環(huán)境試驗(yàn)箱制冷系統(tǒng)的熱氣旁通設(shè)計(jì)研究

環(huán)境試驗(yàn)箱是用科技的手段模擬出不同的自然環(huán)境氣候，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)品進(jìn)行測(cè)試，達(dá)到性能驗(yàn)證、加速老化、應(yīng)力篩選的目的。隨著各行各業(yè)對(duì)產(chǎn)品可靠性要求越來(lái)越苛刻，產(chǎn)品可靠性測(cè)試對(duì)環(huán)境試驗(yàn)箱的要求也越來(lái)越多樣、嚴(yán)厲。當(dāng)今的環(huán)境試驗(yàn)箱必須要能滿(mǎn)足越來(lái)越快的溫度變化速率要求，越來(lái)越寬的極限高低溫要求，越來(lái)越大的承載能力要求。環(huán)境試驗(yàn)箱的制冷系統(tǒng)必須要有能同時(shí)滿(mǎn)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(yàn)設(shè)備0~100%制冷量需求。為避免制冷壓縮機(jī)的頻繁啟停，尤其是較大制冷機(jī)組啟動(dòng)復(fù)雜，也為了保證試驗(yàn)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(yùn)行，甚至很多時(shí)候試驗(yàn)設(shè)備暫時(shí)制冷量需求為負(fù)值時(shí)也必須保證制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為保證壓縮機(jī)的回油和電機(jī)冷卻，制冷系統(tǒng)有最低回氣壓力運(yùn)行的要求，當(dāng)試驗(yàn)設(shè)備需求的蒸發(fā)量不足以維持壓縮機(jī)最低吸氣壓力時(shí)，額外的回氣補(bǔ)充顯得非常關(guān)鍵。

環(huán)境試驗(yàn)箱的制冷系統(tǒng)多采用R404A和R23兩種工質(zhì)，其中R404A可單獨(dú)使用設(shè)計(jì)成單級(jí)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(wú)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(shí)的運(yùn)行，其中冷熱旁通方式維持回氣是最簡(jiǎn)單最常用的形式。通過(guò)在制冷系統(tǒng)排氣管連接一根熱氣管，在液管干燥過(guò)濾器后連接一根液管，通過(guò)合理的節(jié)流和流量控制，匯合后接入壓縮機(jī)吸氣管道。當(dāng)試驗(yàn)設(shè)備需求的制冷量不足以維持壓縮機(jī)運(yùn)行最小吸氣量時(shí)，冷熱旁通共同工作或單獨(dú)工作，保證壓縮機(jī)的最低吸排氣量要求運(yùn)行。連接方式如圖1，圖2所示。

圖1 單機(jī)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)

試驗(yàn)設(shè)備大制冷量需求時(shí)，主供液閥和次供液閥同時(shí)向蒸發(fā)器供液，保證壓縮機(jī)能夠發(fā)揮最大能力。部分制冷量需求時(shí)，通過(guò)對(duì)主供液閥和次供液閥的調(diào)節(jié)，來(lái)匹配試驗(yàn)設(shè)備對(duì)于不同制冷量的需求。

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(kāi)啟冷熱旁通回路時(shí)能維持壓縮機(jī)的最低吸氣壓力。不同的壓縮機(jī)對(duì)最低運(yùn)行壓力不同的要求，根據(jù)這個(gè)要求去計(jì)算熱氣旁通的流量，有兩種選擇可以考慮。一是直接對(duì)制冷配件生產(chǎn)商提供的熱氣旁通閥進(jìn)行選型；二是通過(guò)截取一定長(zhǎng)度的毛細(xì)管來(lái)達(dá)到熱氣旁通的目的。冷氣旁通的作用是維持壓縮機(jī)合理的吸氣溫度，避免壓縮機(jī)吸氣過(guò)熱，本質(zhì)上是一個(gè)膨脹節(jié)流閥，同時(shí)為避免壓縮機(jī)的濕壓縮，冷氣旁通的選擇計(jì)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(shí)，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(duì)應(yīng)計(jì)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（見(jiàn)表1）。

表1 danfoss熱氣旁通閥修正因數(shù)

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(jī)制冷量對(duì)應(yīng)的型號(hào)。

選型現(xiàn)有的品牌閥件相對(duì)簡(jiǎn)單方便，但受限于各廠商的型號(hào)設(shè)計(jì)，很多時(shí)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(jì)，將制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的卸載運(yùn)行壓力提高或降低來(lái)匹配既有的品牌型號(hào)的熱氣旁通閥，這有違設(shè)計(jì)的初衷，即使不影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，對(duì)長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)性也不利,而且可靠的品牌閥件成本不菲。自制毛細(xì)管價(jià)格低廉，同時(shí)穩(wěn)定可靠，能更簡(jiǎn)便、貼切的匹配制冷系統(tǒng)所需要的旁通負(fù)荷量。

毛細(xì)管是一種便宜、有效、沒(méi)有磨損的節(jié)流機(jī)構(gòu)，它在家用制冷裝置中經(jīng)常被用作液體節(jié)流器,對(duì)蒸發(fā)器供液。毛細(xì)管作為液管節(jié)流器的計(jì)算一直都沒(méi)有可靠公式，大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。將其用在熱氣旁通管中，利用制冷工質(zhì)在細(xì)長(zhǎng)管中的流動(dòng)阻力，對(duì)壓縮機(jī)排氣管中的高溫高壓過(guò)熱工質(zhì)進(jìn)行降壓節(jié)流成為高溫低壓氣體，節(jié)流過(guò)程只涉及到單相流體，可以通過(guò)管道的阻力粗略計(jì)算得出毛細(xì)管管內(nèi)徑和長(zhǎng)度。

如圖3所示，毛細(xì)管多采用夾扁大管焊接，毛細(xì)管進(jìn)出兩端實(shí)質(zhì)上是一個(gè)突縮和突擴(kuò)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(duì)這個(gè)兩個(gè)局部阻礙和毛細(xì)管沿程阻力的計(jì)算。

圖3 毛細(xì)管連接模型

4.1 計(jì)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(jì)的最低運(yùn)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(jì)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:

得出內(nèi)徑后，

計(jì)算得到毛細(xì)管前后熱氣旁通管的氣體流速分別為 υ1、υ3 。

4.2 初定毛細(xì)管的內(nèi)徑

不同毛細(xì)管的管內(nèi)徑和管長(zhǎng)在相同應(yīng)用工況下存在類(lèi)比關(guān)系，內(nèi)徑和管長(zhǎng)共同確定毛細(xì)管的節(jié)流能力。所以管長(zhǎng)和內(nèi)徑需先假定一個(gè)初始內(nèi)徑值，再計(jì)算管長(zhǎng)。當(dāng)計(jì)算管長(zhǎng)太長(zhǎng)時(shí)（影響實(shí)際生產(chǎn)加工），再通過(guò)類(lèi)比，或重選管內(nèi)徑較大的毛細(xì)管重新計(jì)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。

4.3 計(jì)算毛細(xì)管沿程阻力

毛細(xì)管的長(zhǎng)度直接影響的是制冷劑的沿程阻力，要計(jì)算毛細(xì)管的長(zhǎng)度，就需要先得到毛細(xì)管的沿程阻力值。而這個(gè)沿程阻力值可以粗略的看做整個(gè)熱氣旁通回路的壓降除去毛細(xì)管進(jìn)出口兩個(gè)局部阻力△P_1-2 和△P_2-3  。

制冷劑過(guò)熱氣體在毛細(xì)管中流動(dòng)時(shí)，比容不斷發(fā)生改變，流速越來(lái)越快，加上管路的保溫作用，在毛細(xì)管長(zhǎng)度粗算時(shí)，將其單純的看成一元?dú)怏w在絕熱管中流動(dòng)能簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，也較貼近實(shí)際。

根據(jù)氣體一元?dú)怏w連續(xù)性方程  ρvA=C,C為常量。

毛細(xì)管進(jìn)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(jì)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(jì)算得到制冷劑在流入、流出毛細(xì)管瞬間的流動(dòng)狀態(tài)參數(shù)v_2i ,ρ_2i;v_2o,v_2o。

毛細(xì)管前后突然縮小和突然擴(kuò)大的兩個(gè)局部阻力可分別采用計(jì)算公式：

4.4 計(jì)算毛細(xì)管的長(zhǎng)度

毛細(xì)管節(jié)流過(guò)程為絕熱膨脹過(guò)程，根據(jù)一元?dú)怏w絕熱流動(dòng)的基本公式（近似解）：

公式中：P1、P2－毛細(xì)管進(jìn)出口壓力，單位為Pa；

        l——毛細(xì)管長(zhǎng)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；

        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。

毛細(xì)管的沿程阻力系數(shù)根據(jù)雷諾數(shù) 選擇相應(yīng)的公式，

當(dāng)Re=4000~10⁷ 時(shí)采用在柯式公式基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化的莫迪公式：

當(dāng)Re＞10⁷時(shí)采用在柯氏公式上簡(jiǎn)化的阿里特蘇里公式：

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

由絕熱管路一元?dú)怏w流動(dòng)方程可得毛細(xì)管長(zhǎng)度：

通過(guò)計(jì)算得出的毛細(xì)管長(zhǎng)度是一個(gè)較為粗略的值，要更精確的滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用還需要進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，也可以根據(jù)需要提高制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最低允許壓力。

冷熱旁通調(diào)節(jié)保持壓縮機(jī)在低吸氣壓力下保持運(yùn)行，不僅能有效的防止壓縮機(jī)頻繁起停，更利于環(huán)境試驗(yàn)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(yàn)設(shè)備，冷熱旁通的卸載運(yùn)行顯得更加有意義。而毛細(xì)管方式的熱氣旁通，簡(jiǎn)便可靠且成本低廉。通過(guò)不同長(zhǎng)度和內(nèi)徑的毛細(xì)管熱氣旁通管選擇，幾乎可以滿(mǎn)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(jì)計(jì)算和實(shí)踐驗(yàn)證顯得非常有意義。