環(huán)境試驗箱制冷系統(tǒng)的熱氣旁通設(shè)計研究

劉俊宏，覃家祥，劉俊辰

（1. 深圳市瑞藍(lán)技術(shù)有限公司，深圳 518116；2. 中國電器科學(xué)研究院股份有限公司，工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點實驗室，廣州 510663；3. 中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，低碳化學(xué)與過程節(jié)能廣東省重點實驗室，廣州 510275）

引言

環(huán)境試驗箱是用科技的手段模擬出不同的自然環(huán)境氣候，對現(xiàn)代工業(yè)品進行測試，達到性能驗證、加速老化、應(yīng)力篩選的目的。隨著各行各業(yè)對產(chǎn)品可靠性要求越來越苛刻，產(chǎn)品可靠性測試對環(huán)境試驗箱的要求也越來越多樣、嚴(yán)厲[1,2]。當(dāng)今的環(huán)境試驗箱必須要能滿足越來越快的溫度變化速率要求，越來越寬的極限高低溫要求，越來越大的承載能力要求。環(huán)境試驗箱的制冷系統(tǒng)必須要有能同時滿足高溫（150 ℃以上）到低溫（-70 ℃到以下）區(qū)間的所有工況，且需快速響應(yīng)試驗設(shè)備0～100 %制冷量需求[3]。為避免制冷壓縮機的頻繁啟停，尤其是較大制冷機組啟動復(fù)雜，也為了保證試驗設(shè)備性能的持續(xù)穩(wěn)定性，制冷系統(tǒng)常常維持低載運行，甚至很多時候試驗設(shè)備暫時制冷量需求為負(fù)值時也必須保證制冷系統(tǒng)的正常運行[4]。為保證壓縮機的回油和電機冷卻，制冷系統(tǒng)有最低回氣壓力運行的要求[5]，當(dāng)試驗設(shè)備需求的蒸發(fā)量不足以維持壓縮機最低吸氣壓力時，額外的回氣補充顯得非常關(guān)鍵。

1 環(huán)境試驗箱的制冷系統(tǒng)

環(huán)境試驗箱的制冷系統(tǒng)多采用R404A和R23兩種工質(zhì)，其中R404A可單獨使用設(shè)計成單級制冷系統(tǒng)，R23則必須搭配R404A系統(tǒng)一起組成復(fù)疊式制冷系統(tǒng)才可以正常工作。無論哪種形式的制冷系統(tǒng)都需要維持制冷系統(tǒng)在低制冷輸出甚至零制冷輸出時的運行，其中冷熱旁通方式維持回氣是最簡單最常用的形式[6]。通過在制冷系統(tǒng)排氣管連接一根熱氣管，在液管干燥過濾器后連接一根液管，通過合理的節(jié)流和流量控制，匯合后接入壓縮機吸氣管道。當(dāng)試驗設(shè)備需求的制冷量不足以維持壓縮機運行最小吸氣量時，冷熱旁通共同工作或單獨工作，保證壓縮機的最低吸排氣量要求運行。連接方式如圖1，圖2所示。

試驗設(shè)備大制冷量需求時，主供液閥和次供液閥同時向蒸發(fā)器供液，保證壓縮機能夠發(fā)揮最大能力。部分制冷量需求時，通過對主供液閥和次供液閥的調(diào)節(jié)，來匹配試驗設(shè)備對于不同制冷量的需求[7]。

圖1 單機帶冷熱旁通制冷系統(tǒng)

圖2 復(fù)疊帶冷熱旁通制冷系統(tǒng)

2 熱旁通設(shè)計方法

冷熱旁通回路是將熱旁通當(dāng)成冷旁通的模擬負(fù)載，在制冷系統(tǒng)僅開啟冷熱旁通回路時能維持壓縮機的最低吸氣壓力[8]。不同的壓縮機對最低運行壓力不同的要求，根據(jù)這個要求去計算熱氣旁通的流量，有兩種選擇可以考慮。一是直接對制冷配件生產(chǎn)商提供的熱氣旁通閥進行選型；二是通過截取一定長度的毛細(xì)管來達到熱氣旁通的目的。冷氣旁通的作用是維持壓縮機合理的吸氣溫度，避免壓縮機吸氣過熱，本質(zhì)上是一個膨脹節(jié)流閥，同時為避免壓縮機的濕壓縮，冷氣旁通的選擇計算必須與熱氣旁通匹配。

熱氣旁通直接選擇制冷配件商提供的熱氣旁通閥件時，根據(jù)制冷系統(tǒng)最低制冷量要求，按照配件商提供的選型軟件或資料對應(yīng)計算選型。需要注意的是不同的制冷工質(zhì)，在不同的冷凝溫度下有不同的修正因數(shù)。如丹佛斯系列熱氣旁通閥[9]（見表1）。

在考慮修正因數(shù)之后，選擇熱氣旁通閥負(fù)荷值與壓縮機制冷量對應(yīng)的型號。

選型現(xiàn)有的品牌閥件相對簡單方便，但受限于各廠商的型號設(shè)計，很多時候并不能很恰當(dāng)?shù)钠ヅ渲评湎到y(tǒng)所需要的旁通負(fù)荷值，只能做近似設(shè)計，將制冷系統(tǒng)設(shè)計的卸載運行壓力提高或降低來匹配既有的品牌型號的熱氣旁通閥，這有違設(shè)計的初衷，即使不影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，對長期的經(jīng)濟性也不利,而且可靠的品牌閥件成本不菲。自制毛細(xì)管價格低廉，同時穩(wěn)定可靠，能更簡便、貼切的匹配制冷系統(tǒng)所需要的旁通負(fù)荷量。

表1 danfoss熱氣旁通閥修正因數(shù)Correction factors for condensing temperature t1

3 毛細(xì)管熱氣旁通的設(shè)計

毛細(xì)管是一種便宜、有效、沒有磨損的節(jié)流機構(gòu)，它在家用制冷裝置中經(jīng)常被用作液體節(jié)流器,對蒸發(fā)器供液。毛細(xì)管作為液管節(jié)流器的計算一直都沒有可靠公式，大多根據(jù)經(jīng)驗值通過實驗確定[5]。將其用在熱氣旁通管中，利用制冷工質(zhì)在細(xì)長管中的流動阻力，對壓縮機排氣管中的高溫高壓過熱工質(zhì)進行降壓節(jié)流成為高溫低壓氣體，節(jié)流過程只涉及到單相流體，可以通過管道的阻力粗略計算得出毛細(xì)管管內(nèi)徑和長度[10，11]。

4 毛細(xì)管熱氣旁通的粗算過程

如圖3所示，毛細(xì)管多采用夾扁大管焊接，毛細(xì)管進出兩端實質(zhì)上是一個突縮和突擴的局部阻礙。從流體力學(xué)的角度,毛細(xì)管的的節(jié)流能力就是對這個兩個局部阻礙和毛細(xì)管沿程阻力的計算。

1）計算毛細(xì)管前后低壓、高壓熱氣旁通管的管內(nèi)流速 υ1、υ3。

首先根據(jù)設(shè)計的最低運行壓力，結(jié)合制冷劑的工質(zhì)性質(zhì)可以查出毛細(xì)管前后高壓、低壓熱氣旁通管道內(nèi)的密度或比容，從而計算得出體積流量：

根據(jù)體積流量確認(rèn)毛細(xì)管前后低壓、高壓熱氣旁通管的內(nèi)管徑：

管徑一般根據(jù)管內(nèi)流速來確定，考慮的一個依據(jù)是管內(nèi)噪音，管內(nèi)流速在3 000 FPM（15.24 m/s）以上會產(chǎn)生很大噪音[12]。管內(nèi)流速不應(yīng)超過15 m/s。毛細(xì)管后的低壓管一般取略大于毛細(xì)管前的高壓管。

圖3 毛細(xì)管連接模型

以最大流速計算得出的管徑D是最小要求的銅管內(nèi)徑。而商用銅管的尺寸已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，為保證可靠性，環(huán)境試驗箱制冷系統(tǒng)管路銅管在選擇時均選用壁厚較厚的K形式銅管[12]。

2）初定毛細(xì)管的內(nèi)徑

不同毛細(xì)管的管內(nèi)徑和管長在相同應(yīng)用工況下存在類比關(guān)系，內(nèi)徑和管長共同確定毛細(xì)管的節(jié)流能力。所以管長和內(nèi)徑需先假定一個初始內(nèi)徑值，再計算管長。當(dāng)計算管長太長時（影響實際生產(chǎn)加工），再通過類比，或重選管內(nèi)徑較大的毛細(xì)管重新計算。熱氣旁通管毛細(xì)管一般假定內(nèi)徑值為高壓熱氣旁通管D1的1/2左右，即1/4的截面積。

3）計算毛細(xì)管沿程阻力

毛細(xì)管的長度直接影響的是制冷劑的沿程阻力，要計算毛細(xì)管的長度，就需要先得到毛細(xì)管的沿程阻力值。而這個沿程阻力值可以粗略的看做整個熱氣旁通回路的壓降除去毛細(xì)管進出口兩個局部阻力ΔP1-2和ΔP2-3。

制冷劑過熱氣體在毛細(xì)管中流動時，比容不斷發(fā)生改變，流速越來越快，加上管路的保溫作用，在毛細(xì)管長度粗算時，將其單純的看成一元氣體在絕熱管中流動能簡化計算過程，也較貼近實際[11]。

根據(jù)氣體一元氣體連續(xù)性方程ρvA=C，C為常量。毛細(xì)管進出口的流速看做氣體圓形斷面在有限空間射流分析，為方便計算，將射流斷面的平均流速、密度假定為隨噴射距離均勻變化，由此可以計算得到制冷劑在流入、流出毛細(xì)管瞬間的流動狀態(tài)參數(shù)υ2i，ρ2i；

毛細(xì)管前后突然縮小和突然擴大的兩個局部阻力可分別采用計算公式[11]：

4）計算毛細(xì)管的長度

毛細(xì)管節(jié)流過程為絕熱膨脹過程，根據(jù)一元氣體絕熱流動的基本公式（近似解）[11]：

公式中：

P1、P2—毛細(xì)管進出口壓力，單位為Pa；

l—毛細(xì)管長度，單位m；

λ—摩擦阻力系數(shù)；

k—制冷劑氣體絕熱系數(shù)，常數(shù)k=1.33；

ρ1—制冷劑密度，kg/；

D—毛細(xì)管內(nèi)徑，單位m；

G—制冷劑質(zhì)量流量，單位Kg/s；

A—毛細(xì)管截面積，單位m2。

當(dāng)Re=4 000～107時采用在柯式公式基礎(chǔ)上簡化的莫迪公式：

當(dāng)Re＞107時采用在柯氏公式上簡化的阿里特蘇里公式：

式中K為當(dāng)量糙粒高度，對于銅管，根據(jù)莫迪當(dāng)量粗糙圖得出k=0.01 mm[11]。

由絕熱管路一元氣體流動方程可得毛細(xì)管長度：

通過計算得出的毛細(xì)管長度是一個較為粗略的值，要更精確的滿足實際應(yīng)用還需要進一步通過試驗驗證。同時根據(jù)不同的應(yīng)用場合，也可以根據(jù)需要提高制冷系統(tǒng)設(shè)計的最低允許壓力。

5 結(jié)束語

冷熱旁通調(diào)節(jié)保持壓縮機在低吸氣壓力下保持運行，不僅能有效的防止壓縮機頻繁起停，更利于環(huán)境試驗箱溫濕度性能的穩(wěn)定性保持，尤其是有不同帶載量需求的試驗設(shè)備，冷熱旁通的卸載運行顯得更加有意義。而毛細(xì)管方式的熱氣旁通，簡便可靠且成本低廉。通過不同長度和內(nèi)徑的毛細(xì)管熱氣旁通管選擇，幾乎可以滿足所有制冷系統(tǒng)低吸氣壓力旁通吸氣量的要求。合理的設(shè)計計算和實踐驗證顯得非常有意義。