綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室載冷劑方案選擇研究

劉坤，張保軍，岳磊，緱宇翔，馬東利，王騰浩

（中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072）

綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室載冷劑方案選擇研究

劉坤，張保軍，岳磊，緱宇翔，馬東利，王騰浩

（中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072）

目的 為綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室集中冷源選擇適用、合理的載冷劑方案。方法 通過(guò)對(duì)試驗(yàn)室制冷需求進(jìn)行分析，制定試驗(yàn)室制冷系統(tǒng)方案。對(duì)載冷劑運(yùn)行原理進(jìn)行分析，得到綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室載冷劑使用工況和需要考慮的因素。最后綜合分析和對(duì)比常用載冷劑的物性參數(shù)，總結(jié)出適用于綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室集中冷源的載冷劑方案。結(jié)果 中溫機(jī)組的載冷劑選擇Dynalene HC-50。結(jié)論 選擇的載冷劑適用于綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室集中冷源載冷劑系統(tǒng)的使用工況，方案合理。

綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室；集中冷源；載冷劑

隨著我國(guó)武器裝備的快速發(fā)展，各軍工行業(yè)對(duì)地面車輛的需求迫切，不同功能、不同任務(wù)需求的地面車輛大量研制，武器裝備的研制周期明顯縮短，裝備環(huán)境適應(yīng)性和可靠性越來(lái)越高，氣候環(huán)境模擬試驗(yàn)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在武器研制過(guò)程中的地位也越來(lái)越高[1]。環(huán)境模擬試驗(yàn)是考核產(chǎn)品耐環(huán)境能力的主要手段，通過(guò)選擇和設(shè)置一些環(huán)境條件，盡可能真實(shí)地再現(xiàn)產(chǎn)品在任務(wù)環(huán)境中的一些環(huán)境因素及使用方式，從而確定產(chǎn)品能否在預(yù)期使用環(huán)境中能夠有效可靠的工作，最終確定產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力[2]。

近幾年，隨著各種新型裝備的研制，航天、兵器、總后等多家單位先后建成了環(huán)境模擬試驗(yàn)室，民用汽車領(lǐng)域也建設(shè)了很多小型環(huán)境模擬試驗(yàn)艙和環(huán)境模擬試驗(yàn)室[3]。因此為考核地面車輛和裝備而建立能夠模擬低溫、高溫、濕熱、高原、降水、降雪、砂塵等多種環(huán)境因素的綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室。整個(gè)試驗(yàn)室由集中冷源供應(yīng)試驗(yàn)室降溫所需的冷量，并由載冷劑系統(tǒng)進(jìn)行輸送，文中即討論適用于綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室的載冷劑方案。

1　試驗(yàn)室制冷需求分析

綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室由四個(gè)互相獨(dú)立的環(huán)境模擬單元組成，可以進(jìn)行大型武器裝備、地面車輛和工程機(jī)械在綜合環(huán)境下的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。四個(gè)單元包括高原環(huán)境模擬試驗(yàn)單元、綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)單元、砂塵模擬試驗(yàn)單元、降水模擬試驗(yàn)單元。其中高原環(huán)境模擬試驗(yàn)單元可以進(jìn)行高溫、低溫環(huán)境下車輛動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)，其環(huán)境溫度范圍為-45～70 ℃；綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)單元可以進(jìn)行高溫、低溫、濕熱、太陽(yáng)輻射條件下的車輛靜態(tài)貯存和工作試驗(yàn)，其環(huán)境溫度范圍為-60～70 ℃；砂塵模擬試驗(yàn)單元可以進(jìn)行吹砂、吹塵試驗(yàn)，其環(huán)境溫度范圍為20～70 ℃；降水模擬試驗(yàn)單元可以進(jìn)行降雨、降雪、積冰、凍雨試驗(yàn)，其環(huán)境溫度范圍為-20～70 ℃。四個(gè)單元相互獨(dú)立，共用一套制冷系統(tǒng)作為集中冷源[4]。

因文中主要對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行分析，這里只關(guān)注各試驗(yàn)單元低溫極值。為適應(yīng)不同試驗(yàn)單元不同溫度范圍的制冷需要，將各單元試驗(yàn)溫度范圍劃分為常溫段（20～-70 ℃）、中溫段（-45～20 ℃）和低溫段（-60～-45 ℃），三個(gè)溫度段分別配備制冷系統(tǒng)提供冷源。

2　制冷系統(tǒng)方案的制定

2.1 制冷系統(tǒng)方案

綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室的試驗(yàn)溫度范圍為-60～70 ℃，試驗(yàn)溫度范圍寬，且四個(gè)試驗(yàn)單元試驗(yàn)溫度范圍不同，不同試驗(yàn)工況對(duì)制冷系統(tǒng)負(fù)荷的需求相差很大，考慮到僅有綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)單元的試驗(yàn)溫度范圍覆蓋低溫段，且試驗(yàn)頻次較低，如果選擇一套制冷機(jī)組同時(shí)覆蓋低溫段和中溫段，對(duì)制冷機(jī)組的要求很高。復(fù)疊制冷系統(tǒng)轉(zhuǎn)為超低溫制冷需求設(shè)計(jì)，低溫和高溫兩個(gè)制冷循環(huán)可以保證系統(tǒng)長(zhǎng)期高效穩(wěn)定運(yùn)行[5]；雙級(jí)制冷系統(tǒng)應(yīng)用于低溫制冷工況，特別是-55～-40 ℃蒸發(fā)溫度段，具有較大優(yōu)勢(shì)，比復(fù)疊制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)潔易于控制，占地面積小，比單級(jí)系統(tǒng)制冷效率高，運(yùn)行成本低。因此選擇采用一套復(fù)疊制冷機(jī)組和一套雙級(jí)制冷機(jī)組分別用于低溫段和中溫段[6]。

其中復(fù)疊制冷機(jī)組高溫級(jí)制冷劑選擇 R507，低溫級(jí)制冷劑選擇R23，制冷壓縮機(jī)選擇螺桿壓縮機(jī)，R23低溫時(shí)飽和壓力較高，R507高溫時(shí)飽和壓力低。這兩種制冷劑配組組成復(fù)疊系統(tǒng)，能使低溫和高溫兩個(gè)制冷循環(huán)運(yùn)行于合適的工作條件，冷凝壓力/蒸發(fā)壓力比適中，保證系統(tǒng)能長(zhǎng)期高效穩(wěn)定提供低溫制冷能力。雙級(jí)制冷機(jī)組制冷劑選擇R507[7]，制冷壓縮機(jī)選擇螺桿壓縮機(jī)[8]。復(fù)疊制冷機(jī)組用于綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)單元進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)，冷卻循環(huán)空氣，試驗(yàn)環(huán)境溫度最低為-60 ℃。雙極制冷機(jī)組用于高原環(huán)境模擬試驗(yàn)單元、綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)單元進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)，冷卻循環(huán)空氣，試驗(yàn)環(huán)境溫度最低為-45 ℃；同時(shí)用于淋雨模擬試驗(yàn)單元進(jìn)行積冰、凍雨試驗(yàn)時(shí)，冷卻循環(huán)空氣，試驗(yàn)環(huán)境溫度最低為-20 ℃。

在確定了制冷機(jī)組的選擇方案后，需要考慮制冷機(jī)組的制冷方式，常見(jiàn)的制冷方式包括直接制冷和間接制冷兩種。直接制冷方式下，制冷劑通過(guò)位于循環(huán)風(fēng)道內(nèi)的蒸發(fā)器直接冷卻循環(huán)風(fēng)，達(dá)到降低試驗(yàn)間內(nèi)溫度的目的；間接制冷則是通過(guò)載冷劑系統(tǒng)與制冷劑進(jìn)行換熱，輸送冷量至循環(huán)風(fēng)道內(nèi)的換熱器與循環(huán)風(fēng)進(jìn)行換熱，達(dá)到間接降低試驗(yàn)間內(nèi)溫度的目的[9—10]。在高原環(huán)境模擬試驗(yàn)單元中，配備有轉(zhuǎn)鼓測(cè)功機(jī)和履帶測(cè)功機(jī)，可以進(jìn)行最大1200 kW輪式、履帶車輛的全負(fù)荷加載試驗(yàn)。在綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)單元和淋雨模擬試驗(yàn)單元中也會(huì)進(jìn)行怠速或空載高轉(zhuǎn)速工作試驗(yàn)，這要求制冷系統(tǒng)具備較快的冷量調(diào)節(jié)能力，以處理試驗(yàn)中迅速產(chǎn)生的熱負(fù)荷對(duì)環(huán)境溫度的影響，同時(shí)還要保證環(huán)境試驗(yàn)中對(duì)溫度均勻性的嚴(yán)苛要求。如果使用直接制冷對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，無(wú)法滿足短時(shí)間內(nèi)試驗(yàn)間熱負(fù)荷增加帶來(lái)的冷量需求，且蒸發(fā)器面積過(guò)大導(dǎo)致的溫度不均勻，會(huì)直接影響到試驗(yàn)室內(nèi)溫度的均勻性，因此中溫段制冷機(jī)組采用載冷劑系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冷量的蓄冷，易于實(shí)現(xiàn)溫度控制[11—12]。

低溫段制冷機(jī)組主要用于綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)單元進(jìn)行低溫貯存試驗(yàn)時(shí)的制冷需求。進(jìn)行低溫貯存試驗(yàn)時(shí)，被試件處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，本身不產(chǎn)生熱負(fù)荷，對(duì)環(huán)境溫度影響很小，因此低溫段制冷機(jī)組可以采用直接制冷或間接制冷的方式，選擇何種制冷方式主要取決于載冷劑的選擇。

2.2 載冷劑運(yùn)行原理分析

載冷劑系統(tǒng)運(yùn)行的原理如圖1所示，載冷劑管道連接主制冷系統(tǒng)出入口和空氣熱交換器，形成載冷劑二次回路，二次回路中載冷劑通過(guò)載冷劑換熱器與制冷系統(tǒng)一次回路中的制冷劑進(jìn)行換熱，通過(guò)比例調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)載冷劑定流量，變溫度控制，保證試驗(yàn)間內(nèi)環(huán)境溫度穩(wěn)定下降。管道加熱器用于加熱二次回路中載冷劑，用于高溫、高濕試驗(yàn)或平衡低溫試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度。這就要求載冷劑可以滿足低溫段和中溫段制冷需求的同時(shí)滿足高溫試驗(yàn)加熱的需求。

圖1 載冷劑系統(tǒng)運(yùn)行原理Fig.1 The principle diagram of refrigerants system

3　載冷劑的選擇

3.1 考慮的因素

根據(jù)綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和制冷方式，需選擇兩種載冷劑分別用于低溫段復(fù)疊制冷系統(tǒng)和中溫段雙級(jí)制冷系統(tǒng)。用于環(huán)境試驗(yàn)室的載冷劑系統(tǒng)不同于工業(yè)用制冷系統(tǒng)載冷劑，需考慮以下因素[13—15]。

1）綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室各單元均需要進(jìn)行被試車輛的怠速或高轉(zhuǎn)速空載工作試驗(yàn)，特別是高原環(huán)境模擬試驗(yàn)單元需要進(jìn)行全負(fù)荷加載試驗(yàn)。被試車輛排煙口溫度高達(dá)600～800 ℃，且尾氣中伴隨明火，因此載冷劑需考慮可燃性，選擇高閃點(diǎn)或無(wú)閃點(diǎn)型。

2）環(huán)境試驗(yàn)室內(nèi)因試驗(yàn)需要常有試驗(yàn)測(cè)試人員進(jìn)出，為保證人員安全，載冷劑應(yīng)選擇安全、無(wú)毒或微毒型。

3）載冷劑物性參數(shù)對(duì)載冷劑泵和空氣換熱器的設(shè)計(jì)選型影響很大，定壓比熱大、運(yùn)動(dòng)黏度小、導(dǎo)熱系數(shù)大的載冷劑有利于載冷劑泵和空氣換熱器的經(jīng)濟(jì)選型，降低購(gòu)置成本和運(yùn)行成本。

4）根據(jù)制冷系統(tǒng)和氣流組織設(shè)計(jì)要求，在進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)，載冷劑出液溫度應(yīng)比循環(huán)風(fēng)出風(fēng)溫度低 5 ℃，循環(huán)風(fēng)出風(fēng)口溫度比設(shè)計(jì)環(huán)境溫度低5 ℃，因此用于低溫段的載冷劑冰點(diǎn)應(yīng)低于-70 ℃，用于中溫段的載冷劑冰點(diǎn)應(yīng)低于-55 ℃，才能載冷劑系統(tǒng)正常工作。同理，在進(jìn)行高溫試驗(yàn)時(shí)，載冷劑出液溫度應(yīng)高于設(shè)計(jì)環(huán)境溫度10 ℃，中溫段載冷劑既用于中溫段制冷，同時(shí)用于高溫試驗(yàn)升溫，因此中溫載冷劑沸點(diǎn)應(yīng)高于80 ℃。

3.2 載冷劑的對(duì)比

綜合載冷劑選擇需考慮因素，結(jié)合試驗(yàn)室使用現(xiàn)狀，確定二氯甲烷、陶氏化學(xué) Dowtherm-J、Dynalene HF-LO和Dynalene HC-50四種載冷劑。各載冷劑使用溫度范圍見(jiàn)表1。

表1 各載冷劑使用溫度范圍Table 1 Temperature range of refrigerants

由表1可知，適用于低溫段載冷劑包括二氯甲烷、陶氏化學(xué)Dowtherm-J和Dynalene HF-LO；適用于中溫段載冷劑包括陶氏化學(xué) Dowtherm-J、Dynalene HF-LO和Dynalene HC-50。

由表 2可知，低溫段載冷劑中二氯甲烷無(wú)閃點(diǎn)，但遇高濃度氧氣混合，強(qiáng)加熱下會(huì)產(chǎn)生爆炸，且二氯甲烷在高溫下易分解為劇毒光氣，對(duì)試驗(yàn)人員危害較大。二氯甲烷雖不參與高溫升溫工作，但在高溫試驗(yàn)時(shí)，低溫段空氣換熱器中存在的二氯甲烷易受熱分解。

表2 各載冷劑閃點(diǎn)、冰點(diǎn)和毒性Table 2 Flash point/Freezing point and toxicity of refrigerants

中溫段載冷劑應(yīng)無(wú)閃點(diǎn)或高閃點(diǎn)，除Dynalene HC-50為水基載冷劑外，Dynalene HF-LO和陶氏化學(xué)Dowtherm-J均為油基載冷劑，閃點(diǎn)較低。當(dāng)遇到高溫氣體或明火時(shí)，如出現(xiàn)載冷劑泄漏，會(huì)引起燃燒或爆炸，因此中溫段載冷劑應(yīng)首先考慮Dynalene HC-50。

由圖 2和圖 3所示，在進(jìn)行低溫段試驗(yàn)時(shí)，Dynalene HF-LO的定壓比熱比二氯甲烷大64%。由此可以得出，在同等熱負(fù)荷條件下，Dynalene HF-LO的質(zhì)量流量可以比二氯甲烷減少約 37%。由于 Dynalene HF-LO的運(yùn)動(dòng)黏度是二氯甲烷的120倍，綜合質(zhì)量流量和運(yùn)動(dòng)黏度，根據(jù)局部阻力和沿程阻力，計(jì)算得到Dynalene HF-LO載冷劑泵的功率消耗約為二氯甲烷載冷劑泵的80%，陶氏化學(xué)Dowtherm-J載冷劑泵的功率消耗約為二氯甲烷載冷劑泵的30%。

圖2 各載冷劑定壓比熱曲線對(duì)比Fig.2 The comparison of specific hear at constant pressure curves of refrigerants

圖3 各載冷劑運(yùn)動(dòng)黏度曲線對(duì)比Fig.3 The comparison of kinematic viscosity curves of refrigerants

在進(jìn)行中溫段試驗(yàn)時(shí)，Dynalene HC-50的定壓比熱比Dynalene HF-LO高20%～30%，同等熱負(fù)荷條件下，Dynalene HC-50載冷劑質(zhì)量流量可以比Dynalene HF-LO減少 17%～23%。由于 Dynalene HC-50的運(yùn)動(dòng)黏度比Dynalene HF-LO 高約10%～40%，綜合質(zhì)量流量和運(yùn)動(dòng)黏度，根據(jù)局部阻力和沿程阻力，計(jì)算得到Dynalene HF-LO載冷劑泵的功率消耗與Dynalene HC-50載冷劑泵的功率消耗接近，陶氏化學(xué)Dowtherm-J載冷劑泵的功率消耗最低。

換熱器主要用于載冷劑與試驗(yàn)室內(nèi)循環(huán)空氣進(jìn)行換熱，換熱器的面積與載冷劑的導(dǎo)熱系數(shù)之間相關(guān)。由圖4可知，Dynalene HF-LO的導(dǎo)熱系數(shù)約是 Dynalene HC-50的 25%，約是二氯甲烷的67%，約是陶氏化學(xué)Dowtherm-J的86%。故為達(dá)到相同的制冷量，Dynalene HF-LO的換熱器面積約比Dynalene HC-50的大25%，比二氯甲烷的大10%，與陶氏化學(xué)Dowtherm-J相當(dāng)。

圖4 各載冷劑導(dǎo)熱系數(shù)曲線對(duì)比Fig.4 The comparison of thermal conductivity curves of refrigerants

通過(guò)上述分析可知，中溫段載冷劑中Dynalene HC-50和陶氏化學(xué)Dowtherm-J的性能要明顯優(yōu)于Dynalene HF-LO，且考慮Dynalene HC-50為水基載冷劑，無(wú)閃點(diǎn)，具有更好的安全性，中溫段載冷劑選擇Dynalene HC-50。低溫段載冷劑中陶氏化學(xué)Dowtherm-J、Dynalene HF-LO和二氯甲烷性能相似，因三種載冷劑中陶氏化學(xué) Dowtherm-J、Dynalene HF-LO均有閃點(diǎn)，泄漏遇明火易發(fā)生爆燃，二氯甲烷具有毒性，又如前文所述，低溫段直接制冷或間接制冷均能滿足環(huán)境試驗(yàn)室要求，綜合考慮運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)際使用情況，低溫段采用直接冷卻方式。

4　結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)綜合氣候環(huán)境模擬試驗(yàn)室制冷需求進(jìn)行分析，制定了制冷系統(tǒng)方案，確定了低溫段采用復(fù)疊制冷系統(tǒng)，中溫段采用雙級(jí)制冷系統(tǒng)的形式。通過(guò)分析載冷劑系統(tǒng)運(yùn)行原理，對(duì)比載冷劑在環(huán)境試驗(yàn)室使用時(shí)應(yīng)考慮的主要因素，得出了中溫段載冷劑選擇Dynalene HC-50，低溫段選擇直接冷卻的制冷方式。Dynalene HC-50無(wú)毒，無(wú)閃點(diǎn)，物性參數(shù)優(yōu)良，能夠保證載冷劑泵和空氣換熱器的經(jīng)濟(jì)選型，滿足中溫段制冷和加熱使用需求。低溫段選擇直接制冷方式，保證了試驗(yàn)室安全穩(wěn)定運(yùn)行。該載冷劑方案選擇分析研究對(duì)于同類型大型綜合氣候環(huán)境模擬試驗(yàn)室的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義，為類似載冷劑的選擇提供了參考。

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Research on the Selection of Refrigerants Used in Combined Climatic Environmental Chambers

LIU Kun, ZHANG Bao-jun, YUE Lei, GOU Yu-xiang, MA Dong-li, WANG Teng-hao
(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

Objective To select applicative and reasonable refrigerants for the cooling plant centre of combined climatic environmental chambers. Methods The scheme of refrigerating system was proposed based on the analysis on refrigerating requirements of the laboratory. And the use condition and the factors to be considered of the refrigerants of the chambers was confirmed based on the analysis on the operation principle of refrigerants. Then the scheme of the refrigerants used in combined climatic environmental chambers was summarized based on the analysis and comparison of the physical parameters of common-used refrigerants. Results Dynalene HC-50 was selected as the refrigerant for the mid-temperature refrigerating system. Conclusion The refrigerant selected is applicable for the refrigerant system of cooling plant centre of the combined climatic environmental chambers, and the scheme is reasonable.

combined climatic environmental chambers; cooling plant centre; refrigerants

2016-06-15；Revised：2016-07-15

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.017

TJ07；TB61+2

A

1672-9242(2016)05-0105-06

2016-06-15；

2016-07-15

劉坤（1987—），男，山東棗莊人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樘胤N車輛環(huán)境試驗(yàn)和環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)。

Biography：LIU Kun（1987—）， Male， from Zaozhuang， Shandong， Master， Engineer， Research focus: special vehicle climate environment test and environmental simulation test technique.