水浴實驗制冷工況下的水溫控制*

王 宏

（河南機電高等專科學(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453000）

水浴實驗中水溫控制是整個實驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1－2］，本市一家企業(yè)開發(fā)的水浴實驗臺，水溫范圍5～25℃，控制精度要求在0.5℃以內(nèi)。其中加熱工況下采用電加熱器，由于電加熱管蓄熱較小，即使采用溫控器，也可以收到良好效果;但在制冷工況下，放置在水槽底部的蒸發(fā)盤管，蒸發(fā)溫度小于0攝氏度，制冷時盤管外結(jié)冰，具有較大的蓄冷量，當(dāng)設(shè)備達(dá)到設(shè)定溫度停機時，冰層逐漸融化，水溫還要逐漸降低1～2℃，溫度處于失控狀態(tài)。針對此問題，提出了改進方案，并進行改造調(diào)試，取得了良好的控溫效果。

1 系統(tǒng)組成

制冷系統(tǒng)組成［3－4］由國內(nèi)某品牌分體式房間空調(diào)器KF－22室外機與設(shè)置在實驗水槽內(nèi)的蒸發(fā)盤管組成。室外機內(nèi)含有壓縮機、冷凝器、毛細(xì)管等制冷系統(tǒng)必要部件，只需匹配合適的蒸發(fā)器即可組成完整的制冷系統(tǒng)。另外，水槽內(nèi)設(shè)置小型射流水泵，使水槽內(nèi)的水能通過循環(huán)流動，增強水側(cè)換熱效果。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 改進方案分析

2.1 使用載冷劑系統(tǒng)間接冷卻

設(shè)置在水槽內(nèi)的制冷盤管使用載冷劑冷卻水槽內(nèi)的水，采用間接冷卻方式，將載冷劑(低于0℃時可用乙二醇水溶液)與制冷裝置的殼管式蒸發(fā)器進行熱交換，通過控制載冷劑的溫度不低于0℃，使水槽盤管表面避免出現(xiàn)結(jié)冰，在設(shè)定溫度下停機，就可以將蒸發(fā)器的蓄冷量隔離在水槽外，保證水槽內(nèi)水溫穩(wěn)定，改后的系統(tǒng)如圖2所示。

本方案控溫效果好，但要增加水泵與殼管式換熱器等，系統(tǒng)復(fù)雜，另外制冷系統(tǒng)采用間接冷卻，制冷裝置效率降低。對于本實驗臺，水槽尺寸(1250mm×410mm×290mm)及容水量(約100公斤)較小，需要的制冷量較小，制冷系統(tǒng)不宜復(fù)雜。

2.2 改進控溫方法

在制冷裝置方面采用自動化控溫設(shè)備，或在水溫控制方面采用修正調(diào)節(jié)參數(shù)等措施。水溫的控制參數(shù)設(shè)定高于要求值0.5℃，即要求5℃時，制冷裝置在5.5℃就停機，這樣在盤管外冰層蓄冷的作用下，水溫繼續(xù)下降1℃到4.5℃。這要求蓄冷量與水槽水容量比相對要小，影響水溫不大于1℃才可行。實際設(shè)計的水槽容積有限，換熱盤管表面積不易減少，本方案實行受到限制。

采用制冷自動控制部件控制盤管表面溫度，使其不低于0℃，避免出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，可以采用制冷系統(tǒng)中增加蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)閥等部件來實現(xiàn)。增加蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)閥，會降低制冷運行效率，控制盤管表面溫度，減少換熱溫差，延長降溫時間，反映在裝置上，制冷降溫的總體效果將較差。

提高系統(tǒng)配置等級，采用變頻空調(diào)器室外機，通過測定水槽盤管表面溫度與水體溫度，以及水體溫度變化率，實現(xiàn) PI或 PID 調(diào)節(jié)方式［5－6］，避免停機時盤管表面大量結(jié)冰現(xiàn)象，穩(wěn)定停機后水溫。此方法不能直接使用變頻空調(diào)控制模式，在軟硬件方面需要大量工作。

2.3 采用熱力融霜方式消除蓄冷量

在低溫冷庫制冷系統(tǒng)中往往采用熱力融霜的方式除去蒸發(fā)器表面的凝結(jié)霜層，因此可考慮采用熱氣除去蒸發(fā)盤管表面的冰層，減少冰層蓄冷對水槽內(nèi)水溫的干擾。

3 具體技術(shù)措施

水浴裝置中制冷系統(tǒng)主要由房間空調(diào)器室外機與蒸發(fā)盤管組成，房間空調(diào)器室外機集成了制冷系統(tǒng)中的壓縮機、冷凝器、節(jié)流機構(gòu)及控制部件等，只需合理配置蒸發(fā)盤管即可形成完整的制冷系統(tǒng)，造價低;減少壓縮機、冷凝器、節(jié)流機構(gòu)之間的配置的工作，簡單易行。

對室外機簡單改造就可實現(xiàn)“熱氣除冰”效果。但是，熱氣不能直接采用壓縮機排氣，排氣溫度在70℃ ～120℃范圍內(nèi)，溫度高，帶到水槽的熱量多，不易控制。由于制冷降溫到設(shè)定值時，制冷壓縮機停機，但冷凝器上部制冷劑溫度還在30℃ ～50℃之間，停機時冷凝器與蒸發(fā)盤管存在較大的壓力差，這時將冷凝器上部的氣體引到蒸發(fā)盤管內(nèi)進行除冰。具體技術(shù)措施是在冷凝器上部三分之一處設(shè)旁通管到蒸發(fā)盤管，旁通管上設(shè)常開電磁閥。當(dāng)制冷工作時，電磁閥關(guān)閉;當(dāng)壓縮機停機時，該閥打開，將冷凝器上部的熱氣旁通到蒸發(fā)盤管內(nèi)，消除冰層的蓄冷量，減少水溫的波動。改進后的系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 熱氣融冰改進示意圖

表1 不同環(huán)境溫度下水溫波動情況

4 改進后控溫效果

表1是環(huán)境溫度分別為20℃、24℃、28℃、32℃的廠房內(nèi)，在試驗臺設(shè)定水溫5℃情況下，制冷工況下停機后5分鐘內(nèi)波動值。改進后的多次運行水溫測試表明，停機后水溫波動最大值在0.2℃內(nèi)，達(dá)到試驗溫度恒溫要求，效果良好。

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