大型氣候實驗室高低溫模擬系統關鍵技術研究

劉海燕，馬建軍，吳相甫

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

大型氣候環境試驗室以全尺寸裝備為試驗對象[1-2]，可進行多種綜合氣候環境試驗[3-4]，如低溫、高溫、太陽輻照、淋雨、降雪、凍雨、凍霧等。實驗室重要組成部分之一是高低溫環境模擬系統，該系統的核心是由空氣處理系統和載冷/載熱系統，載冷劑通過空氣處理系統中的換熱器與空氣進行換熱實現實驗室-55~74 ℃的溫度環境[5-7]。為了實現-55~74 ℃寬溫域，選用AS-6和CH2CL2兩種載冷劑分別實現實驗室不同溫度段，其中，AS-6為中/高溫載冷劑，實現實驗室“-25~74 ℃”，其冷源為循環冷卻水和 R507蒸發器，熱源為電加熱器和蒸汽；CH2CL2為低溫載冷劑，實現實驗室“-55~-25 ℃”，其冷源為R23蒸發器，熱源為電加熱器。兩種載冷劑在循環風系統中有對應的換熱器，AS-6換熱器和CH2CL2換熱器在風道中串行布置[8]。無論是從冷源、熱源、制冷劑和載冷劑的選擇以及搭配方式看，還是從可行性、安全性、環保性和經濟性綜合分析看，獨立的載冷/載熱系統方案是比較理想的，而且，獨立的空氣處理系統方案也不存在技術缺陷。當把兩者結合在一起、換熱器以串聯模式串聯運行時，就會發現兩個系統耦合會帶來AS-6低溫結冰、CH2CL2高溫沸騰問題。如何解決這些問題，就成為大型氣候實驗室高低溫模擬系統的關鍵技術。為了使高低溫模擬系統方案在實驗室得到工程應用，就必須通過深入分析總體系統方案、理清問題、研究解決方案并驗證效果來完善方案[9]。

1 系統簡介

實驗室高溫和低溫環境模擬系統由載冷/載熱系統、空氣處理系統、冷源、熱源及外圍的供電、供氣和循環冷卻水組成，其核心為載冷/載熱系統和空氣處理系統。

鑒于體量巨大，大型氣候實驗室空氣處理系統通常由多個相同的單元并聯組成，每個單元配備一組載冷/載熱二次循環系統。各組載冷/載熱二次循環系統從一次循環系統取液、并聯運行，同時為對應的空氣處理系統單元提供冷/熱量。

1.1 載冷/載熱系統

大型氣候實驗室載冷/載熱系統包括 AS-6和CH2CL2兩個獨立系統。每個系統由一次循環系統和多個并聯的二次循環系統組成。

AS-6和 CH2CL2這兩個獨立的載冷/載熱系統的總體運行模式是相同的，即在一次循環系統中，載冷劑被冷卻或加熱后供二次循環使用，在二次循環中通過換熱器與空氣進行熱交換后回到一次循環系統再次被冷卻或加熱，如此連續運行。

1.1.1 AS-6系統

AS-6系統如圖1所示。一次循環系統主要由氮氣定壓罐、循環泵、R507蒸發器、AS-6/蒸汽板式換熱器、AS-6/冷卻水板式換熱器、閥門等設備組成；二次循環系統主要由循環泵、AS-6/空氣換熱器、管道電加熱器、調節閥等組成。系統中布置壓力、溫度和流量傳感器，用于控制和監測。

在該系統中，通過向定壓罐氮氣充壓/排放，將系統中的壓力維持在設定值。二次循環系統為恒流量設計，其配有旁通管路，通過調節回液閥和旁通閥的開度來調整一次循環中的取液量，進而調整換熱器中AS-6的入口溫度和送風溫度，實現室內溫度控制。

圖1 AS-6系統

1.1.2 CH2CL2系統

CH2CL2系統如圖 2所示。一次循環系統主要由膨脹罐、定壓泵、循環泵、R23蒸發器和閥門等組成；二次循環系統主要由循環泵、CH2CL2/空氣換熱器、管道電加熱器、調節閥等組成。該系統中同樣布置了壓力、溫度和流量傳感器，用于控制和監測。

該系統完全是閉式系統，通過定壓泵向定壓罐充液或抽液實現管道系統壓力控制。二次循環系統的工作原理與AS-6二次循環系統相同。

1.2 空氣處理系統

空氣處理系統由多個獨立、并聯運行的空氣處理機組構成，每個機組主要包括風機、風閥、換熱器、加濕器等設備組成，如圖3所示。空氣處理機組工作時，打開風閥F1和F2，風機定風量運行，將室內空氣送進風道進行溫濕度處理，然后送入室內。其中，在需要維持室內正壓或需要除濕時，補充新風；在需要加濕時，干蒸汽加濕器工作。

圖2 CH2CL2系統

圖3 氣候實驗室空氣處理機組

1.3 工作模式

載冷/載熱系統和空氣處理系統聯合運行，實現實驗室目標溫度。系統的工作模式由當前溫度和目標溫度共同決定，共有以下6種：需要通過降溫實現≥-25 ℃目標溫度時，AS-6換熱器工作，冷源來自R507或冷卻水；需要通過降溫實現-55~-25 ℃目標溫度時，CH2CL2換熱器工作，冷源來自R23；-55~-25 ℃的回溫，CH2CL2換熱器工作，熱源為CH2CL2管道內布置的電加熱器；-25 ℃~常溫的回溫，AS-6換熱器工作，熱源為AS-6管道內布置的電加熱器或循環冷卻水；需要通過升溫實現常溫~74 ℃目標溫度時，AS-6換熱器工作，熱源來自蒸汽；需要通過降溫實現74 ℃~常溫目標溫度時，AS-6換熱器工作，冷源來自R507或冷卻水。

2 系統分析

將載冷/載熱系統與空氣處理系統組合，便構成了氣候實驗室的高低溫環境模擬系統。逐一分析上述6種工作模式和實驗室的環境工況，會發現以下問題：

1）因為AS-6的冰點為-55 ℃，在CH2CL2換熱器工作實現-55~-25 ℃目標溫度時，循環風內的最低溫度會達到-60 ℃甚至更低，此時AS-6換熱器中的載冷劑會結冰，換熱器有脹裂風險。

2）因為 CH2CL2在標準大氣壓下的沸點為39.8 ℃，AS-6換熱器工作實現常溫~74 ℃的目標溫度時，循環風內的最高溫度會達到80 ℃甚至更高，將引發 CH2CL2蒸發使換熱器管內壓力超過 0.45 MPa，換熱器有爆管風險。

3）在實驗室溫度≤5 ℃時，無論使用 AS-6或CH2CL2，其溫度均會≤0 ℃，AS-6換熱器和CH2CL2換熱器結霜將不可避免。換熱器結霜會導致換熱效率降低[10-11]，嚴重結霜引起的風阻會導致循環風系統癱瘓。

只有從技術方案上徹底解決因載冷劑物性帶來的安全風險問題，采取有效的換熱器融霜措施，氣候實驗室的高低溫環境模擬系統方案才可以在工程上應用。

3 解決方案

通過對系統的深入分析，認識到在極端低溫工況，AS-6會冰點，其換熱器有脹裂風險；在極端高溫工況，CH2CL2會沸騰，其換熱器有爆管風險。從導熱系數、黏度、閃點、冰點等重要物理性能和環保性、經濟性等綜合評估，又沒有比 AS-6和 CH2CL2更優的載冷劑可供選擇。因此，必須立足于使用AS-6和CH2CL2，通過有效的技術方案解決問題，規避AS-6換熱器脹裂風險和CH2CL2爆管風險。為此，設計了兩套載冷劑輔助系統：在極端低溫工況，排空換熱器中的AS-6；在極端高溫工況，排空換熱器中的CH2CL2，需要時再重新給換熱器充注AS-6或CH2CL2。

為解決換熱器低溫結霜問題[12]，設計了內融霜與外融霜聯合的融霜方案[13]。融霜時停止二次循環，將換熱器接入內融霜循環管路，使用蒸汽板式換熱器對換熱器進行循環加熱融霜并使換熱器表面的水蒸發。同時啟用外融霜，利用室外空氣對換熱器進行吹掃進一步除濕，直到換熱器表面和風道內干燥，確保恢復低溫時換熱器不會快速結霜。

為了簡化系統管系，在設計時，將內融霜集成功能到載冷劑輔助系統中，通過閥門切換，實現排空、充注和內融霜功能。

3.1 AS-6輔助系統

在極端低溫工況進行氣候試驗前，將換熱器中的 AS-6排到 AS-6一次循環系統中。在需要 AS-6換熱器工作時，再將AS-6充注到AS-6換熱器中，規避 AS-6換熱器低溫脹裂風險。AS-6輔助系統如圖4所示。

圖4 AS-6輔助系統

AS-6排空流程：關閉電動閥 M1→打開電動閥K1和 K4，關閉 K2和 K3→打開電磁閥 D2、D3和D4，關閉 D1，運行泵 M1，同時充注氮氣以維持換熱器內壓力，使泵正常運行→當低位積液包的液位到達指定高度后，判定排空完成，然后關閉電磁閥D2、D3、D4和電動閥K1、K4，停止泵M。

AS-6充注流程：關閉電動閥M1→打開電動閥K2和K3，關閉K1和K3→打開電磁閥D2、D3和D4，關閉D1，運行載冷劑泵M，同時排出氮氣→當高位積液包的液位到達指定高度后，判定充注完成，然后關閉電磁閥D2、D3、D4和電動閥K1、K4，停止泵M。

AS-6換熱器內融霜流程：電動閥 M1關閉→電動閥 K3打開，K1、K2、K4關閉→電磁閥 D1、D2打開，D3、D4關閉，運行載冷劑泵，開啟蒸汽加熱器進行融霜。

3.2 CH2CL2輔助系統

在極端高溫工況進行氣候試驗前，將換熱器中的CH2CL2排到 CH2CL2一次循環系統中。在需要CH2CL2換熱器工作時，再將CH2CL2充注到CH2CL2換熱器中，規避CH2CL2換熱器高溫超壓爆管風險。CH2CL2排空/充注子系統如圖5所示。

CH2CL2與 AS-6輔助系統的區別在于：CH2CL2為閉式系統，不能用氮氣維持換熱器內壓力。在泵抽液過程中，會因為泵前壓力逐漸降低而使泵不能正常運行，無法徹底排空換熱器。因此，在換熱器上裝有壓力傳感器，通過監測壓力變化實時控制泵的啟停，確保管道壓力始終處在合理的范圍內。

CH2CL2排空流程：電動閥M1關閉→電動閥K1、K4打開，K2、K3關閉→電磁閥D2打開，D1關閉，運行泵M進行排空→當換熱器內壓力低至指定值時，關閉電磁閥D2，停止泵M。

CH2CL2充注流程：電動閥M1關閉→電動閥K2、K3打開，K1、K3關閉→電磁閥 D2打開，D1、D3關閉，運行泵M，進行充注。

CH2CL2換熱器內融霜：電動閥M1關閉→電動閥K3打開，K1、K2、K4關閉→電磁閥D1、D2打開，D3、D4關閉，運行泵，開啟管道電加熱器進行內融霜。

3.3 換熱器融霜方案

在 AS-6和 CH2CL2輔助系統中已經附帶介紹了換熱器內部融霜，在此僅對外部融霜作簡要說明。實現外部融霜需要在圖3所示的空氣處理單元AS-6換熱器的前端和CH2CL2換熱器的后端各加一個風閥F3和F4。外融霜時，關閉F1和F2，打開F3和F4，吹掃風由F3進、由F4出，將風道內的濕氣帶出風道即可。

圖5 CH2CL2輔助系統

以換熱器前后的壓差判斷換熱器是否需要融霜是可行的，但經過系統調試發現，綜合換熱器載冷劑進出溫差來判斷是否需要融霜更精確。以吹掃風的進出口溫度和持續時間作為融霜是否完成的判據，具體量值需要通過調試獲得。

3.4 系統方案完善與應用

通過在實驗室高低溫環境模擬系統中增加 AS-6和CH2CL2輔助系統，規避系統在極端溫度下存在的安全風險。在 AS-6和 CH2CL2輔助系統集成換熱器內融霜功能，與外融霜協同運行，解決換熱器結霜問題，從而使實驗室高低溫環境模擬系統得以完善，如圖6所示。圖6中的A1點為AS-6排空/充注子系統接入點（接圖4的A1點），A2點為CH2CL2排空/充注子系統（接圖5的A2點）。

圖6 高低溫環境模擬系統

目前這套高低溫環境模擬系統已成功應用于某大型綜合性氣候實驗室，可實現室內-55~74 ℃的溫度環境。AS-6輔助系統可以在20 min完成中高溫換熱器的排空和充注，CH2CL2輔助系統可以在高溫工況下將低溫換熱器內的壓力維持在不高于0.4 MPa，并在需要時20 min內將CH2CL2充注完成。降雪時室內濕度接近飽和，且有大量的冰晶通過回風管道進入空氣處理系統，導致換熱器較短時間內結霜。內融霜+外融霜的方式可以在短時間內將霜徹底除去，多套空氣處理系統輪流除霜則保證了降雪的持續性。圖7顯示了某次降雪調試后換熱器除霜過程中中高溫換熱器AS-6溫度和吹掃出風溫度的變化趨勢，實際上一旦AS-6溫度上升到0 ℃以上，霜即開始迅速融化，不到20 min即可完全融化，繼續升溫并輔以新風吹掃可以將換熱器徹底烘干。

圖7 融霜過程中AS-6和吹掃出風溫度變化

4 結語

分析氣候實驗室高低溫環境模擬系統，發現AS-6和 CH2CL2載冷/載熱系統存在的安全風險，以及在低溫下換熱器的結霜問題。設計了 AS-6和CH2CL2排空/充注子系統和內外結合的融霜方案，突破了解決上述問題的關鍵技術，完善了氣候實驗室高低溫環境模擬系統方案。該方案在氣候實驗室中得到了成功應用，采用的技術方案可以指導類似系統的設計。