實驗室節(jié)能制冷系統(tǒng)

姜敬德，郭 佳，徐 倩

( 1.上海出入境檢驗檢疫局 機(jī)電產(chǎn)品檢測技術(shù)中心，上海 200135；2. 上海理工大學(xué)，上海 200093 )

實驗室節(jié)能制冷系統(tǒng)

姜敬德1，郭 佳2，徐 倩1

( 1.上海出入境檢驗檢疫局 機(jī)電產(chǎn)品檢測技術(shù)中心，上海 200135；2. 上海理工大學(xué)，上海 200093 )

隨著產(chǎn)品的日益發(fā)展，檢測水平的提高，越來越多的檢測實驗室普及在檢測機(jī)構(gòu)、工廠實驗室內(nèi)，對于恒溫類環(huán)境室的普及，研究其節(jié)能性顯得愈發(fā)關(guān)鍵，筆者經(jīng)過多年的檢測經(jīng)驗和設(shè)備的設(shè)計經(jīng)驗，總結(jié)并設(shè)計完成了一套可行的新型的節(jié)能實驗室制冷系統(tǒng)。

新型；節(jié)能；制冷系統(tǒng)

目前，國內(nèi)環(huán)境可控溫實驗室在設(shè)計建造環(huán)溫控制系統(tǒng)時，主要根據(jù)實驗室內(nèi)的最大熱負(fù)荷進(jìn)行實驗室制冷系統(tǒng)和匹配電加熱的設(shè)計和選型。相對的，并沒有考慮實際應(yīng)用中實驗室的熱負(fù)荷量的變化。環(huán)境控制系統(tǒng)的運行功率也不能根據(jù)實驗室內(nèi)熱負(fù)荷的改變而相應(yīng)調(diào)整，導(dǎo)致制冷系統(tǒng)總是以大功率的狀態(tài)進(jìn)行過度輸出，而電加熱又需要以大的加熱量來平衡，導(dǎo)致了能源的嚴(yán)重浪費和實驗成本的增加。本文著重研究根據(jù)實驗室熱負(fù)荷的變化，制冷系統(tǒng)自動進(jìn)行輸出冷量的調(diào)節(jié)，同時也就相應(yīng)的降低電加熱的平衡電熱輸出。

1 傳統(tǒng)系統(tǒng)概述

對于傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)，壓縮機(jī)把系統(tǒng)內(nèi)制冷劑進(jìn)行氣態(tài)壓縮后，直接進(jìn)入冷凝器進(jìn)行熱量的排散，制冷劑溫度降低后，進(jìn)入膨脹閥進(jìn)行減壓降溫，變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍怏w后，進(jìn)入室內(nèi)蒸發(fā)器吸收房間內(nèi)的熱量，完成房間降溫的需求，之后制冷劑重新回入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮排氣。因整個系統(tǒng)的裝置都是按照最大固定熱負(fù)荷進(jìn)行配置，無法根據(jù)房間內(nèi)吸收的熱量值進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以制冷系統(tǒng)并不能一直在額定的負(fù)荷下工作，對于能源有了極大的浪費。

2 新系統(tǒng)設(shè)計

針對原有實驗室制冷系統(tǒng)能源消耗問題，本文設(shè)計完成了一套可行的新型的節(jié)能制冷系統(tǒng)，主要包括室內(nèi)蒸發(fā)器、兩臺并聯(lián)制冷壓縮裝置、外置風(fēng)冷冷凝器、第一旁通管路、第二旁通管路等，見圖1。通過旁通管路的增加，充分利用系統(tǒng)內(nèi)的余熱，來替代原有實驗室使用的回氣溫度電加熱，同樣滿足控制壓縮機(jī)吸氣溫度穩(wěn)定的要求。通過兩臺并連的制冷壓縮機(jī)代替現(xiàn)有的單機(jī)活塞式單級壓縮系統(tǒng)，實現(xiàn)環(huán)境控制系統(tǒng)的輸入功率的可調(diào)節(jié)。

圖1 新型的節(jié)能的室內(nèi)制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Ⅰ-第一旁通管路 Ⅱ-第二旁通管路 Ⅲ-第三旁通管路 Ⅳ-第四旁通管路 1-室內(nèi)蒸發(fā)器2-制冷壓縮裝置 3-外置風(fēng)冷冷凝器 4-入口溫度檢測裝置 5-第一旁通閥 6-噴液膨脹閥7-第三旁通閥 8-油分離器 9-油過濾器 10-油鏡 11-氣液分離器12-氣濾 13-微調(diào)電磁閥 14-微調(diào)針閥 15-粗調(diào)電磁閥 16-粗調(diào)針閥

本系統(tǒng)中的室內(nèi)蒸發(fā)器、制冷壓縮裝置、外置風(fēng)冷冷凝器相互連接形成主管道。室內(nèi)蒸發(fā)器的出口連接至制冷壓縮裝置的入口，制冷壓縮裝置的出口連至外置風(fēng)冷冷凝器，外置風(fēng)冷冷凝器的冷凝液出口連接室內(nèi)蒸發(fā)器的入口，制冷壓縮裝置的入口設(shè)置有入口溫度檢測裝置，出口設(shè)置有排溫檢測裝置。

外置風(fēng)冷冷凝器的冷凝液出口與室內(nèi)蒸發(fā)器入口之間相連的主管道還通過第一旁通管路連至制冷壓縮裝置的入口，第一旁通管路上設(shè)置有第一旁通閥和噴液膨脹閥，第一旁通閥的控制端與排溫檢測裝置相連，噴液膨脹閥與入口溫度檢測裝置相連。制冷壓縮裝置與外置風(fēng)冷冷凝器之間相連的主管道通過第二旁通管路連至室內(nèi)蒸發(fā)器的入口，第二旁通管路上設(shè)置有第二流量控制閥組。制冷壓縮裝置包括兩臺并聯(lián)連接的制冷壓縮機(jī)，制冷壓縮裝置的出口與第二旁通管路之間的主管道還連接第三旁通管路。第三旁通管路的一端與制冷壓縮裝置的出口相連，另一端連接至制冷壓縮裝置的入口，第三旁通管路上還設(shè)置有第三旁通閥；第三旁通閥配置為在制冷壓縮裝置啟動階段開啟預(yù)設(shè)時間。第三旁通管路與第二旁通管路之間的主管道上還設(shè)置有油分離器和第四旁通管路；油分離器的入口連接第三旁通管路一側(cè)的主管道，油分離器的氣體出口連接第二旁通管路一側(cè)的主管道；第四旁通管路的一端連接油分離器的油出口，另一端連接室內(nèi)蒸發(fā)器的出口與制冷壓縮裝置的入口之間的主管道。第四旁通管路上設(shè)置有油鏡和油過濾器。室內(nèi)蒸發(fā)器與制冷壓縮裝置相連的主管道上還設(shè)置有氣液分離器；第一旁通管路、第三旁通管路、第四旁通管路依次連接于室內(nèi)蒸發(fā)器與制冷壓縮裝置相連的主管道上，且第一旁通管路最靠近室內(nèi)蒸發(fā)器的出口；

制冷壓縮裝置還設(shè)置有保護(hù)電路、排溫報警電路和自動復(fù)位電路。外置風(fēng)冷冷凝器的冷凝液出口與第一旁通管路之間還設(shè)置有儲液器；儲液器配置有安全閥；第一旁通管路與室內(nèi)蒸發(fā)器入口之間的主管道上還設(shè)置有一電磁閥。第二流量控制閥組包括并聯(lián)連接的粗調(diào)節(jié)能閥組和微調(diào)節(jié)能閥組，粗調(diào)節(jié)能閥組包括串聯(lián)連接的粗調(diào)電磁閥和粗調(diào)針閥，微調(diào)節(jié)能閥組包括串聯(lián)連接的微調(diào)電磁閥和微調(diào)針閥。

3 新舊制冷系統(tǒng)耗能對比

圖2 采用新制冷系統(tǒng)的實驗室節(jié)能比

在不同的環(huán)境溫度下，對于新舊兩套制冷系統(tǒng)的實驗室房間內(nèi)放置于相同數(shù)量的冰箱產(chǎn)品進(jìn)行了24小時的實驗室耗能實驗。根據(jù)新舊兩套制冷系統(tǒng)的實驗室耗能進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，改造后的新系統(tǒng)節(jié)

能效果相當(dāng)明顯(見圖2)。節(jié)能的主要原因有：

(1)系統(tǒng)改造后新壓縮機(jī)的冷量和功率降低，進(jìn)而相應(yīng)的電加熱平衡熱量降低；

(2)旁通管路的存在，使得回氣溫度通過系統(tǒng)余熱進(jìn)行調(diào)節(jié)，節(jié)省了回氣電加熱的耗能。

(3)水冷系統(tǒng)改為風(fēng)冷系統(tǒng)，較小功率的風(fēng)冷風(fēng)扇替代了冷卻水塔的的大功率水泵和風(fēng)機(jī)。

4 技術(shù)關(guān)鍵及創(chuàng)新

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本次新型的節(jié)能室內(nèi)制冷系統(tǒng)具有如下的有益效果：

節(jié)能的室內(nèi)制冷系統(tǒng)利用兩臺并連的制冷壓縮機(jī)代替現(xiàn)有的單機(jī)活塞式單級壓縮系統(tǒng)，實現(xiàn)環(huán)境控制系統(tǒng)的輸入功率的可調(diào)節(jié)。節(jié)能的室內(nèi)制冷系統(tǒng)考慮環(huán)境負(fù)載，同時利用風(fēng)冷冷凝器替代水冷冷凝器。節(jié)能的室內(nèi)制冷系統(tǒng)利用熱氣旁通原理替代回氣電加熱控溫，改變壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度，進(jìn)而維持整個系統(tǒng)的平衡，達(dá)到壓縮機(jī)組工作的最高效率，實現(xiàn)節(jié)能的目的。

該系統(tǒng)能夠在室溫較高的制冷初期為室內(nèi)提供大溫差的低溫冷風(fēng)，而在室溫降低至接近預(yù)設(shè)制冷溫度后調(diào)整冷風(fēng)溫度，在不改變制冷壓縮裝置的情況下為室內(nèi)提供小溫差的冷風(fēng)。新型的節(jié)能室內(nèi)制冷系統(tǒng)避免了制冷系統(tǒng)總是以大功率的狀態(tài)進(jìn)行過度輸出，而電加熱又需要以大的加熱量來平衡的問題，為恒溫類環(huán)境室的節(jié)能提供了積極和有益的參考。

[1] 吳業(yè)正.制冷原理及設(shè)備[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1987

[2] 郭慶堂.實用制冷工程設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1994

[3] 楊林，盧葦.努森壓縮制冷系統(tǒng)的設(shè)計及性能分析[J].低溫工程，2015，(1):42-44

Energy-saving Indoor Refrigeration System

JIANG Jingde1,GUO Jia2,XU Qian1

( 1.Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Shanghai 200135；2.University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093 )

With the development of products,the detection level of the increase,more and more testing room and the environment in the detection mechanism and the factory laboratory.The popularity of environmental chamber for the temperature,study the energy saving was increasingly critical,after testing experience and equipment design experience for many years,summarizes and designs a set of feasible new energy-saving lab refrigeration system.

New type；Energy saving；Refrigeration system

2016-11-7

姜敬德(1983-)，男，工程師，研究方向：制冷系統(tǒng)設(shè)計。Email：jiangjd@shciq.gov.cn

ISSN1005-9180(2017)02-078-03

TB61+5 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.017