斯特林型-80 ℃低溫冷庫(kù)研究

張安闊 吳 明 馮英瓏 余文輝 熊 超 謝 晶

(1 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院 上海 201306;2 上海超立安科技有限責(zé)任公司 上海 200240)

根據(jù)冷藏溫度的不同可將冷庫(kù)分為高溫、中溫、低溫、超低溫4大類:高溫冷庫(kù)-2～8 ℃,中溫冷庫(kù)-23～-10 ℃,低溫冷庫(kù)-30～-23 ℃,超低溫庫(kù)-80～-30 ℃,一般意義上把-30 ℃以下的超常溫度的冷庫(kù)稱為超低溫冷庫(kù)[1-2]。

我國(guó)現(xiàn)有冷庫(kù)多數(shù)為果品蔬菜保鮮的高溫冷庫(kù)和普通水產(chǎn)、肉類保鮮的中溫冷庫(kù);由于人民生活品質(zhì)的日益提高以及人民對(duì)醫(yī)療健康等方面的關(guān)注,超低溫冷庫(kù)在金槍魚、沙丁魚、鱈魚等食品保鮮領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用需求以及在疫苗、藥品、血液生物樣本等的存儲(chǔ)具有不可替代的優(yōu)勢(shì)[3]。超低溫冷庫(kù)的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)內(nèi)貨物的快速降溫并保持恒定低溫,實(shí)現(xiàn)低溫存儲(chǔ)。

以海產(chǎn)品為例,國(guó)際營(yíng)養(yǎng)組織將金槍魚推薦為世界三大營(yíng)養(yǎng)魚類之一,金槍魚應(yīng)保存在約-55 ℃,更低的庫(kù)溫能夠避免細(xì)胞之間形成冰晶體,更好地保證食品的品質(zhì)[4]。mRNA疫苗在常溫下的穩(wěn)定性較弱、容易降解、半衰期短,需要超低溫的儲(chǔ)存條件來維持穩(wěn)定性,避免疫苗里有效成分的降解,例如國(guó)外大范圍使用的輝瑞新冠mRNA疫苗可在-70 ℃保存6個(gè)月[5-6]。此外,血液也需要使用超低溫冷庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ),由于血液中包含血漿和各種不同功能的血細(xì)胞,在-60～0 ℃溫區(qū),細(xì)胞內(nèi)的水分以冰晶形式存在,容易對(duì)細(xì)胞和組織的微觀結(jié)構(gòu)造成損害,一般不使用該溫度來保存組織和細(xì)胞,且在組織樣本內(nèi)生物大分子受到細(xì)胞組織內(nèi)多種因素的影響,穩(wěn)定性可能明顯降低,所以通常生物樣本庫(kù)不使用-60～0 ℃作為儲(chǔ)存溫度。血站保存血液的溫度為-80～-70 ℃[7]。

目前,為了獲得-80 ℃的制冷溫度,采用的制冷方式仍以兩級(jí)復(fù)疊式制冷方式為主[8]。上海理工大學(xué)制冷研究所建設(shè)的-60 ℃小型裝配式實(shí)驗(yàn)冷庫(kù),庫(kù)體采用200 mm厚的聚氨酯成型庫(kù)板材料裝配而成,庫(kù)房?jī)?nèi)容積為27.5 m3,制冷系統(tǒng)采用R22的單機(jī)雙級(jí)壓縮和R23的單級(jí)壓縮組合的復(fù)疊式制冷循環(huán),可實(shí)現(xiàn)-60～-40 ℃無級(jí)調(diào)節(jié),庫(kù)溫穩(wěn)定,溫度波動(dòng)不超過±0.5 ℃[2,9]。目前對(duì)于超低溫冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的研究包括復(fù)疊式制冷系統(tǒng)制冷劑替代技術(shù)發(fā)展、雙級(jí)壓縮制冷和復(fù)疊式制冷兩種制冷方式應(yīng)用于超低溫冷庫(kù)的對(duì)比等,科研人員進(jìn)行了相關(guān)的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。溫辰陽等[10]對(duì)R290/R170與R22/R23熱物理性質(zhì)和換熱性能進(jìn)行對(duì)比,并對(duì)相同工況下兩種復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的選型及系統(tǒng)循環(huán)性能和安全性進(jìn)行對(duì)比分析,理論分析確認(rèn)了R290/R170替代R22/R23的可行性;孫建軍等[11]為模擬血液的超低溫保存環(huán)境(-80 ℃),搭建了R404A/R508B復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的超低溫冷庫(kù),進(jìn)行了系統(tǒng)性能研究:改變庫(kù)內(nèi)蒸發(fā)器入口的工質(zhì)參數(shù),研究系統(tǒng)降溫曲線,分析了降溫過程的高、低溫級(jí)壓縮機(jī)的壓比及低溫級(jí)壓縮機(jī)排氣溫度隨庫(kù)溫的變化情況;不同蒸發(fā)溫度(-87、-77、-67 ℃)下,系統(tǒng)壓縮機(jī)功耗、排氣溫度隨蒸發(fā)溫度等的變化情況。王方旭等[12]對(duì)超低溫冷庫(kù)應(yīng)用環(huán)境下不同制冷系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析,認(rèn)為當(dāng)蒸發(fā)溫度為-60～-30 ℃時(shí),采用雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)效率高于復(fù)疊式制冷系統(tǒng),當(dāng)所需制冷溫度為-80～-60 ℃時(shí),相比于雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng),復(fù)疊式制冷系統(tǒng)吸氣壓力更高、壓縮機(jī)效率更高、蒸發(fā)溫度更低,系統(tǒng)效率更高;郭耀軍等[13]對(duì)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)溫度為-65 ℃時(shí),雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的壓縮比和排氣溫度隨冷凝溫度的升高而升高,吸氣壓力和制冷劑質(zhì)量流量隨冷凝溫度的升高無明顯變化,在相同的冷凝溫度下,復(fù)疊式制冷系統(tǒng)在上述性能方面優(yōu)于雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng);冷凝溫度為40 ℃時(shí),雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的壓縮比和排氣溫度隨蒸發(fā)溫度的降低而升高,吸氣壓力隨蒸發(fā)溫度的降低而降低,制冷劑質(zhì)量流量隨冷凝溫度的升高變化較小,在相同的蒸發(fā)溫度下,復(fù)疊式制冷系統(tǒng)在上述性能方面優(yōu)于雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng);分別采用兩種系統(tǒng)搭建某小型超低溫制冷實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)比壓縮機(jī)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用,結(jié)果表明,采用復(fù)疊制冷系統(tǒng)可以降低能耗15.13%。

由此可知,在-80 ℃制冷溫區(qū),目前國(guó)內(nèi)關(guān)于復(fù)疊式制冷方式研究較多,但該制冷方式效率較低,制冷系統(tǒng)復(fù)雜,溫度均勻可靠性較差,為實(shí)現(xiàn)-80 ℃低溫存儲(chǔ)環(huán)境需要耗費(fèi)較多的電功,如表1所示[13]。

表1 -80 ℃超低溫冷庫(kù)的參數(shù)

2021年9月15日,《蒙特利爾書基加利修正案》對(duì)我國(guó)生效,旨在加強(qiáng)氫氟烴類(HFCs)等非二氧化碳溫室氣體管控,將逐步淘汰氫氯氟烴(HCFC)和氫氟碳化合物(HFC),這對(duì)冷藏冷凍等相關(guān)行業(yè)帶來了技術(shù)上的升級(jí)要求[14-15]。雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)在制冷溫度低于-60 ℃時(shí)效率低于復(fù)疊式制冷系統(tǒng),而復(fù)疊式制冷系統(tǒng)在-80 ℃時(shí)其性能系數(shù)一般不超過0.3,相比于斯特林制冷技術(shù)的高效率相形見絀,斯特林制冷機(jī)的制冷系數(shù)可達(dá)到0.4以上,并且復(fù)疊式制冷技術(shù)面臨制冷劑更新替代的問題,無法得到長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展[16]。斯特林制冷機(jī)由于采用板彈簧支撐技術(shù)、間隙密封技術(shù)、工質(zhì)為氦氣等,具有高可靠性、高效率、壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保、寬溫區(qū)等優(yōu)勢(shì)[17]。

針對(duì)-80 ℃低溫冷庫(kù)應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)了一個(gè)采用先進(jìn)制冷技術(shù)的-80 ℃低溫冷庫(kù),介紹了該冷庫(kù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),基于VIP(vacuum insulation panel)絕熱技術(shù)的經(jīng)驗(yàn),核算了箱體在該溫區(qū)的漏熱情況,根據(jù)熱負(fù)荷,選配課題組研制的滿足其性能要求的-80 ℃斯特林制冷機(jī),并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了制冷性能,滿足了低溫冷庫(kù)的設(shè)計(jì)需求,研究成果對(duì)于推動(dòng)-80 ℃超低溫冷庫(kù)制冷技術(shù)的發(fā)展具有一定參考價(jià)值。

1 低溫斯特林-80 ℃冷庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知,天津大學(xué)采用復(fù)疊式制冷機(jī)搭建的-80 ℃的低溫冷庫(kù)效果最好。以此為基準(zhǔn),設(shè)計(jì)的低溫冷庫(kù)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示,冷庫(kù)為邊長(zhǎng)2 m的正方體,冷庫(kù)腔體空間為8 m3。冷庫(kù)主要由箱體、斯特林制冷機(jī)、風(fēng)機(jī)、熱管、冷庫(kù)門、控制器及溫度傳感器組成。斯特林制冷機(jī)布置于冷庫(kù)頂部后側(cè)(目前選配2臺(tái),可根據(jù)冷庫(kù)熱負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整),采用直接風(fēng)冷的散熱方式對(duì)制冷機(jī)熱端和機(jī)身散熱,兩臺(tái)斯特林制冷機(jī)冷頭對(duì)置布置,共用熱管系統(tǒng)。兩臺(tái)斯特林制冷機(jī)與控制器之間通過電連接,控制器與布置于冷庫(kù)內(nèi)上部的溫度傳感器通過電連接,溫度傳感器將溫度信號(hào)傳送至控制器,控制器調(diào)節(jié)直線電機(jī)轉(zhuǎn)速,控制斯特林制冷機(jī)的制冷量。冷庫(kù)的啟停通過控制器進(jìn)行控制。通過以上設(shè)計(jì),低溫冷庫(kù)具有容積大、開啟方便、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)、制冷量大、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1箱體(含VIP);2斯特林制冷機(jī);3風(fēng)機(jī);4熱管;5冷庫(kù)門;6控制器;7溫度傳感器。

為簡(jiǎn)化低溫冷庫(kù)的制冷系統(tǒng),降低冷庫(kù)的整體制造成本,針對(duì)性地設(shè)計(jì)了一套制冷機(jī)冷頭冷量輸出裝置,冷頭對(duì)置結(jié)構(gòu)主要由冷頭、導(dǎo)冷銅套、絕熱材料、熱管組成,兩臺(tái)制冷機(jī)冷頭對(duì)置布置,冷頭處安裝導(dǎo)冷銅套,熱管纏繞導(dǎo)冷銅套外部,并在冷頭、導(dǎo)冷銅套熱管的外部布置絕熱材料,降低熱損。通過上述設(shè)計(jì),能夠有效降低制冷系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

兩臺(tái)斯特林制冷機(jī)采用氦氣作為工作介質(zhì),制冷機(jī)冷頭對(duì)置布置,共用一套熱管系統(tǒng),熱管采用銅材料制成。熱管由冷庫(kù)頂部引入,熱管中采用制冷劑R170進(jìn)行制冷量的傳輸,熱管在冷庫(kù)腔體內(nèi)采用“W”形狀的布置方式,對(duì)稱布置于冷庫(kù)內(nèi)部的左、后、右側(cè),如圖1中的4所示。通過上述設(shè)計(jì),能夠使制冷劑在熱管中循環(huán)流動(dòng),在一定程度上能夠保證冷庫(kù)內(nèi)部冷量分布的均勻性。熱管由冷庫(kù)上部引入,制冷劑在熱管內(nèi)部自上而下循環(huán)流動(dòng)。

2 低溫斯特林-80 ℃冷庫(kù)熱損計(jì)算

設(shè)計(jì)的低溫冷庫(kù)為-80 ℃,冷庫(kù)腔體與外界環(huán)境之間的溫度梯度大,易造成冷庫(kù)冷量的損失。為降低冷量損失,提高低溫冷庫(kù)的整體性能,冷庫(kù)箱體的絕熱層設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。VIP具有良好的絕熱性能,導(dǎo)熱系數(shù)通常為0.003～0.004 W/(m·℃),甚至更低[18],但VIP對(duì)外部的機(jī)械壓力和沖擊力承受能力較差,不能單獨(dú)作為箱體絕熱材料使用。聚氨酯絕熱材料具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,與塑料及金屬的黏合力強(qiáng),且滲入能力強(qiáng),能夠?qū)⑿枰畛涞目臻g填滿。而VIP通常制成板狀,不具備填充能力,因此將VIP與聚氨酯絕熱材料構(gòu)成復(fù)合絕熱層,該復(fù)合絕熱層具有導(dǎo)熱系數(shù)低、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[19]。

圖2所示為VIP與聚氨酯絕熱材料構(gòu)成的復(fù)合絕熱層結(jié)構(gòu)。通過聚氨酯絕熱材料發(fā)泡技術(shù)將VIP全部覆蓋,填滿需要填充的空間,并將復(fù)合絕熱層的所有構(gòu)件黏結(jié)在一起。在該復(fù)合絕熱層中,VIP主要起絕熱作用,聚氨酯材料主要起保護(hù)和支撐作用,真空絕熱技術(shù)能夠有效抑制氣體導(dǎo)熱和對(duì)流換熱,使總傳熱量大幅減少[20]。

VIP布置于低溫冷庫(kù)內(nèi)箱體與外箱體之間。將多孔介質(zhì)材料真空密封于保護(hù)薄膜內(nèi)制成VIP,在相同的保溫效果下,其厚度相較于主流材料可以降低50%以上,是目前最先進(jìn)的保溫材料之一[21]。在冷庫(kù)內(nèi)-80 ℃、環(huán)境溫度25 ℃情況下,結(jié)合VIP絕熱技術(shù)經(jīng)驗(yàn),通過理論計(jì)算得到冷庫(kù)的漏熱損失,此為冷庫(kù)在維持穩(wěn)定溫度工作時(shí),理論上斯特林制冷機(jī)所需提供的最小制冷量。計(jì)算方法如下[22]:

冷庫(kù)正常運(yùn)行時(shí),庫(kù)內(nèi)溫度為-80 ℃,冷庫(kù)外溫度為環(huán)境溫度,較大的溫度差異,造成大量的冷量損失。假設(shè)冷庫(kù)腔體內(nèi)、外空氣溫度和露點(diǎn)溫度分別為t2、t1和td(℃),庫(kù)體內(nèi)、外表面溫度分別為tw2和tw1(℃),腔體內(nèi)、外表面與空氣間的傳熱系數(shù)分別為h2和h1[W/(m2·℃)],隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)為λtotal[W/(m2·℃)]。根據(jù)熱平衡條件可得:

(1)

式中:L為絕熱層厚度,mm,保溫層厚度應(yīng)大于該絕熱層厚度。

具體邊界條件設(shè)置如表2所示。

表2 冷庫(kù)邊界條件

低溫冷庫(kù)的熱量損失主要包括冷庫(kù)庫(kù)體的傳熱損失、庫(kù)門開關(guān)時(shí)的熱量損失、儲(chǔ)物發(fā)熱損失和其他傳熱損失等。冷庫(kù)腔體的傳熱損失主要由庫(kù)體表面的傳熱損失,庫(kù)門漏熱損失和庫(kù)門門吸封條的漏熱損失等三部分組成[23]。

傳熱面積A按照外圍尺寸進(jìn)行計(jì)算,冷庫(kù)邊長(zhǎng)為2 m,A包括上下兩底面以及四側(cè)面的面積:

A=2×2×2+2×2×4=24m2

(2)

傳熱溫差Δt按照設(shè)計(jì)工況進(jìn)行計(jì)算,環(huán)境溫度為25 ℃,冷庫(kù)內(nèi)溫度設(shè)計(jì)為-80 ℃,則溫差為:

Δt=環(huán)境溫度-冷庫(kù)內(nèi)溫度

=25-(-80)=105 ℃

(3)

VIP的厚度d1=28 mm,導(dǎo)熱系數(shù)λ1=0.004 W/(m·℃);聚氨酯發(fā)泡材料的厚度d2=50 mm,導(dǎo)熱系數(shù)λ2=0.02 W/(m·℃),則

(4)

若冷庫(kù)庫(kù)體的總傳熱系數(shù)K取0.095 W/(m2·℃)(該取值較為保守),則低溫冷庫(kù)壁面的漏熱損失為:

Q1=AKΔt=24×0.095×105=239.4W

(5)

冷庫(kù)內(nèi)外門可設(shè)計(jì)成耐低溫塑料材料,兩層門可按照多層保溫結(jié)構(gòu)處理,漏熱量Q2約為8 W。門吸封條為硅膠材料[24],氣密性好,可減小冷量損失,熱量會(huì)通過密封條滲透至冷庫(kù)腔體內(nèi)部,該部分的熱量沒有明確的計(jì)算公式和計(jì)算方法,一般采用經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行估算,其大小取Q1和Q2總和的15%[22],即:

Q3=(Q1+Q2)×15%=37.11W

(6)

因此,低溫冷庫(kù)總的傳熱損失主要為上述三種熱負(fù)荷之和,即:

Qtotal=Q1+Q2+Q3=284.51W

(7)

3 低溫冷庫(kù)用斯特林制冷機(jī)選配

斯特林制冷機(jī)在-80 ℃以下溫區(qū)具有較好的制冷效率,相關(guān)制冷方式的實(shí)現(xiàn)尤為關(guān)鍵。理想斯特林制冷循環(huán)在相同制冷溫度與熱端溫度下具有與逆卡諾循環(huán)相同的制冷效率,且高于復(fù)疊式制冷系統(tǒng)所采用的朗肯循環(huán),從理論層面而言,自由活塞斯特林制冷機(jī)用于低溫冰箱具有一定的優(yōu)勢(shì)。理想斯特林制冷循環(huán)在一定條件下,能夠具有與逆卡諾循環(huán)相等的效率。但在實(shí)際制冷循環(huán)中,難以達(dá)到理想斯特林制冷循環(huán)所需的條件,例如:制冷機(jī)中,壓縮活塞和推移活塞運(yùn)動(dòng)遵循往復(fù)式簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律,而非跳躍式間斷運(yùn)動(dòng);制冷機(jī)內(nèi)回?zé)崞鳌Q熱器中空體積的存在導(dǎo)致熱力循環(huán)過程復(fù)雜;氣缸與換熱器等零件的制作材料具有一定熱阻,無法真正實(shí)現(xiàn)等溫壓縮及等溫膨脹過程;制冷機(jī)運(yùn)行過程,流體與固體、固體與固體摩擦等產(chǎn)生了一系列損失。

為了更好地冷卻-80 ℃低溫冷庫(kù),選配了課題組研制的自由活塞式斯特林制冷機(jī),結(jié)構(gòu)如圖3所示。斯特林制冷機(jī)主要由冷頭、冷端換熱器、回?zé)崞鳌岫藫Q熱器、推移活塞、熱端散熱器、壓縮活塞、直線電機(jī)、板彈簧、減振裝置等部件組成。為實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)整體的緊湊化設(shè)計(jì),自由活塞斯特林制冷機(jī)采用推移活塞連桿貫穿壓縮活塞的方式將推移活塞、壓縮活塞布置于同一氣缸,實(shí)現(xiàn)壓縮腔、膨脹腔的同軸。

1冷頭;2膨脹腔;3冷端換熱器;4回?zé)崞?5推移活塞;6熱端換熱器;7熱端散熱器;8壓縮腔;9壓縮活塞;10直線電機(jī);11壓縮板彈簧;12推移板彈簧;13減振裝置。

使用同軸結(jié)構(gòu),氣體經(jīng)壓縮后產(chǎn)生的氣動(dòng)力能夠直接驅(qū)動(dòng)推移活塞,避免了冷指?jìng)?cè)直線電機(jī)的引入,有效防止了制冷機(jī)體積、質(zhì)量的進(jìn)一步增加。壓縮活塞、推移活塞均采用單側(cè)板彈簧支撐。由于活塞質(zhì)量大,且重心距離板彈簧連接處較遠(yuǎn),因?yàn)橹亓?易使活塞相對(duì)于氣缸的同軸度產(chǎn)生偏離,導(dǎo)致徑向接觸,因此,同時(shí)采用板彈簧和氣體軸承技術(shù),能夠更好的保證活塞和氣缸的同軸度,壓縮機(jī)得以長(zhǎng)壽命運(yùn)行。同樣由于同軸結(jié)構(gòu),壓縮機(jī)振動(dòng)能夠徑直傳遞至冷頭,干擾制冷機(jī)可靠運(yùn)行。為了抑制制冷機(jī)振動(dòng),通常需在其一端配置減振裝置,減振裝置一般可采用內(nèi)置或外置方式,內(nèi)置方式較為美觀、運(yùn)輸方便,但不易調(diào)節(jié);外置方式利于調(diào)節(jié)板簧數(shù)量及剛度,有助于原理樣機(jī)的研究,但易受到運(yùn)輸過程中外部因素的影響,如碰撞、生銹等。

圖4所示為自由活塞斯特林制冷機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)。斯特林制冷機(jī)冷頭上分布Pt100鉑電阻(監(jiān)測(cè)溫度)和陶瓷加熱片(靜平衡法監(jiān)測(cè)冷量),制冷機(jī)冷頭(冷端)內(nèi)置于保溫罩內(nèi),采用翅片加風(fēng)冷散熱方式,對(duì)熱端換熱器及機(jī)體進(jìn)行散熱;六位半歐姆表測(cè)試Pt100鉑電阻阻值,通過換算得出對(duì)應(yīng)冷端制冷溫度;直流電源加熱陶瓷加熱片,調(diào)控制冷量大小;交流電源驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)內(nèi)電機(jī),控制系統(tǒng)功率、頻率等運(yùn)行參數(shù)。

1冷頭及保溫罩;2散熱翅片;3制冷機(jī)外殼;4六位半歐姆表;5直流電源;6交流電源。

圖5所示為自由活塞斯特林制冷機(jī)的降溫曲線。斯特林制冷機(jī)冷頭呈圓形,尺寸較大,熱負(fù)載大,需要的降溫時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)制冷機(jī)輸入功率分別維持在200 W恒定值運(yùn)行,冷端溫度在20 min后,降溫速度明顯變慢,在50 min后基本達(dá)到平衡點(diǎn),最低制冷溫度可分別維持在約-160 ℃。因此,斯特林制冷機(jī)具有較強(qiáng)的降溫能力,可以根據(jù)不同冷庫(kù)的溫度需求,選配斯特林制冷機(jī)。

圖5 斯特林制冷機(jī)的降溫曲線

圖6所示為斯特林制冷機(jī)制冷性能圖。由圖6可知,隨著制冷量的增加,輸入電功率也需對(duì)應(yīng)增加,斯特林制冷機(jī)對(duì)應(yīng)輸入電功增至500 W,制冷溫度為-86 ℃測(cè)量的制冷量為180 W,對(duì)應(yīng) COP為0.36;因此,選用的2臺(tái)斯特林制冷機(jī)在-86 ℃溫區(qū)的制冷量為360 W,需要斯特林制冷機(jī)耗電功率約為1 kW,可以滿足所設(shè)計(jì)的-80 ℃低溫冷庫(kù)的熱負(fù)荷284.51 W。斯特林制冷機(jī)冷頭溫度-86 ℃與冷庫(kù)內(nèi)部溫度-80 ℃的溫差為6 ℃,為傳熱溫差,可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整?？紤]到低溫冷庫(kù)內(nèi)部還有血漿、器官等生物樣本的胴體負(fù)荷,所設(shè)計(jì)的-80 ℃低溫冷庫(kù)也可采用多臺(tái)斯特林制冷機(jī)的聯(lián)供方案。

斯特林低溫技術(shù)先進(jìn),制冷工質(zhì)為氦氣,綠色環(huán)保,可實(shí)現(xiàn)-80 ℃及以下低溫區(qū)快速制冷,具有高效率、高可靠、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)[25]。因此,為響應(yīng)國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”的重大戰(zhàn)略布局,對(duì)標(biāo)文獻(xiàn)中采用復(fù)疊式制冷機(jī)搭建容量為7.8 m3的-80 ℃高效率低溫冷庫(kù),設(shè)計(jì)的斯特林型-80 ℃低溫冷庫(kù),每天耗電量進(jìn)行對(duì)標(biāo)研究,結(jié)果如表3所示?？芍?冷庫(kù)為實(shí)現(xiàn)-80 ℃低溫,采用斯特林制冷機(jī)是一種技術(shù)革命,高效可靠,容積為8 m3冷庫(kù)每天耗電量低至24 kW·h,即使考慮冷庫(kù)內(nèi)血漿、器官等生物樣本的胴體負(fù)荷,其耗電量也較為理想,是未來-80 ℃低溫冷庫(kù)的發(fā)展方向。

表3 -80 ℃超低溫冷庫(kù)的耗電量對(duì)比

4 結(jié)論

低溫技術(shù)將有效地構(gòu)建生物醫(yī)藥冷庫(kù)或箱體,低溫存儲(chǔ)如疫苗、血漿、細(xì)胞、骨髓、組織、核酸等生物樣本。-80 ℃斯特林型低溫冷庫(kù)近些年發(fā)展迅速,但其制冷技術(shù)局限于傳統(tǒng)的復(fù)疊式(兩級(jí)復(fù)疊或自復(fù)疊)制冷。針對(duì)我國(guó)該領(lǐng)域低溫技術(shù)亟待提升的研究現(xiàn)狀,本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一座-80 ℃ 斯特林型低溫冷庫(kù),開展了斯特林制冷機(jī)和低溫冷庫(kù)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,得到如下結(jié)論:

1)研制并實(shí)驗(yàn)測(cè)試了一臺(tái)高性能-80 ℃斯特林制冷機(jī),該制冷機(jī)降溫迅速,在200 W輸入功空載條件下10 min內(nèi)可降溫至-80 ℃,在500 W輸入功條件下可提供制冷溫度-80 ℃下180 W的制冷量,對(duì)應(yīng)COP為0.36,降溫快且具有較高的制冷效率,可以充分滿足低溫冷庫(kù)制冷溫度和庫(kù)體漏熱損失要求。

2)研究了VIP和聚氨酯發(fā)泡層組成復(fù)合絕熱層結(jié)構(gòu)以及低溫冷庫(kù)庫(kù)體的漏熱損失計(jì)算方法,計(jì)算該箱體在-80 ℃的工況下理論漏熱損失為284.51 W,具有良好的保溫性能。

3)提出了低溫斯特林-80 ℃冷庫(kù)設(shè)計(jì)方案,充分考慮負(fù)荷的閾值,采用兩臺(tái)斯特林制冷機(jī)聯(lián)和供冷的方案,對(duì)于冷庫(kù)上側(cè),冷頭冷量通過熱管內(nèi)工質(zhì)的氣液轉(zhuǎn)換,將冷量傳遞至冷庫(kù)箱體周圍,實(shí)現(xiàn)冷量高效傳輸和分布均勻性。