，所以混合工质进行选配的 时候首先要从环境保护的角度出发，符合环境保护的相关规定，而后 再去考虑它的物理、化学性质是否可以作为制冷工质，否则所配工质 没有任何实用价值。 2 各组分之间要能够相容。不可以发生物理、化学发应，或形成共沸混 合制冷剂。 3 高低温制冷剂沸点的距离适中。在自然复叠制冷系统内，混合制冷剂 各个组分必须具有合适的沸点距离，冷凝后各制冷剂才能被有效分 离，实现制冷剂间的复叠。一般进行制冷剂选择时，温度间距基本上 在5 0 左右这个范围内选择一种制冷剂，而制冷系统增加级。 3 2 制冷剂的选取及混合比的确定 混合工质的选取和确定各制冷剂的质量组分是接下来要考虑的问题，解 决这个之后才能进行其他的制冷系统设计工作，例如循环状态分析、压缩机 选取、各个换热设备的设计等等。 3 2 1 制冷剂的选择 复叠式制冷循环的每一制冷级的蒸发、冷凝温度跨度为5 0 。c 左右，我 们所设计的试验台标准工作温度为一5 5 ，冷凝温度在2 7 左右，整个制冷 系统的温度跨度在8 5 左右，自然复叠制冷系统在理论上完全适用于冷热冲 击试验箱，并且对于标准工作温度有较大的传热余量，可以提高试验箱的换 热效率。根据蒸发温度和冷凝温度有间距配合原则，下表歹0 出几种常用制冷 剂的性质。 表3 1 复叠制冷循环常用制冷剂性质袭 制冷剂 o d pg w p 标准沸点 临界温度凝固温度 r 1 3 4 ao一2 6 2 1 0 1 51 0 1 o r 2 2o 0 51 34 0 8 9 5 51 6 0 r 4 0 4a0o 一5 8 77 2 8 r 2 3 oo一8 2 12 5 91 5 5 0 r 1 3 o 58 1 42 7 91 8 1 从上表我们可以得出，r 2 2 制冷剂和r 2 3 制冷剂的沸点温差为4 1 3 ， 可以在满足制冷剂温度搭配原则。r 2 3 制冷剂的冷凝温度在一2 5 左右，冷 凝压力不会很高，有利于改善循环运行环境。r 2 3 的分子式为c h f 3 ，是h f c 类绿色环保型制冷剂，它的臭氧层消耗潜能值和全球变暖潜能值全部为0 ； r 2 2 的分子式为c h c l f 2 ，是h c f c 类制冷剂，目前在我国是可以被使用的 制冷剂。我们又对制冷剂获得的难易程度、对压缩机回油的影响等问题进行 综合考虑，选用了r 2 2 和r 2 3 作为自然复叠制冷循环工质的混合搭配。 3 2 2 制冷剂混合比 在确定了混合工质组成后，以下面对的问题就是如何来确定各组元在混 合工质中的组分。目前关于混合工质配比确定原则的资料很少，参阅了一些 文献，提到可以通过反复运行试验的方法，观测机组制冷效果可以确定混合 制冷剂的组分，但是这样的方法有其不足之处，一是试验周期长；二是造成 了严重的浪费。更为重要的是，这样没有理论分析为基础的研究，容易导致 试验缺少方向性和目的性，漫无目的很难取得成功。 结合已有的工作经验，自然复叠制冷循环只使用一台压缩机，同样是 通过压缩机的吸气作用使得混合工质在系统内部完成循环，某种意义上仍然 是