高低溫試驗箱制冷系統最佳制冷劑充注量研究

李佳，張華

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

高低溫試驗箱制冷系統最佳制冷劑充注量研究

李佳*，張華

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

高低溫試驗箱適用于工業產品高、低溫的可靠性試驗。本文以一高低溫試驗箱為對象，在完成制冷系統設計，包括制冷劑選擇、制冷系統部件選型等工作的基礎上，對高低溫試驗箱進行制冷劑充注量實驗，得到試驗箱在最佳運行狀態下的最佳充注量。

高低溫試驗箱；復疊制冷；制冷劑充注量

0　引言

環境試驗是驗證產品設計及質量的主要手段［1］。環境試驗設備運用人工手段，模擬出產品實際所處的環境，測試其性能指標，及時發現產品的缺陷，可使人們對產品進行有針對性的改進。研制新產品時，無需將產品放置于難以達到的實際環境中實驗，節約時間、成本、勞力和物力。環境試驗設備已成為現代高技術產品研發和驗收時必不可少的設備。在眾多的環境影響因素中，溫度影響始終是所占比例最大的一類。在各類環境試驗裝置中，高低溫試驗箱是占據比例最大的一種［2］。高低溫試驗箱既能提供高溫環境，又可提供低溫環境，有的還可以做濕度實驗，其目的是測試產品在高/低溫下的可靠性。受試產品經過高低溫試驗箱的加熱、冷卻過程，其產品的性能變化就顯現出來，及時發現缺陷及時加以修正，以提高產品的質量。隨著科學技術的發展，制冷技術的應用越來越廣泛，頗為重要的應用之一就是環境試驗設備［3］。從近幾年發表的論文來看，對于試驗箱的研究主要集中在隔熱層傳熱特性、制冷系統方式選擇與設計、制冷量調節、系統控制等方面，而在制冷劑充注量方面的研究十分有限。

1　高低溫試驗箱制冷循環及制冷劑的確定

制冷系統是高低溫試驗箱中關鍵部分，其性能直接影響試驗箱整體質量的高低。通過對比確定制冷循環為經典復疊式制冷循環，并對制冷劑的選擇情況介紹如下。

1.1高低溫試驗箱制冷系統選擇

經典復疊式制冷系統是由兩個分別獨立的高、低溫級系統銜接而成，高溫級和低溫級循環各自選取兩種合適的制冷劑，使壓縮機處于合適的壓力下工作，整個循環能在合適的壓比、蒸發溫度以及冷凝溫度下運行。相關文獻表明，在較低溫度下，兩級壓縮制冷循環的理論輸氣量約為復疊式制冷系統的（2～8）倍，其輸氣系數則比復疊式制冷系統小很多，在-70 ℃時，兩級壓縮制冷循環的輸氣系數下降迅速［4］。復疊式制冷系統能經濟地達到-40 ℃～-120 ℃低溫，所以被廣泛地應用于工業制造、航天航空、化工等行業。本高低溫試驗箱的溫度范圍為-70 ℃～150 ℃。根據以上原因，所以本高低溫試驗箱選用復疊式制冷循環。

1.2制冷劑的選定

目前，國內許多生產復疊式制冷機組的制造商大多采用的是R22/R13制冷劑組，R22是氫氯氟烴類制冷劑，而R13是氯氟烴類制冷劑，按照《關于破壞臭氧層物質的蒙特利爾議定書》的規定，R22將過渡使用、最后會被淘汰，R13已被發達國家禁用［5-6］。

本課題的高低溫試驗箱選用R404A為復疊式制冷系統的高溫級制冷劑。R404A標準沸點為-46.6℃，將R125（標準沸點為-49℃）、R143a（標準沸點為-47.2℃）以及R134a（標準沸點為-26.1℃）按照質量分數44︰52︰4配比混合組成，熱物理性質與R22 相近，但R404A無毒且不破壞臭氧層。文獻表明在相同工況且使用相同壓縮機的情況下，R404A制冷機組的制冷量比R22高約4%～10%。當環境溫度較高時，R22機組效率比R404A的略高；當環境溫度較低時，R404A效率則較高。運用在螺桿式機組中，R404A的制冷量大于R22，但其耗功增加了，綜合起來COP略有下降。運用在渦旋式機組中，R404A制冷機組的COP值、制冷量受蒸發溫度及環境溫度影響比R22大；隨著蒸發溫度和環境溫度降低，R404A的制冷量和COP顯著提高；而R404A的系統充注量比R22大［7-9］。

本文選用R23作為高低溫試驗箱復疊式制冷系統的低溫級制冷劑。R13、R23以及二者的混合物R503常被選作復疊式制冷系統的低溫級制冷劑。但是由于R13為CFCs類制冷劑，已從1996年1月1日全面禁止使用，屬于被淘汰和禁用的制冷劑。而R23屬于HFCs類環保型制冷劑，不破壞臭氧層，可長期使用，被當前世界絕大多數國家認可并推薦，成為替代R13和R503的普遍選擇。作為被廣泛使用的超低溫制冷劑R23，其低溫時具有良好的熱力學性能以及能和潤滑油良好互溶再加上無毒、不可燃的優點，被廣泛應用于新冷凍設備，如環境試驗箱、生化試驗箱、超低溫冰箱等設備復疊式制冷系統的低溫級。

2　高低溫試驗箱制冷系統設計

2.1高低溫試驗箱運行原理

本高低溫試驗箱的溫度范圍為-70 ℃～150 ℃，利用雙級復疊式制冷系統來獲取-70 ℃低溫。

一年中室內環境溫度平均在5 ℃～35 ℃間，當試驗箱中設定的溫度明顯高于室溫時，無需啟動制冷循環，僅依靠電加熱器和試驗箱自身的散熱就可以使溫度平衡，達到設定值［10］。

當試驗箱需要制取低于環境溫度的低溫時，需要開啟冷源。為了節能，當設定的低溫僅依靠高溫級制冷循環就能達到時，只啟動高溫級循環；而當僅依靠高溫級制冷循環無法達到設定低溫時，則啟動雙級復疊式制冷循環。根據高溫級循環制冷劑R404A的性質并且要保證高溫級制冷循環時有一定富余的制冷能力來應對環境溫度變化，故以-15℃作為雙級復疊式制冷循環和高溫級制冷循環的切換溫度。

所以，試驗箱制冷系統的運行模式為：當箱內溫度設定高于室溫時，復疊式制冷機組不啟動，只靠電加熱和試驗箱散熱來維持設定溫度；當設定溫度為-15℃到室溫時，只啟動高溫級系統，以節約能耗；而當設定溫度為-70 ℃～-16 ℃時，則啟動雙級復疊式制冷系統。

圖1為高溫級制冷系統流程圖。當設定溫度為-15 ℃～39 ℃時，高溫級制冷系統運行流程為圖1右側部分，電磁閥四、六、七關閉，電磁閥一、二打開。制冷劑R404A從高溫級壓縮機1排出，流經冷凝器3、干燥過濾器8、壓力控制器7，經過電磁閥一經電子膨脹閥6節流進入蒸發器5，再經電磁閥二后，流入高溫級壓縮機1，完成一個循環。

此循環中還有一路由電磁閥三和毛細管11組成的旁通回路，其作用如下：

1）若蒸發器內制冷量過大，則高溫級制冷劑從冷凝器出來后，一部分經上述流程流回壓縮機，另一部分經電磁閥三、毛細管11，與從蒸發器出來的高溫級制冷劑合并后一起進入壓縮機吸氣口，這樣可減少蒸發器中的冷量；

2）當壓縮機吸氣溫度過高時，電磁閥三打開，降低壓縮機吸氣溫度，從而降低排氣溫度。

圖1　高溫級系統流程圖

當箱內設定溫度為-16～70℃時，采用雙級復疊式制冷系統流程，見圖2。高溫級運行流程用圖中右側箭頭表示，電磁閥一、三關閉，電磁閥四打開。高溫級制冷劑經高溫級壓縮機1排出，流經冷凝器3、干燥過濾器8、壓力控制器7，經電磁閥四、毛細管11節流，進入冷凝蒸發器4蒸發后，經單向閥15后流入高溫級壓縮機1，完成一個循環流程。

圖2　高低溫試驗箱復疊式制冷系統原理圖

低溫級運行流程用圖中的左側箭頭表示，電磁閥七打開。低溫級制冷劑經低溫級壓縮機2排出，經過油分離器14后進入預冷器3，減少冷凝蒸發器中的冷凝熱負荷。而后流經壓力控制器7，進入冷凝蒸發器4冷凝后，再經過干燥過濾器8，經電磁閥七、毛細管11節流后進入蒸發器5，最后流入低溫級壓縮機2，完成一個循環流程。

低溫級循環中還有一路由電磁閥六和毛細管組成的旁通回路，其作用如下：

1）當復疊式制冷循環的蒸發器制冷量過大時，打開電磁閥六，從冷凝蒸發器4出來的制冷劑一部分按上述流程流回壓縮機，另一部分經過干燥過濾器8后流經電磁閥六、毛細管11后與流出蒸發器的低溫級制冷劑混合后流入低溫級壓縮機，這樣可降低蒸發器中低溫級的制冷量；

2）打開電磁閥六的另一個作用是防止低溫級壓縮機吸氣溫度過高。

本系統有兩個單級壓縮系統，R404A作為高溫級的循環制冷劑，R23作為低溫級的循環制冷劑。高溫級冷凝溫度定為45℃，本高低溫試驗箱的正常情況下最低溫度為-70℃，但最惡劣情況下可達-75℃，若取傳熱溫差5K，則系統低溫級蒸發溫度為-80℃。

在低溫系統停機時，由于R23處于超臨界狀態，有壓力過高的危險。為保證系統的安全運行，在低溫級中，利用毛細管、卸荷閥連接一個膨脹容器，可避免超壓狀態。當啟動時低溫級壓縮機排氣壓力超過設定安全值，則自動打開卸荷閥，使一部分排氣流入膨脹容器，避免低溫級出現超壓危險，保證安全啟動。當低溫級正常運行后，膨脹容器內的R23制冷劑又通過毛細管壓差作用流回系統中，使循環順利進行。

電磁閥有兩個功能：1）通過打開和關閉電磁閥，控制系統；2）防止系統停止運行后，高壓的液體制冷劑進入蒸發器，否則當系統重新啟動時，將有大量制冷劑液體進入壓縮機，從而發生液擊事故。

復疊式制冷機組低溫級蒸發溫度較低，較大的壓差使壓縮機排氣溫度過高，冷凝溫度過高，會使制冷量和COP降低，而且可能會對系統帶來安全隱患。因此為低溫級壓縮機的排氣增加了一個預冷器，使排氣溫度快速降低后，再進入冷凝蒸發器器冷凝，保證系統安全，增強冷凝效果，提高制冷能力。

2.2高低溫試驗箱熱力計算及制冷系統部件選型簡要介紹

高低溫試驗箱總冷負荷Q=965.62×1.2≈1.2 kW。

高溫級壓縮機選用泰康TFH2511Z型全封閉活塞壓縮機；由于各大廠家沒有專門針對R23的壓縮機，所以低溫級壓縮機也選用泰康TFH2511Z型全封閉活塞壓縮機。

根據制冷循環流程，高低溫試驗箱的蒸發器有2種制冷劑分別蒸發制冷循環回路，并放在箱體室內的后壁面，采用翅片銅管式的蒸發器。紫銅管尺寸為管徑9.52 mm、壁厚0.7 mm，翅片厚度δf為0.2 mm，翅片間距Sf為4 mm，管間距S1為25 mm。

根據制冷系統流程，高低溫試驗箱的冷凝器有2種制冷劑分別冷凝或者冷卻循環回路，復疊系統高溫級部分的冷凝器采用強制通風空冷式冷凝器，初步設計冷凝器的結構參數，選擇尺寸為管徑9.52 mm、壁厚0.7 mm的紫銅管，正三角形叉排列，管間距S1為25 mm，翅片厚δf為0.2 mm，片距Sf為2 mm，鋁片熱導率λ為204 W/（m·K）。冷凝溫度為45℃，冷凝負荷根據之前的熱力計算，考慮到惡劣情況下的環境，取4.5 kW。

冷凝蒸發器選用某公司定制的板式換熱器。

3　高低溫試驗箱制冷劑充注試驗及其結果

高低溫試驗箱的高、低溫級制冷劑充注實驗分別進行。首先在不改變低溫級制冷劑量的情況下，改變高溫級制冷劑充注量，以滿足高低溫試驗箱在較優的狀態下運行并得到高溫級制冷劑最優充注量。然后再進行低溫級的實驗，將高溫級制冷劑充注量控制不變，改變低溫級制冷劑充注量來使試驗箱有較好的運行狀態并得到低溫級制冷劑最優充注量［11］。

3.1高低溫試驗箱高溫級制冷劑充注實驗

通過理論研究、參考同類高低溫試驗箱制冷劑充注量給定范圍，以及考慮本論文中試驗箱的具體情況，本實驗中高溫級制冷劑充注量分別選取700 g、750 g以及800 g。在這三種不同制冷劑充注量條件下，綜合高低溫試驗箱整體的降溫速率和運行狀態，選取一最優充注量。本測試大部分參考GB/T 10592-2008來對測試結果進行評定，將高低溫試驗箱升溫至150 ℃并穩定2小時再降至-70 ℃，來檢測其降溫速率。

從圖3可以看出，充注量為700 g時，高低溫試驗箱的降溫速率明顯要低于750 g和800 g充注量的降溫速率。充注量為700g時，試驗箱內溫度從150℃降至-70℃所用降溫時間約為103分鐘，而750 g和800 g充注量所用的降溫時間幾乎相同，分別為95分鐘和93分鐘，由此可見700 g充注量時試驗箱降溫慢，750 g和800 g充注量時試驗箱降溫快。而且圖3中可以看出在750 g和800 g充注量的降溫曲線中有一凹凸點，該點為單獨高溫級循環模式切換成復疊循環模式，而700 g充注量的降溫曲線則沒有，這是由于750 g和800 g充注量較合適，試驗箱在降溫過程中先單獨開啟高溫級循環模式，待箱內溫度到達切換溫度條件時，其切換成復疊循環模式；由于700 g充注量較少，高低溫試驗箱從降溫一開始，就直接啟動復疊循環模式，這樣會造成不必要的多耗能。

圖3　高溫級制冷劑不同充注量的降溫速率對比圖

由圖4可以看出，當最終趨于穩定時，700 g充注量的排氣壓力最高約為1.32 MPa，750 g充注量的排氣壓力次之約為1.31 MPa，800 g充注量的排氣壓力最低約為1.30 MPa，這三者的排氣壓力基本相近，而這三者的吸氣壓力也相近，均在0.15 MPa左右。

圖4　高溫級制冷劑不同充注量的壓縮機吸排氣壓力對比圖

從圖5可以看出當最終系統趨于穩定時，三種充注量下的吸排氣溫度也趨于穩定，700 g制冷劑充注量的吸排氣溫度最終分別約為-6.0 ℃和76.7 ℃，750 g制冷劑充注量的吸排氣溫度最終分別約為6.1 ℃和80.2 ℃，800 g制冷劑充注量的吸排氣溫度最終分別約為8.4 ℃和80.4 ℃。圖中三種充注量下，吸氣溫度在后期都有一個下降并趨于穩定的過程，其中700 g制冷劑充注量的效果尤為明顯，這是因為此時箱內溫度在55 ℃左右，電磁閥SV1-6 的關閉對系統有一定的影響。由實驗數據可以知道700 g制冷劑充注量過低，導致壓縮機吸氣溫度過低，因此制冷劑充注量為750 g和800 g較合適，但是在實驗過程中發現當高溫級充注800 g制冷劑時，高溫級壓縮機在運行很長一段時間后，其表面會略有結霜，會對壓縮機性能造成損害，所以綜上分析，高溫級制冷劑充注量最后確定為750 g。

圖5　高溫級制冷劑不同充注量的壓縮機吸排氣溫度對比圖

3.2高低溫試驗箱低溫級制冷劑充注實驗［12］

通過理論研究、參考同類高低溫試驗箱制冷劑充注量給定范圍以及考慮本論文中試驗箱的具體情況，本實驗中低溫級制冷劑充注量分別選取350 g、400 g以及450 g。在這三種不同制冷劑充注量條件下，綜合高低溫試驗箱整體的降溫速率和運行狀態，選取一最優充注量。測試部分繼續按照前面所描述的進行，有所區別的是因為此時已經確定高溫級制冷劑的充注量為750 g，為了著重看清低溫級制冷劑充注量不同對試驗箱整體性能的影響，主要關注復疊開啟后整個箱體的降溫速率和運行狀態，所以選取從箱內從0 ℃開始降溫至-70 ℃這一過程。

從圖6可以看出低溫級制冷劑充注量為400 g時其降溫速率明顯快于制冷劑充注量為350 g和450 g的。充注量為400g時，試驗箱內溫度從0 ℃降至-70 ℃所用降溫時間約為41分鐘，而350 g和450 g充注量所用的降溫時間分別為54分鐘和52分鐘，由此可見低溫級制冷劑充注量的多少對試驗箱整體的降溫速率影響很大。

圖6　低溫級制冷劑不同充注量的降溫速率對比圖

從圖7低溫級制冷劑不同充注量的吸排氣壓力對比圖中可以看出，制冷劑不同充注量對排氣壓力影響很大，對吸氣壓力影響很小。由圖可以得出當系統趨于穩定時，低溫級制冷劑充注量為450 g的排氣壓力高達1.46 MPa，而制冷劑充注量為400 g的排氣壓力為1.03 MPa，制冷劑充注量為350 g的排氣壓力為0.88 MPa。而制冷劑充注量450 g、400 g和350 g的吸氣壓力分別約為0.13 MPa、0.10 MPa和0.09 MPa，由此可見發現，制冷劑充注量的不同對壓縮機排氣壓力影響較大。

圖7　低溫級制冷劑不同充注量的壓縮機吸排氣壓力對比圖

從圖8可以看出，當最終系統趨于穩定時，三種充注量下的吸排氣溫度也趨于穩定，350 g制冷劑充注量的吸排氣溫度最終分別約為-47.0 ℃和95.0 ℃，400 g制冷劑充注量的吸排氣溫度最終分別約為-53.0 ℃和99.3 ℃，450 g制冷劑充注量的吸排氣溫度最終分別約為-75.3℃和100.3℃。

圖8　低溫級制冷劑不同充注量的壓縮機吸排氣溫度對比圖

綜合上述實驗結果來看，450 g制冷劑充注量的排氣壓力過高，吸氣溫度過低，長期運行會對壓縮機造成損害，而且在實驗過程中發現當充注量為450g時，壓縮機外殼嚴重結霜，這會對壓縮機性能有不利影響。350 g和400 g制冷劑充注量的壓縮機吸排氣溫度和壓力都相近，但是由圖7可以看出，400 g制冷劑充注量的降溫速率要明顯快于350 g，所以低溫級制冷劑充注量最終確定為400 g。

所以根據上述兩次實驗確定，高低溫試驗箱高溫級制冷劑R404A充注量確定為750 g，低溫級制冷劑R23充注量確定為400 g。

4　總結

制冷劑的充注量對高低溫試驗箱的性能及運行狀態有重大影響。本文對設計的一臺高低溫試驗箱進行了制冷劑充注量實驗。高低溫試驗箱高溫級和低溫級制冷劑充注實驗分開進行。首先在不改變低溫級制冷劑量的情況下，改變高溫級制冷劑充注量，以滿足高低溫試驗箱在較優的狀態下運行并得到高溫級制冷劑最優充注量。然后再進行低溫級的實驗，將高溫級制冷劑充注量控制不變，改變低溫級制冷劑充注量來使試驗箱有較好的運行狀態并得到低溫級制冷劑最優充注量。最終確定高低溫試驗箱復疊系統高溫級制冷劑充注量為750 g，低溫級制冷劑充注量為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，碩士。研究方向：制冷與低溫。聯系地址：上海市楊浦區軍工路516號上海理工大學北校區8宿舍413，郵編：200093。聯系電話：15921356886。Email：820844099@qq.com。