大型氣候?qū)嶒?yàn)室高低溫模擬系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

劉海燕，馬建軍，吳相甫

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

大型氣候環(huán)境試驗(yàn)室以全尺寸裝備為試驗(yàn)對(duì)象[1-2]，可進(jìn)行多種綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)[3-4]，如低溫、高溫、太陽(yáng)輻照、淋雨、降雪、凍雨、凍霧等。實(shí)驗(yàn)室重要組成部分之一是高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心是由空氣處理系統(tǒng)和載冷/載熱系統(tǒng)，載冷劑通過(guò)空氣處理系統(tǒng)中的換熱器與空氣進(jìn)行換熱實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室-55~74 ℃的溫度環(huán)境[5-7]。為了實(shí)現(xiàn)-55~74 ℃寬溫域，選用AS-6和CH2CL2兩種載冷劑分別實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室不同溫度段，其中，AS-6為中/高溫載冷劑，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室“-25~74 ℃”，其冷源為循環(huán)冷卻水和 R507蒸發(fā)器，熱源為電加熱器和蒸汽；CH2CL2為低溫載冷劑，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室“-55~-25 ℃”，其冷源為R23蒸發(fā)器，熱源為電加熱器。兩種載冷劑在循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)中有對(duì)應(yīng)的換熱器，AS-6換熱器和CH2CL2換熱器在風(fēng)道中串行布置[8]。無(wú)論是從冷源、熱源、制冷劑和載冷劑的選擇以及搭配方式看，還是從可行性、安全性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性綜合分析看，獨(dú)立的載冷/載熱系統(tǒng)方案是比較理想的，而且，獨(dú)立的空氣處理系統(tǒng)方案也不存在技術(shù)缺陷。當(dāng)把兩者結(jié)合在一起、換熱器以串聯(lián)模式串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)耦合會(huì)帶來(lái)AS-6低溫結(jié)冰、CH2CL2高溫沸騰問(wèn)題。如何解決這些問(wèn)題，就成為大型氣候?qū)嶒?yàn)室高低溫模擬系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。為了使高低溫模擬系統(tǒng)方案在實(shí)驗(yàn)室得到工程應(yīng)用，就必須通過(guò)深入分析總體系統(tǒng)方案、理清問(wèn)題、研究解決方案并驗(yàn)證效果來(lái)完善方案[9]。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)室高溫和低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)由載冷/載熱系統(tǒng)、空氣處理系統(tǒng)、冷源、熱源及外圍的供電、供氣和循環(huán)冷卻水組成，其核心為載冷/載熱系統(tǒng)和空氣處理系統(tǒng)。

鑒于體量巨大，大型氣候?qū)嶒?yàn)室空氣處理系統(tǒng)通常由多個(gè)相同的單元并聯(lián)組成，每個(gè)單元配備一組載冷/載熱二次循環(huán)系統(tǒng)。各組載冷/載熱二次循環(huán)系統(tǒng)從一次循環(huán)系統(tǒng)取液、并聯(lián)運(yùn)行，同時(shí)為對(duì)應(yīng)的空氣處理系統(tǒng)單元提供冷/熱量。

1.1 載冷/載熱系統(tǒng)

大型氣候?qū)嶒?yàn)室載冷/載熱系統(tǒng)包括 AS-6和CH2CL2兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)由一次循環(huán)系統(tǒng)和多個(gè)并聯(lián)的二次循環(huán)系統(tǒng)組成。

AS-6和 CH2CL2這兩個(gè)獨(dú)立的載冷/載熱系統(tǒng)的總體運(yùn)行模式是相同的，即在一次循環(huán)系統(tǒng)中，載冷劑被冷卻或加熱后供二次循環(huán)使用，在二次循環(huán)中通過(guò)換熱器與空氣進(jìn)行熱交換后回到一次循環(huán)系統(tǒng)再次被冷卻或加熱，如此連續(xù)運(yùn)行。

1.1.1 AS-6系統(tǒng)

AS-6系統(tǒng)如圖1所示。一次循環(huán)系統(tǒng)主要由氮?dú)舛▔汗蕖⒀h(huán)泵、R507蒸發(fā)器、AS-6/蒸汽板式換熱器、AS-6/冷卻水板式換熱器、閥門等設(shè)備組成；二次循環(huán)系統(tǒng)主要由循環(huán)泵、AS-6/空氣換熱器、管道電加熱器、調(diào)節(jié)閥等組成。系統(tǒng)中布置壓力、溫度和流量傳感器，用于控制和監(jiān)測(cè)。

在該系統(tǒng)中，通過(guò)向定壓罐氮?dú)獬鋲?排放，將系統(tǒng)中的壓力維持在設(shè)定值。二次循環(huán)系統(tǒng)為恒流量設(shè)計(jì)，其配有旁通管路，通過(guò)調(diào)節(jié)回液閥和旁通閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)整一次循環(huán)中的取液量，進(jìn)而調(diào)整換熱器中AS-6的入口溫度和送風(fēng)溫度，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度控制。

圖1 AS-6系統(tǒng)

1.1.2 CH2CL2系統(tǒng)

CH2CL2系統(tǒng)如圖 2所示。一次循環(huán)系統(tǒng)主要由膨脹罐、定壓泵、循環(huán)泵、R23蒸發(fā)器和閥門等組成；二次循環(huán)系統(tǒng)主要由循環(huán)泵、CH2CL2/空氣換熱器、管道電加熱器、調(diào)節(jié)閥等組成。該系統(tǒng)中同樣布置了壓力、溫度和流量傳感器，用于控制和監(jiān)測(cè)。

該系統(tǒng)完全是閉式系統(tǒng)，通過(guò)定壓泵向定壓罐充液或抽液實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)壓力控制。二次循環(huán)系統(tǒng)的工作原理與AS-6二次循環(huán)系統(tǒng)相同。

1.2 空氣處理系統(tǒng)

空氣處理系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立、并聯(lián)運(yùn)行的空氣處理機(jī)組構(gòu)成，每個(gè)機(jī)組主要包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、換熱器、加濕器等設(shè)備組成，如圖3所示?？諝馓幚頇C(jī)組工作時(shí)，打開(kāi)風(fēng)閥F1和F2，風(fēng)機(jī)定風(fēng)量運(yùn)行，將室內(nèi)空氣送進(jìn)風(fēng)道進(jìn)行溫濕度處理，然后送入室內(nèi)。其中，在需要維持室內(nèi)正壓或需要除濕時(shí)，補(bǔ)充新風(fēng)；在需要加濕時(shí)，干蒸汽加濕器工作。

圖2 CH2CL2系統(tǒng)

圖3 氣候?qū)嶒?yàn)室空氣處理機(jī)組

1.3 工作模式

載冷/載熱系統(tǒng)和空氣處理系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室目標(biāo)溫度。系統(tǒng)的工作模式由當(dāng)前溫度和目標(biāo)溫度共同決定，共有以下6種：需要通過(guò)降溫實(shí)現(xiàn)≥-25 ℃目標(biāo)溫度時(shí)，AS-6換熱器工作，冷源來(lái)自R507或冷卻水；需要通過(guò)降溫實(shí)現(xiàn)-55~-25 ℃目標(biāo)溫度時(shí)，CH2CL2換熱器工作，冷源來(lái)自R23；-55~-25 ℃的回溫，CH2CL2換熱器工作，熱源為CH2CL2管道內(nèi)布置的電加熱器；-25 ℃~常溫的回溫，AS-6換熱器工作，熱源為AS-6管道內(nèi)布置的電加熱器或循環(huán)冷卻水；需要通過(guò)升溫實(shí)現(xiàn)常溫~74 ℃目標(biāo)溫度時(shí)，AS-6換熱器工作，熱源來(lái)自蒸汽；需要通過(guò)降溫實(shí)現(xiàn)74 ℃~常溫目標(biāo)溫度時(shí)，AS-6換熱器工作，冷源來(lái)自R507或冷卻水。

2 系統(tǒng)分析

將載冷/載熱系統(tǒng)與空氣處理系統(tǒng)組合，便構(gòu)成了氣候?qū)嶒?yàn)室的高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)。逐一分析上述6種工作模式和實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境工況，會(huì)發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：

1）因?yàn)锳S-6的冰點(diǎn)為-55 ℃，在CH2CL2換熱器工作實(shí)現(xiàn)-55~-25 ℃目標(biāo)溫度時(shí)，循環(huán)風(fēng)內(nèi)的最低溫度會(huì)達(dá)到-60 ℃甚至更低，此時(shí)AS-6換熱器中的載冷劑會(huì)結(jié)冰，換熱器有脹裂風(fēng)險(xiǎn)。

2）因?yàn)?CH2CL2在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)為39.8 ℃，AS-6換熱器工作實(shí)現(xiàn)常溫~74 ℃的目標(biāo)溫度時(shí)，循環(huán)風(fēng)內(nèi)的最高溫度會(huì)達(dá)到80 ℃甚至更高，將引發(fā) CH2CL2蒸發(fā)使換熱器管內(nèi)壓力超過(guò) 0.45 MPa，換熱器有爆管風(fēng)險(xiǎn)。

3）在實(shí)驗(yàn)室溫度≤5 ℃時(shí)，無(wú)論使用 AS-6或CH2CL2，其溫度均會(huì)≤0 ℃，AS-6換熱器和CH2CL2換熱器結(jié)霜將不可避免。換熱器結(jié)霜會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低[10-11]，嚴(yán)重結(jié)霜引起的風(fēng)阻會(huì)導(dǎo)致循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)癱瘓。

只有從技術(shù)方案上徹底解決因載冷劑物性帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，采取有效的換熱器融霜措施，氣候?qū)嶒?yàn)室的高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)方案才可以在工程上應(yīng)用。

3 解決方案

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的深入分析，認(rèn)識(shí)到在極端低溫工況，AS-6會(huì)冰點(diǎn)，其換熱器有脹裂風(fēng)險(xiǎn)；在極端高溫工況，CH2CL2會(huì)沸騰，其換熱器有爆管風(fēng)險(xiǎn)。從導(dǎo)熱系數(shù)、黏度、閃點(diǎn)、冰點(diǎn)等重要物理性能和環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性等綜合評(píng)估，又沒(méi)有比 AS-6和 CH2CL2更優(yōu)的載冷劑可供選擇。因此，必須立足于使用AS-6和CH2CL2，通過(guò)有效的技術(shù)方案解決問(wèn)題，規(guī)避AS-6換熱器脹裂風(fēng)險(xiǎn)和CH2CL2爆管風(fēng)險(xiǎn)。為此，設(shè)計(jì)了兩套載冷劑輔助系統(tǒng)：在極端低溫工況，排空換熱器中的AS-6；在極端高溫工況，排空換熱器中的CH2CL2，需要時(shí)再重新給換熱器充注AS-6或CH2CL2。

為解決換熱器低溫結(jié)霜問(wèn)題[12]，設(shè)計(jì)了內(nèi)融霜與外融霜聯(lián)合的融霜方案[13]。融霜時(shí)停止二次循環(huán)，將換熱器接入內(nèi)融霜循環(huán)管路，使用蒸汽板式換熱器對(duì)換熱器進(jìn)行循環(huán)加熱融霜并使換熱器表面的水蒸發(fā)。同時(shí)啟用外融霜，利用室外空氣對(duì)換熱器進(jìn)行吹掃進(jìn)一步除濕，直到換熱器表面和風(fēng)道內(nèi)干燥，確保恢復(fù)低溫時(shí)換熱器不會(huì)快速結(jié)霜。

為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)管系，在設(shè)計(jì)時(shí)，將內(nèi)融霜集成功能到載冷劑輔助系統(tǒng)中，通過(guò)閥門切換，實(shí)現(xiàn)排空、充注和內(nèi)融霜功能。

3.1 AS-6輔助系統(tǒng)

在極端低溫工況進(jìn)行氣候試驗(yàn)前，將換熱器中的 AS-6排到 AS-6一次循環(huán)系統(tǒng)中。在需要 AS-6換熱器工作時(shí)，再將AS-6充注到AS-6換熱器中，規(guī)避 AS-6換熱器低溫脹裂風(fēng)險(xiǎn)。AS-6輔助系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 AS-6輔助系統(tǒng)

AS-6排空流程：關(guān)閉電動(dòng)閥 M1→打開(kāi)電動(dòng)閥K1和 K4，關(guān)閉 K2和 K3→打開(kāi)電磁閥 D2、D3和D4，關(guān)閉 D1，運(yùn)行泵 M1，同時(shí)充注氮?dú)庖跃S持換熱器內(nèi)壓力，使泵正常運(yùn)行→當(dāng)?shù)臀环e液包的液位到達(dá)指定高度后，判定排空完成，然后關(guān)閉電磁閥D2、D3、D4和電動(dòng)閥K1、K4，停止泵M。

AS-6充注流程：關(guān)閉電動(dòng)閥M1→打開(kāi)電動(dòng)閥K2和K3，關(guān)閉K1和K3→打開(kāi)電磁閥D2、D3和D4，關(guān)閉D1，運(yùn)行載冷劑泵M，同時(shí)排出氮?dú)狻?dāng)高位積液包的液位到達(dá)指定高度后，判定充注完成，然后關(guān)閉電磁閥D2、D3、D4和電動(dòng)閥K1、K4，停止泵M。

AS-6換熱器內(nèi)融霜流程：電動(dòng)閥 M1關(guān)閉→電動(dòng)閥 K3打開(kāi)，K1、K2、K4關(guān)閉→電磁閥 D1、D2打開(kāi)，D3、D4關(guān)閉，運(yùn)行載冷劑泵，開(kāi)啟蒸汽加熱器進(jìn)行融霜。

3.2 CH2CL2輔助系統(tǒng)

在極端高溫工況進(jìn)行氣候試驗(yàn)前，將換熱器中的CH2CL2排到 CH2CL2一次循環(huán)系統(tǒng)中。在需要CH2CL2換熱器工作時(shí)，再將CH2CL2充注到CH2CL2換熱器中，規(guī)避CH2CL2換熱器高溫超壓爆管風(fēng)險(xiǎn)。CH2CL2排空/充注子系統(tǒng)如圖5所示。

CH2CL2與 AS-6輔助系統(tǒng)的區(qū)別在于：CH2CL2為閉式系統(tǒng)，不能用氮?dú)饩S持換熱器內(nèi)壓力。在泵抽液過(guò)程中，會(huì)因?yàn)楸们皦毫χ饾u降低而使泵不能正常運(yùn)行，無(wú)法徹底排空換熱器。因此，在換熱器上裝有壓力傳感器，通過(guò)監(jiān)測(cè)壓力變化實(shí)時(shí)控制泵的啟停，確保管道壓力始終處在合理的范圍內(nèi)。

CH2CL2排空流程：電動(dòng)閥M1關(guān)閉→電動(dòng)閥K1、K4打開(kāi)，K2、K3關(guān)閉→電磁閥D2打開(kāi)，D1關(guān)閉，運(yùn)行泵M進(jìn)行排空→當(dāng)換熱器內(nèi)壓力低至指定值時(shí)，關(guān)閉電磁閥D2，停止泵M。

CH2CL2充注流程：電動(dòng)閥M1關(guān)閉→電動(dòng)閥K2、K3打開(kāi)，K1、K3關(guān)閉→電磁閥 D2打開(kāi)，D1、D3關(guān)閉，運(yùn)行泵M，進(jìn)行充注。

CH2CL2換熱器內(nèi)融霜：電動(dòng)閥M1關(guān)閉→電動(dòng)閥K3打開(kāi)，K1、K2、K4關(guān)閉→電磁閥D1、D2打開(kāi)，D3、D4關(guān)閉，運(yùn)行泵，開(kāi)啟管道電加熱器進(jìn)行內(nèi)融霜。

3.3 換熱器融霜方案

在 AS-6和 CH2CL2輔助系統(tǒng)中已經(jīng)附帶介紹了換熱器內(nèi)部融霜，在此僅對(duì)外部融霜作簡(jiǎn)要說(shuō)明。實(shí)現(xiàn)外部融霜需要在圖3所示的空氣處理單元AS-6換熱器的前端和CH2CL2換熱器的后端各加一個(gè)風(fēng)閥F3和F4。外融霜時(shí)，關(guān)閉F1和F2，打開(kāi)F3和F4，吹掃風(fēng)由F3進(jìn)、由F4出，將風(fēng)道內(nèi)的濕氣帶出風(fēng)道即可。

圖5 CH2CL2輔助系統(tǒng)

以換熱器前后的壓差判斷換熱器是否需要融霜是可行的，但經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，綜合換熱器載冷劑進(jìn)出溫差來(lái)判斷是否需要融霜更精確。以吹掃風(fēng)的進(jìn)出口溫度和持續(xù)時(shí)間作為融霜是否完成的判據(jù)，具體量值需要通過(guò)調(diào)試獲得。

3.4 系統(tǒng)方案完善與應(yīng)用

通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)中增加 AS-6和CH2CL2輔助系統(tǒng)，規(guī)避系統(tǒng)在極端溫度下存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。在 AS-6和 CH2CL2輔助系統(tǒng)集成換熱器內(nèi)融霜功能，與外融霜協(xié)同運(yùn)行，解決換熱器結(jié)霜問(wèn)題，從而使實(shí)驗(yàn)室高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)得以完善，如圖6所示。圖6中的A1點(diǎn)為AS-6排空/充注子系統(tǒng)接入點(diǎn)（接圖4的A1點(diǎn)），A2點(diǎn)為CH2CL2排空/充注子系統(tǒng)（接圖5的A2點(diǎn)）。

圖6 高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)

目前這套高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某大型綜合性氣候?qū)嶒?yàn)室，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)-55~74 ℃的溫度環(huán)境。AS-6輔助系統(tǒng)可以在20 min完成中高溫?fù)Q熱器的排空和充注，CH2CL2輔助系統(tǒng)可以在高溫工況下將低溫?fù)Q熱器內(nèi)的壓力維持在不高于0.4 MPa，并在需要時(shí)20 min內(nèi)將CH2CL2充注完成。降雪時(shí)室內(nèi)濕度接近飽和，且有大量的冰晶通過(guò)回風(fēng)管道進(jìn)入空氣處理系統(tǒng)，導(dǎo)致?lián)Q熱器較短時(shí)間內(nèi)結(jié)霜。內(nèi)融霜+外融霜的方式可以在短時(shí)間內(nèi)將霜徹底除去，多套空氣處理系統(tǒng)輪流除霜?jiǎng)t保證了降雪的持續(xù)性。圖7顯示了某次降雪調(diào)試后換熱器除霜過(guò)程中中高溫?fù)Q熱器AS-6溫度和吹掃出風(fēng)溫度的變化趨勢(shì)，實(shí)際上一旦AS-6溫度上升到0 ℃以上，霜即開(kāi)始迅速融化，不到20 min即可完全融化，繼續(xù)升溫并輔以新風(fēng)吹掃可以將換熱器徹底烘干。

圖7 融霜過(guò)程中AS-6和吹掃出風(fēng)溫度變化

4 結(jié)語(yǔ)

分析氣候?qū)嶒?yàn)室高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)AS-6和 CH2CL2載冷/載熱系統(tǒng)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，以及在低溫下?lián)Q熱器的結(jié)霜問(wèn)題。設(shè)計(jì)了 AS-6和CH2CL2排空/充注子系統(tǒng)和內(nèi)外結(jié)合的融霜方案，突破了解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，完善了氣候?qū)嶒?yàn)室高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)方案。該方案在氣候?qū)嶒?yàn)室中得到了成功應(yīng)用，采用的技術(shù)方案可以指導(dǎo)類似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。