高低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱用先進(jìn)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周默，胡斌*，王如竹，周賢

(1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-恭勤環(huán)境科技有限公司，上海 201306)

0 引言

目前國內(nèi)外的環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備已有多種不同的類別，并且覆蓋各種實(shí)驗(yàn)方法和需求。中國環(huán)境實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展相較國外起步較晚，國內(nèi)環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備中高端市場被德國偉思富奇、日本愛斯佩克和法國克萊梅公司生產(chǎn)的設(shè)備所主導(dǎo)。中國環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備自主研發(fā)品牌較少，總體技術(shù)水平相較國外存在一定差距。

同時(shí)我國環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備市場需求量巨大，作為GDP 每年都在不斷增長的實(shí)體經(jīng)濟(jì)大國，無論是食品加工、物流運(yùn)輸，還是電子材料軍工設(shè)備，各方各面都需要環(huán)境模擬技術(shù)作為產(chǎn)品可靠性測試的依據(jù)。在同樣的測試需求下，國外進(jìn)口的高端環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往更能打動(dòng)消費(fèi)者，我國自主研發(fā)多功能先進(jìn)精密環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備的需求迫在眉睫。

各類不同的環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱中以測試溫濕度變化的中小型箱為主，主要系統(tǒng)構(gòu)架為制冷加熱系統(tǒng)、濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)等。與空調(diào)系統(tǒng)類似，目前市場上的中小環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱采用壓縮式制冷的方式來降溫。盡管其已被廣泛應(yīng)用于住宅、商業(yè)建筑以及工業(yè)的供熱和制冷領(lǐng)域，但在寒冷氣候下運(yùn)行或在大蒸發(fā)冷凝溫差要求時(shí)它的效率會(huì)受到嚴(yán)重影響，比如結(jié)霜時(shí)性能衰減、壓縮機(jī)功耗大和排氣溫度過高等問題。為了更好的模擬極端環(huán)境，人們開發(fā)了幾種先進(jìn)的制冷技術(shù)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和提高性能，如多級(jí)壓縮循環(huán)、復(fù)疊循環(huán)、復(fù)合系統(tǒng)等等[1-4]。其中，復(fù)疊式系統(tǒng)得到了廣泛的關(guān)注以及應(yīng)用。復(fù)疊系統(tǒng)已被證明在建筑工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中擁有顯著提高性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）和冷卻/加熱空間的能力，以及在食品、飲料、木制品、制冰和存儲(chǔ)[5]等許多工業(yè)部門滿足大區(qū)間降溫冷卻的要求。

對(duì)于復(fù)疊系統(tǒng)的性能改進(jìn)，目前研究最多的是中間溫度的優(yōu)化選擇，不同的中間溫度組合可以得到不同的系統(tǒng)運(yùn)行工況。PARK 等[9]建立了以R134a和R410A 為制冷劑的復(fù)疊系統(tǒng)最佳中間溫度的熱力學(xué)模型。中間傳熱溫差越大，系統(tǒng)COP 和最優(yōu)中間溫度越低。KIM 等[10-11]的實(shí)驗(yàn)研究很好地驗(yàn)證了該建模方案的有效性。寧靜紅等[12]對(duì)R290/CO2復(fù)疊制冷進(jìn)行了理論分析，在蒸發(fā)溫度為-50 ℃以上時(shí)，分析最佳中間溫度及最佳質(zhì)量流量比，證明其在小型制冷系統(tǒng)中的可行性。

復(fù)疊系統(tǒng)的運(yùn)作需要兩種不同制冷劑，它們直接影響到系統(tǒng)運(yùn)作的性能。然而隨著蒙特利爾議定書通過了加速淘汰HCFCs 制冷劑的調(diào)整議案，應(yīng)用全球變暖潛值（Global Warming Potential，GWP）較小但物性更加接近的新型環(huán)保制冷劑對(duì)于一個(gè)產(chǎn)品的現(xiàn)在未來都非常重要[13]。其中霍尼韋爾研發(fā)的R448A 作為R404A 替代品中GWP 最低的新型制冷劑逐漸進(jìn)入大家的視野。MOTA-BABILONI等[14-15]和SETHI 等[16]從實(shí)驗(yàn)到理論評(píng)估了R448A與R404A 之間的性能差別。雖然R448A 的制冷量略低于R404A，但R448A 的能耗更小；R448A 的COP 高于R404A。

在理論計(jì)算和模擬方面，BHATTACHARYY等[17]對(duì)CO2-C3H8復(fù)疊制冷系統(tǒng)的換熱器的性能和成本設(shè)計(jì)進(jìn)行了數(shù)值分析和優(yōu)化。WU 等[18]設(shè)計(jì)了一種基于相變材料（Phase Change Materials，PCM）蓄熱的空氣源式復(fù)疊熱泵，并對(duì)該系統(tǒng)在各種不同的天氣條件工況下進(jìn)行了測試。ROH 等[19]將蒸氣噴射技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于復(fù)疊系統(tǒng)的高低溫級(jí)循環(huán)中進(jìn)行了測試。KIM 等[20]對(duì)R134a/R410A 復(fù)疊系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，以尋找最優(yōu)的制冷劑沖注量。CHAE 等[21]評(píng)估了高溫級(jí)制冷劑沖注量對(duì)復(fù)疊熱泵性能的影響。SONG 等[22-23]從實(shí)驗(yàn)和理論上分析比較了特定工況下，R134a/CO2復(fù)疊系統(tǒng)和R134a/CO2組合系統(tǒng)的性能。

對(duì)于環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備，根據(jù)不同冷負(fù)荷變化，調(diào)節(jié)系統(tǒng)制冷量使之與需求相匹配，從而做到對(duì)測試空間的溫度精準(zhǔn)控制十分關(guān)鍵。由于成本與空間等的限制，國內(nèi)中小型實(shí)驗(yàn)箱常常采用定頻的壓縮機(jī)。為了控制溫度的變化，從而頻繁啟停壓縮機(jī)會(huì)，影響系統(tǒng)壽命。同時(shí)帶來了開啟溫差的問題，溫度的傳遞具有延時(shí)性，從而導(dǎo)致測試空間的溫度波動(dòng)較大。

為了解決上述問題，盡可能提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。本文采用了狀態(tài)點(diǎn)法，在設(shè)計(jì)工況下，選擇環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱中比較常用的制冷劑以及R448A 新制冷劑，總共高低溫級(jí)各三種不同的制冷劑，研究它們互相組合對(duì)復(fù)疊制冷系統(tǒng)性能的影響，并得到各自相應(yīng)的最佳中間溫度。根據(jù)不同制冷需求，設(shè)計(jì)了單級(jí)、雙級(jí)（復(fù)疊）兩種制冷方式。冷量控制方面，在高低溫級(jí)都設(shè)計(jì)了旁通回路，同時(shí)輔助以冷凝熱回收補(bǔ)償。最后對(duì)于先進(jìn)復(fù)疊制冷系統(tǒng)在高低溫交變環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱中應(yīng)用的未來進(jìn)行了總結(jié)與展望。

1 研究對(duì)象分析

研究對(duì)象為一款高低溫實(shí)驗(yàn)箱，目標(biāo)是其技術(shù)指標(biāo)和性能等同或接近日本ESPEC、德國WEISS和法國Climats 同類產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。具體制冷需求設(shè)計(jì)指標(biāo)，見表1。

表1 測試空間制冷需求設(shè)計(jì)

復(fù)疊制冷系統(tǒng)通過放置在風(fēng)道中的蒸發(fā)器提供冷量，空氣循環(huán)系統(tǒng)通過風(fēng)機(jī)將冷量循環(huán)到測試區(qū)域進(jìn)行制冷，控制系統(tǒng)根據(jù)放置在測試空間以及制冷系統(tǒng)中的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集作為依據(jù)，進(jìn)一步反饋協(xié)調(diào)各個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)作。

2 設(shè)計(jì)工況和狀態(tài)點(diǎn)

制冷量需要根據(jù)箱體體積和降溫速率進(jìn)行計(jì)算，可以得到冷負(fù)荷約為2.3 kW，主要囊括了圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷損失、箱內(nèi)照明電機(jī)耗冷量、空氣降溫負(fù)荷和箱體結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷，具體計(jì)算方法參照《實(shí)用制冷工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》[24]、《小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)》[25]。

根據(jù)冷負(fù)荷大小以及蒸發(fā)過程前后的焓差，可得到制冷劑的質(zhì)量流量。REFPROP 是由NIST 研制開發(fā)國際權(quán)威的物性計(jì)算軟件，制冷劑各狀態(tài)物性參數(shù)是直接通過它調(diào)用的。制冷劑蒸發(fā)換熱溫差按照10 ℃設(shè)計(jì)運(yùn)行工況，所以蒸發(fā)溫度為-80 ℃，飽和蒸氣干度為1，得到蒸發(fā)壓力；假設(shè)壓縮過程等熵效率為0.75，冷凝溫度為50 ℃，飽和液體干度為0，可以得到冷凝壓力，假設(shè)節(jié)流膨脹過程絕熱，忽略相變過程壓力變化，那么除此之外只要確定中間換熱度和制冷劑，就可以確定所有狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)，以R23 和R448a 為例，低溫級(jí)蒸發(fā)溫度為-80 ℃，蒸發(fā)壓力為0.11 MPa，過熱度為10 ℃；高溫級(jí)冷凝溫度為50 ℃，冷凝壓力為2.27 MPa，過冷度為5 ℃；壓縮等熵效率為0.75；中間換熱傳熱溫差為5 ℃。

3 制冷劑組合和最佳中間溫度

不同高低溫級(jí)制冷劑的組合直接影響到復(fù)疊制冷系統(tǒng)的運(yùn)行情況。這里高低溫級(jí)制冷劑分別選擇了3 種進(jìn)行比較：R507A、R404A、R448A 和R13、R23、R508B，他們的物性參數(shù)見表2。

表2 高低溫制冷劑物性參數(shù)

其中，R507A 和R404A 是在環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備中比較常用的制冷劑，這兩者是R22的替代。而R448A是新一代低GWP 的商用制冷劑，比R404A 的GWP低了近60%多，是一種節(jié)能高效的非共沸混合制冷劑。近年來，在歐美、日本等地區(qū)逐漸推廣，在國內(nèi)應(yīng)用的還比較少。

確定了制冷劑組合之后，給定復(fù)疊系統(tǒng)的中間溫度便能確定整個(gè)制冷循環(huán)過程中每一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)。高低溫制冷劑一共9（3×3）種不同組合，計(jì)算每一種組合下，對(duì)應(yīng)的60 種不同中間溫度的工況（中間溫度從-30～0℃，每0.5 ℃取一個(gè)值），計(jì)算所對(duì)應(yīng)的制冷循環(huán)制冷量和高低溫級(jí)壓縮耗功，得到系統(tǒng)COP 的值。制冷量Q為低溫制冷劑質(zhì)量流量與蒸發(fā)過程前后焓差的乘積；低溫級(jí)壓縮功耗WL等于低溫制冷劑質(zhì)量流量與低級(jí)壓縮過程前后焓差的乘積；高溫級(jí)壓縮功耗WH等于高溫制冷劑質(zhì)量流量與高級(jí)壓縮過程前后焓差的乘積；制冷量Q除以高低溫級(jí)壓縮耗功之和WL+WH，可以得到系統(tǒng)COP。使用MATLAB 編程計(jì)算，在總共540 個(gè)算例中找到系統(tǒng)COP 最高的點(diǎn)，并以此作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)行工況。圖1所示為9 組制冷劑組合對(duì)應(yīng)中間溫度的系統(tǒng)COP。表3所示為每個(gè)制冷劑組合對(duì)應(yīng)的最優(yōu)中間溫度和對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)COP。圖1是總共540 算例中，每一個(gè)中間溫度對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)COP，可知在-30～0 ℃的區(qū)間，COP 隨中間溫度先增大后減小呈現(xiàn)一個(gè)峰值，所以當(dāng)蒸發(fā)冷凝溫度確定時(shí)，中間溫度的變化直接影響到系統(tǒng)COP 且存在一個(gè)最大值點(diǎn)即最優(yōu)中間溫度。結(jié)果表明，高溫制冷循環(huán)R448A 與低溫循環(huán)R23 組合在中間溫度為-23 ℃時(shí)，系統(tǒng)COP 最高。

圖1 9 組制冷劑組合對(duì)應(yīng)中間溫度的系統(tǒng)COP

表3 9 組制冷劑組合對(duì)應(yīng)的最佳中間溫度和系統(tǒng)COP

4 基于冷量動(dòng)態(tài)控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備，根據(jù)不同冷負(fù)荷變化，調(diào)節(jié)系統(tǒng)制冷量使之與需求相匹配，從而做到對(duì)測試空間的溫度精準(zhǔn)控制也是重中之重。由于成本與空間等的限制，國內(nèi)中小型實(shí)驗(yàn)箱常常采用定頻的壓縮機(jī)，而常見的調(diào)節(jié)方法有壓縮機(jī)啟停、控制節(jié)流閥開度和電加熱補(bǔ)償?shù)鹊取ｎl繁啟停壓縮機(jī)會(huì)影響系統(tǒng)壽命，同時(shí)還會(huì)帶來開啟溫差的問題，溫度的傳遞具有延時(shí)性，從而導(dǎo)致測試空間的溫度波動(dòng)。節(jié)流控制則引起吸氣壓力減小、排氣溫度升高等問題。電加熱補(bǔ)償利用冷熱對(duì)沖，不可避免產(chǎn)生額外的大量能源消耗。

4.1 雙模式運(yùn)行

為了解決以上問題，圖2所示為基于雙模式運(yùn)行的復(fù)疊制冷系統(tǒng)。

圖2 雙模式運(yùn)行

針對(duì)不同制冷需求，設(shè)計(jì)了兩種不同的工作模式：在室溫到-20 ℃測試需求時(shí)，單個(gè)壓縮機(jī)足以提供足夠的壓比和制冷量，采用單級(jí)制冷，即圖中關(guān)閉電磁閥1 打開電磁閥2，只運(yùn)行高溫級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)行制冷；在-70～-20℃制冷需求時(shí)，打開雙級(jí)壓縮機(jī)，同時(shí)打開電磁閥1 關(guān)閉電磁閥2，進(jìn)行復(fù)疊制冷。根據(jù)制冷需求，系統(tǒng)選擇開啟單級(jí)或雙級(jí)壓縮機(jī)，-20 ℃以上工況可節(jié)省一臺(tái)壓縮機(jī)的能耗。

4.2 冷量旁通

為了降溫速率以及制冷量可控，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了制冷劑旁通的方案進(jìn)行冷量控制。旁通支路從壓縮機(jī)出口分流一部分制冷劑，之后回流到蒸發(fā)器入口處，在蒸發(fā)器中混合，給系統(tǒng)提供了一個(gè)額外的負(fù)載，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制冷量的效果，同時(shí)也能提高系統(tǒng)回油性能。

系統(tǒng)中分別在高低溫級(jí)都設(shè)計(jì)了制冷劑旁通支路，使得在雙運(yùn)行模式下都能控制冷量旁通。單級(jí)制冷模式下，電磁閥1 和電磁閥3 關(guān)閉，電磁閥2 開啟，通過調(diào)節(jié)電磁閥4 占空比來控制旁通制冷劑的流量，起到制冷量調(diào)節(jié)的作用；復(fù)疊制冷模式下同理，電磁閥2 和電磁閥4 關(guān)閉，電磁閥1 開啟，調(diào)節(jié)電磁閥3 的占空比。

圖3 制冷劑旁通支路

4.3 冷凝熱回收

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了另一種冷凝熱回收利用的方法，即基于冷凝熱回收的冷量控制方法。在圖4系統(tǒng)中并聯(lián)了一個(gè)熱回收換熱器，在需要時(shí)打開電磁閥5，從高溫級(jí)冷凝器入口處分流一路制冷劑進(jìn)入冷凝熱回收換熱器中，同時(shí)控制電子膨脹閥開度來調(diào)節(jié)高溫制冷劑流量，從而補(bǔ)償過剩的冷量。該方法將一部分冷凝熱回收利用起來，在快速控溫時(shí)提供熱量來平衡多余的制冷量。回收利用冷凝熱的作用和電加熱補(bǔ)償相似但不產(chǎn)生額外耗功，同時(shí)可以合理節(jié)省冷凝器設(shè)計(jì)尺寸，是種很好的節(jié)能手段。

圖4 冷凝熱回收支路

4.4 多模式的耦合

將之前雙運(yùn)行模式、兩種基于旁通和冷凝熱補(bǔ)償?shù)睦淞靠刂品椒ㄒ约皬?fù)疊系統(tǒng)耦合起來設(shè)計(jì)出了圖5中的先進(jìn)復(fù)疊制冷系統(tǒng)。

圖5 多模式耦合先進(jìn)復(fù)疊制冷系統(tǒng)

該系統(tǒng)針對(duì)不同溫度區(qū)間擁有兩種運(yùn)行模式：單級(jí)制冷以及復(fù)疊（雙級(jí)）制冷模式；在冷量控制方面，結(jié)合了制冷劑旁通和冷凝熱回收兩種方案，冷凝熱補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)降溫速率的粗調(diào)節(jié)，而制冷劑旁通實(shí)現(xiàn)制冷量的細(xì)調(diào)節(jié)，整個(gè)系統(tǒng)不添加額外功耗，同時(shí)可以合理的節(jié)省冷凝器的設(shè)計(jì)尺寸大小。

5 結(jié)論與展望

本文研究了高低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱的極端工況下的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，使用狀態(tài)點(diǎn)法分析了高低溫各3種不同制冷劑組合對(duì)系統(tǒng)的影響，得到如下結(jié)論：

1）在蒸發(fā)溫度為-80 ℃、冷凝溫度為50 ℃工況下，復(fù)疊系統(tǒng)中間溫度在-30～0 ℃的區(qū)間，系統(tǒng)COP 先增大后減小；

2）高溫級(jí)制冷劑R448A 作為一種新型環(huán)保制冷劑，GWP 僅為R404A 的30%，并且其和R23 作為復(fù)疊系統(tǒng)制冷劑，系統(tǒng)COP 優(yōu)于其它組合；

3）相較于其他制冷劑組合，高溫制冷循環(huán)R448A 與低溫循環(huán)R23 組合在中間溫度為-23 ℃時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行性能最高，設(shè)計(jì)理論COP 最高為0.612；

4）本文還提出了一種不同于傳統(tǒng)啟停控制和電加熱補(bǔ)償?shù)膹?fù)疊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對(duì)不同溫度區(qū)間兩種模式的節(jié)能運(yùn)行方案，采用旁通和冷凝熱回收補(bǔ)償耦合的冷量控制方案，整個(gè)系統(tǒng)不添加額外功耗，可以合理節(jié)省冷凝器的設(shè)計(jì)尺寸大小，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排；

5）基于先進(jìn)復(fù)疊制冷系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)已經(jīng)處于測試階段，實(shí)驗(yàn)完成之后會(huì)從性能和效果兩個(gè)方面評(píng)估樣機(jī)，未來多功能先進(jìn)精密環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有巨大潛力。