大型氣候環(huán)境實驗室冷媒的分析選擇

張惠，劉海燕，李喜明，吳敬濤，馬建軍

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

大型氣候環(huán)境實驗室冷媒的分析選擇

張惠，劉海燕，李喜明，吳敬濤，馬建軍

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

目的選擇適用于大型氣候環(huán)境實驗室制冷系統(tǒng)的制冷劑和載冷系統(tǒng)的載冷劑。方法通過對氣候環(huán)境實驗室制冷系統(tǒng)和載冷系統(tǒng)的特性分析，提出制冷劑和載冷劑的選用原則。對常用制冷劑和載冷劑的物性分別進(jìn)行對比分析，綜合考慮環(huán)保性、制冷內(nèi)循環(huán)特性、循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)和空氣補償系統(tǒng)對冷媒的要求等因素優(yōu)選制冷劑和載冷劑。結(jié)果復(fù)疊制冷機組的高、低溫段制冷劑分別選用R507和R23，中高溫載冷劑選用AS-6，低溫載冷劑選用AST-30。結(jié)論提出的冷媒介質(zhì)選擇方案適用于大型氣候環(huán)境實驗室。

制冷劑；載冷劑；氣候環(huán)境實驗室；循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)；空氣處理系統(tǒng)

氣候環(huán)境是導(dǎo)致飛機故障的主要因素，氣候環(huán)境試驗已經(jīng)成為飛機在進(jìn)行復(fù)雜氣象條件試飛之前必須要進(jìn)行的一項地面驗證試驗[1]。氣候環(huán)境試驗用于評估飛行器武器系統(tǒng)在各種環(huán)境或極端自然環(huán)境條件下的有效性，且可預(yù)估其可承受的風(fēng)險水平[2]。由于室外進(jìn)行氣候環(huán)境試驗周期長、成本高，而且環(huán)境條件不可控，所以建立飛機氣候環(huán)境實驗室進(jìn)行室內(nèi)試驗勢在必行。氣候環(huán)境實驗室能夠模擬高溫、低溫、淋雨、降雪、太陽輻照、地面霧等多種氣候環(huán)境，且能模擬飛機發(fā)動機啟動或運行過程中遭遇的低溫、高溫、濕熱等氣候環(huán)境[3]。

氣候環(huán)境實驗室的溫度范圍為-55～74℃，由于實驗室所需要的試驗溫度范圍寬，不同試驗工況負(fù)荷變化很大，要求制冷系統(tǒng)的制冷量能在較大溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，考慮到實驗室的安裝及設(shè)計等要求，選擇復(fù)疊式制冷系統(tǒng)[4]與載冷系統(tǒng)聯(lián)合運行的制冷方式。

制冷系統(tǒng)中的制冷劑通過自身熱力狀態(tài)變化，實現(xiàn)制冷。載冷系統(tǒng)中的載冷劑作為氣候?qū)嶒炇夷芰枯斔偷妮d體，在整個能量傳遞過程中起著舉足輕重的作用[5]。制冷劑和載冷劑的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)涉及到環(huán)保性、設(shè)備對安裝空間的要求、系統(tǒng)的配置和運行的動力需求、初始投資成本等問題，并與制冷系統(tǒng)和載冷系統(tǒng)的方案密切相關(guān)，因此對制冷劑和載冷劑的選擇顯得尤為重要。制冷劑和載冷劑的制冷劑和載冷劑的選擇是一個需要綜合考慮多方因素的權(quán)衡過程。結(jié)合氣候?qū)嶒炇业慕ㄔO(shè)背景，分析不同制冷劑和載冷劑的物理及化學(xué)特性，選擇出適合大型氣候?qū)嶒炇业睦涿椒桨浮?/p>

1 總體制冷方案簡介

氣候環(huán)境實驗室選用復(fù)疊制冷系統(tǒng)與載冷系統(tǒng)聯(lián)合運行來實現(xiàn)實驗室的低溫需求，復(fù)疊制冷系統(tǒng)有2個初步的運行模式，每個模式要求運行的制冷機組及制冷劑不同。復(fù)疊制冷機組高溫級的蒸發(fā)溫度設(shè)計最低值為-40℃，可提供-35℃以上的載冷劑，將循環(huán)風(fēng)冷卻到-30℃以上，用于實現(xiàn)-25℃以上的實驗室溫度；復(fù)疊制冷機組低溫級的蒸發(fā)溫度最低值為-70℃，用于實現(xiàn)-55℃的最低實驗室溫度。

制冷劑的選擇包含高溫段制冷劑和低溫段制冷劑的選擇。載冷劑的選擇包括中高溫載冷劑和低溫載冷劑。冷媒的選擇除需依據(jù)制冷劑和載冷劑的物理性能和化學(xué)性能，考慮兩者的匹配性、初始投資成本、運行效率等因素外，還必須緊密結(jié)合制冷系統(tǒng)總體方案進(jìn)行權(quán)衡。

2 制冷劑的選擇

2.1 需要考慮的因素

制冷劑在制冷中循環(huán)流動，通過自身熱力狀態(tài)的不斷變化與載冷劑發(fā)生能量交換，載冷劑向空氣傳遞冷量，實現(xiàn)制冷。選擇制冷劑需要考慮的因素如下[6]：

1）冷凝壓力不能太高，蒸發(fā)壓力在常壓以上，壓力比適中；臨界溫度高，標(biāo)準(zhǔn)沸點低；絕熱指數(shù)要小，導(dǎo)熱系數(shù)要高，黏度和密度要小，傳熱性好，流動性好；單位制冷量大，循環(huán)的性能系數(shù)好。

2）化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性要好，在制冷循環(huán)中不分解、不變質(zhì)，無毒、不燃燒、不爆炸；對設(shè)備腐蝕性小。

3）臭氧層的衰減指數(shù)ODP和溫室效應(yīng)指數(shù)要小。

4）價格便宜，易于獲得。

2.2 常用制冷劑

兩級復(fù)疊制冷機組通常由高溫級和低溫級兩部分組成。用高/中沸點的制冷劑循環(huán)承擔(dān)高溫區(qū)段的制冷，用低沸點的制冷劑循環(huán)承擔(dān)低溫區(qū)段的制冷。高溫段制冷劑的蒸發(fā)和低溫段制冷劑的冷凝通過蒸發(fā)冷凝器實現(xiàn)。

在中低溫商用制冷系統(tǒng)中，目前應(yīng)用較多的高溫級制冷劑有R22、R404A、R507、氨、丙烷以及丙烯等，低溫段制冷劑有R13、R23、R508、乙烯、乙烷以及甲烷等。

R22，R404A，R507，R13，R23，R508等屬于氟利昂類制冷劑，通過人工合成方法制取[6]。乙烯、乙烷、甲烷、丙烷、丙烯屬于CH類制冷劑，氨與CH類制冷劑都屬于天然制冷劑。

天然制冷劑與合成的氟利昂制冷劑都有各自的優(yōu)缺點，分析結(jié)果見表1。氟利昂制冷劑在制冷與空調(diào)裝置中廣泛使用。氨通常在大型工業(yè)制冷中使用，CH類化合物的使用范圍較小。

2.3 選擇權(quán)衡

實驗室的復(fù)疊制冷系統(tǒng)高溫級最低蒸發(fā)溫度為-40℃，低溫級最低蒸發(fā)溫度為-70℃。氨的標(biāo)準(zhǔn)沸點為-33.3℃，毒性大，易燃，所以實驗室不選擇氨作為高溫級制冷劑。由于碳?xì)浠衔锏娜急院軓?，考慮到在實驗室進(jìn)行發(fā)動機開車試驗，會有明火以及高溫，所以排除使用碳?xì)浠衔?。因此，用在氣候環(huán)境實驗室的制冷劑只能從氟利昂類中進(jìn)行選擇。

表1 不同類型制冷劑的優(yōu)缺點分析Table 1 Advantages and disadvantages of different refrigerants

R404A屬于三元近共沸混合制冷劑[7]，其滑移溫度為0.677℃，且換熱性能不及R507好，所以中溫制冷劑考慮R22或者R507。由于R23的最低蒸發(fā)溫度為-82℃，且-70℃時，蒸發(fā)壓力為193 kPa，可以保證系統(tǒng)在微正壓下運行，因此選擇R23作為低溫制冷劑。

根據(jù)氣候?qū)嶒炇覝囟戎笜?biāo)，通過與國際知名制冷設(shè)備供應(yīng)商進(jìn)行技術(shù)交流，認(rèn)為實驗室制冷劑較合適的選擇組合是R22/R23或者R507/R23，兩種組合都能保證-55℃的溫度指標(biāo)。R22/R23或者R507/R23復(fù)疊制冷系統(tǒng)均可實現(xiàn)-80℃以上溫度，能覆蓋該實驗室的低溫范圍。

R22與R507基本的物性參數(shù)見表2，通過比較兩者的物性參數(shù)，分析得出選擇R22或者R507作為中溫制冷劑的優(yōu)缺點如下所述。

1）安全性。在復(fù)疊制冷機組中，高溫級制冷劑的最低蒸發(fā)溫度為-40℃，此時R22的蒸發(fā)壓力為105.23 KPa，R507的蒸發(fā)壓力為138.66 KPa。采用R507制冷系統(tǒng)的壓縮機功耗小。

2）標(biāo)準(zhǔn)沸點。根據(jù)表2，R22的標(biāo)準(zhǔn)沸點為-40.81℃，R507的標(biāo)準(zhǔn)沸點為-47.1℃，考慮到復(fù)疊制冷機組的高溫級最低蒸發(fā)溫度為-40℃，采用R507能夠有更大的余量。

3）效率性。文獻(xiàn)[8]指出，在相同的壓縮機及相同運行工況下，R507機組的制冷量比R22機組大。在環(huán)境溫度較低時，R507A機組的效率比R22略高。

4）經(jīng)濟性。目前性能最好的中低溫制冷劑是R22，而且市場價格便宜。

5）環(huán)保性。根據(jù)表2，R22的ODP值為0.055，對大氣臭氧層有破壞作用，屬于《蒙特利爾協(xié)議定書》規(guī)定的要淘汰物質(zhì)，中國目前也正在加快淘汰R22。

經(jīng)過R22與R507的綜合比較分析，采用R507/R23復(fù)疊制冷系統(tǒng)可保證實驗室溫度指標(biāo)，而且安全性高、效率高，在環(huán)保性能方面可以接受，但是經(jīng)濟性略差。蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)隨著使用年限的增長，制冷能力會有不同程度的衰減。因此該實驗室在制冷系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮部分裕量，以確保實驗室在設(shè)計壽命期間能保證-55℃溫度指標(biāo)。因此，實驗室采用R507/R23復(fù)疊制冷系統(tǒng)是合適的。

表2 R22與R507的基本物性[9—10]Table 2 Basic properties of R22 and R507

3 載冷劑的選擇

3.1 運行方式

當(dāng)在氣候環(huán)境實驗室中進(jìn)行飛機發(fā)動機開車試驗時，需消耗大量冷/熱空氣，同時還產(chǎn)生大量高溫氣體，這會導(dǎo)致室內(nèi)溫度急劇上升，因此需及時向室內(nèi)補充冷/熱空氣，使室內(nèi)溫度處于恒定狀態(tài)。如采用直接制冷或直接蒸汽加熱室外空氣進(jìn)行補氣，滿足不了實驗室在短時間內(nèi)處理大量空氣所需要的冷量或熱量，需要采用載冷劑來進(jìn)行蓄冷或者蓄熱。為了便于控制，所以在氣候環(huán)境實驗室的循環(huán)風(fēng)處理單元、發(fā)動機開車空氣補償單元中都采用載冷劑來向空氣傳遞冷量或者熱量[11—13]。

載冷劑在實驗室的循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)[14]（AHU）和發(fā)動機開車空氣補償系統(tǒng)（JMAU）中的運行如圖1所示，功能見表3。實驗室的循環(huán)風(fēng)通道采用并聯(lián)方式，載冷劑在A通道和B通道運行方式相同。當(dāng)試驗要求室內(nèi)工況溫度為-25℃以上，且實驗室進(jìn)行負(fù)溫試驗（實驗室試驗溫度低于外界環(huán)境溫度）時，載冷劑A將復(fù)疊制冷系統(tǒng)高溫級R507的冷量輸送到循環(huán)風(fēng)處理單元（AHU）或發(fā)動機開車空氣補償單元（JMAU）的制冷換熱器，用于冷卻循環(huán)風(fēng)或補償空氣。實驗室進(jìn)行正溫試驗（實驗室試驗溫度高于外界環(huán)境溫度）時，將蒸汽熱量輸送到AHU或JMAU中的加熱換熱器，用于加熱環(huán)境室送風(fēng)或補償空氣。在室內(nèi)要求工況溫度為-55～-25℃時，載冷劑B將復(fù)疊制冷系統(tǒng)低溫級R23的冷量輸送到循環(huán)風(fēng)處理單元（AHU）或發(fā)動機開車空氣補償單元（JMAU）中的制冷換熱器，用于冷卻環(huán)境室送風(fēng)或補償空氣。

圖1 載冷劑在循環(huán)風(fēng)處理單元和發(fā)動機開車補氣單元中的運行Fig.1 The flow of the secondary-refrigerants in AHU and JMAU

表3 載冷劑在實驗室AHU和JMAU中的功能Table 3 The function of the secondary-refrigerants in AHU and JMAU

3.2 氣候?qū)嶒炇疫x擇載冷劑需要考慮的因素

載冷劑以液態(tài)在蒸發(fā)器與用冷場所的冷卻器之間循環(huán)，通過顯熱傳輸冷量。載冷劑的選擇將會影響換熱器的選型以及泵的大小。

根據(jù)氣候?qū)嶒炇业妮d冷劑運行方式，氣候?qū)嶒炇疫x用兩種載冷劑，與復(fù)疊機組的制冷劑進(jìn)行熱交換的中高溫載冷劑A和低溫載冷劑B。氣候?qū)嶒炇疫x用的載冷劑應(yīng)具備如下性質(zhì)[15]。

1）由于實驗室要進(jìn)行發(fā)動機開車點火試驗，尾噴管溫度高達(dá)300℃以上，而且有明火，所以載冷劑選擇無閃點型。

2）載冷劑的凝固溫度至少比制冷劑的蒸發(fā)溫度低4～8℃，氣候?qū)嶒炇业膹?fù)疊制冷機組高溫級的蒸發(fā)溫度為-40℃，所以中高溫載冷劑A的凝固溫度應(yīng)低于-45℃。載冷劑A在進(jìn)行載熱時，需要承受的最高溫度為95℃，所以載冷劑A的沸點應(yīng)該高于100℃。氣候?qū)嶒炇业膹?fù)疊制冷機組低溫級的蒸發(fā)溫度為-70℃，所以低溫載冷劑B的凝固溫度應(yīng)低于-74℃。

3）實驗室的試驗工況較多，所需要的溫度不盡相同，載冷劑在不同使用溫度工況下，導(dǎo)熱系數(shù)要大，黏度要小，比熱容要大。高低溫交變時，載冷劑的物性不發(fā)生變化。

4）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無毒、不燃、不爆，價格低廉，易于獲得。

3.3 氣候?qū)嶒炇逸d冷劑的選擇

根據(jù)中溫載冷劑A的選擇要求，中溫載冷劑在AS-6，HC-40以及RH-8之間進(jìn)行選擇。這三種載冷劑均無閃點，AS-6的冰點為-55℃，使用溫度范圍為-50～100℃；HC-40的冰點為-40℃，使用溫度范圍為-40～218℃；RH-8的冰點為-62℃，使用溫度范圍為-60～115 ℃。AS-6，HC-40，RH-8在使用溫度-40～80℃的物性參數(shù)見表4?？梢钥闯?，在-40℃時，RH-8的黏度比較大，管內(nèi)流動阻力很大，增加泵的功耗，所以排除RH-8。HC-40冰點為-40℃，在實驗室工況為-25℃，要求的載冷劑冰點在-44℃以下，而且HC-40采購比較復(fù)雜，價格昂貴。綜合分析，選擇AS-6作為中高溫載冷劑。

低溫載冷劑B在二氯甲烷或者AST-30（改性的二氯甲烷）之間進(jìn)行選擇，二氯甲烷與AST-30的物性參數(shù)比較見表5。在相同溫度下，二氯甲烷與AST-30的黏度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱相差不大，但是二氯甲烷中的微量水，在極低溫度下會析出，在蒸發(fā)器表面形成一層冰膜，導(dǎo)致熱量換不出來，制冷劑效率低下。AST-30中添加防水劑、穩(wěn)定劑，可以防止二氯甲烷吸水后的冰堵現(xiàn)象，所以選擇AST-30為低溫載冷劑。

表4 AS-6，HC-40，RH-8的基本物性參數(shù)的比較Table 4 Comparison of basic properties of AS-6,HC-40 and RH-8

表5 二氯甲烷與AST-30的物性參數(shù)的比較Table 5 Comparison of properties of methane chloride and AST-30

4 結(jié)論

文中主要對大型氣候環(huán)境實驗室制冷系統(tǒng)的制冷劑和載冷系統(tǒng)的載冷劑進(jìn)行了選擇分析。大型氣候環(huán)境實驗室采用R507作為中溫制冷劑，R23作為低溫制冷劑。采用這兩種制冷劑的復(fù)疊制冷系統(tǒng)制冷效率高，能夠滿足實驗室在不同試驗溫度下的冷量需求，實現(xiàn)實驗室的溫度指標(biāo)。

氣候環(huán)境實驗室選用的載冷劑有中高溫載冷劑為AS-6，低溫載冷劑為AST-30。這兩種載冷劑可以滿足實驗室循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)的載冷需求也可以滿足實驗室發(fā)動機開車空氣補償系統(tǒng)對蓄冷的需求。AST-30可以避免換熱器的冰堵現(xiàn)象，而且這兩種載冷劑黏度小、比熱大、導(dǎo)熱系數(shù)大，根據(jù)載冷劑的性質(zhì)可以設(shè)計合理的換熱器。

文中的選擇分析對同類大型氣候環(huán)境實驗室制冷系統(tǒng)的制冷劑和載冷劑的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

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Analysis and Selection of Refrigerants Used in the Large Climatic Environmental Test Facility

ZHANG Hui，LIU Hai-yan，LI Xi-ming，WU Jing-tao，MA Jian-jun
（Aircraft Strength Research Institute of China，Xi′an 710065，China）

ObjectiveTo select the refrigerants and secondary-refrigerants suitable for the large climatic environmental test facility.MethodsThe selection principle of the refrigerants and secondary-refrigerants was proposed based on the analysis of characteristics of cooling systems in climatic environmental test facility.The properties of common refrigerants and secondary-refrigerants were comparatively analyzed,and the optimization of the refrigerants scheme was conducted considering the environmental friendliness,the refrigeration inner-circulating characteristics,the requirements of the cycle air system and the makeup air system.ResultsR507 and R23 were selected as the refrigerants for the high-and low-temperature sections of the cascade system,respectively,AS-6 was selected as the medium- and high-temperature secondary-refrigerant,while AST-30 was selected as the low-temperature secondary-refrigerant.ConclusionThe scheme of the refrigerants proposed in this paper was applicable to the large climatic environmental facility.

refrigerants；secondary-refrigerants；climatic environmental test facility；cycle air system；makeup air system

2014-12-05；

2015-01-14

2014-12-05；

2015-01-14

張惠（1988—），女，湖北天門人，碩士，助理工程師，主要研究方向為氣候環(huán)境試驗。

Biography：ZHANG Hui（1988—），F(xiàn)emale，from Tianmen，Hubei，Master，Assistant engineer，Research focus：climate environment test.

10.7643/issn.1672-9242.2015.02.022

TJ05

A

1672－9242（2015）02－0104-06