綜合氣候環境試驗室載冷劑方案選擇研究

劉坤，張保軍，岳磊，緱宇翔，馬東利，王騰浩

（中國北方車輛研究所，北京 100072）

綜合氣候環境試驗室載冷劑方案選擇研究

劉坤，張保軍，岳磊，緱宇翔，馬東利，王騰浩

（中國北方車輛研究所，北京 100072）

目的 為綜合氣候環境試驗室集中冷源選擇適用、合理的載冷劑方案。方法 通過對試驗室制冷需求進行分析，制定試驗室制冷系統方案。對載冷劑運行原理進行分析，得到綜合氣候環境試驗室載冷劑使用工況和需要考慮的因素。最后綜合分析和對比常用載冷劑的物性參數，總結出適用于綜合氣候環境試驗室集中冷源的載冷劑方案。結果 中溫機組的載冷劑選擇Dynalene HC-50。結論 選擇的載冷劑適用于綜合氣候環境試驗室集中冷源載冷劑系統的使用工況，方案合理。

綜合氣候環境試驗室；集中冷源；載冷劑

隨著我國武器裝備的快速發展，各軍工行業對地面車輛的需求迫切，不同功能、不同任務需求的地面車輛大量研制，武器裝備的研制周期明顯縮短，裝備環境適應性和可靠性越來越高，氣候環境模擬試驗的應用越來越廣泛，在武器研制過程中的地位也越來越高[1]。環境模擬試驗是考核產品耐環境能力的主要手段，通過選擇和設置一些環境條件，盡可能真實地再現產品在任務環境中的一些環境因素及使用方式，從而確定產品能否在預期使用環境中能夠有效可靠的工作，最終確定產品的環境適應能力[2]。

近幾年，隨著各種新型裝備的研制，航天、兵器、總后等多家單位先后建成了環境模擬試驗室，民用汽車領域也建設了很多小型環境模擬試驗艙和環境模擬試驗室[3]。因此為考核地面車輛和裝備而建立能夠模擬低溫、高溫、濕熱、高原、降水、降雪、砂塵等多種環境因素的綜合氣候環境試驗室。整個試驗室由集中冷源供應試驗室降溫所需的冷量，并由載冷劑系統進行輸送，文中即討論適用于綜合氣候環境試驗室的載冷劑方案。

1　試驗室制冷需求分析

綜合氣候環境試驗室由四個互相獨立的環境模擬單元組成，可以進行大型武器裝備、地面車輛和工程機械在綜合環境下的靜態和動態試驗。四個單元包括高原環境模擬試驗單元、綜合環境模擬試驗單元、砂塵模擬試驗單元、降水模擬試驗單元。其中高原環境模擬試驗單元可以進行高溫、低溫環境下車輛動態加載試驗，其環境溫度范圍為-45～70 ℃；綜合環境模擬試驗單元可以進行高溫、低溫、濕熱、太陽輻射條件下的車輛靜態貯存和工作試驗，其環境溫度范圍為-60～70 ℃；砂塵模擬試驗單元可以進行吹砂、吹塵試驗，其環境溫度范圍為20～70 ℃；降水模擬試驗單元可以進行降雨、降雪、積冰、凍雨試驗，其環境溫度范圍為-20～70 ℃。四個單元相互獨立，共用一套制冷系統作為集中冷源[4]。

因文中主要對制冷系統進行分析，這里只關注各試驗單元低溫極值。為適應不同試驗單元不同溫度范圍的制冷需要，將各單元試驗溫度范圍劃分為常溫段（20～-70 ℃）、中溫段（-45～20 ℃）和低溫段（-60～-45 ℃），三個溫度段分別配備制冷系統提供冷源。

2　制冷系統方案的制定

2.1 制冷系統方案

綜合氣候環境試驗室的試驗溫度范圍為-60～70 ℃，試驗溫度范圍寬，且四個試驗單元試驗溫度范圍不同，不同試驗工況對制冷系統負荷的需求相差很大，考慮到僅有綜合環境模擬試驗單元的試驗溫度范圍覆蓋低溫段，且試驗頻次較低，如果選擇一套制冷機組同時覆蓋低溫段和中溫段，對制冷機組的要求很高。復疊制冷系統轉為超低溫制冷需求設計，低溫和高溫兩個制冷循環可以保證系統長期高效穩定運行[5]；雙級制冷系統應用于低溫制冷工況，特別是-55～-40 ℃蒸發溫度段，具有較大優勢，比復疊制冷系統簡潔易于控制，占地面積小，比單級系統制冷效率高，運行成本低。因此選擇采用一套復疊制冷機組和一套雙級制冷機組分別用于低溫段和中溫段[6]。

其中復疊制冷機組高溫級制冷劑選擇 R507，低溫級制冷劑選擇R23，制冷壓縮機選擇螺桿壓縮機，R23低溫時飽和壓力較高，R507高溫時飽和壓力低。這兩種制冷劑配組組成復疊系統，能使低溫和高溫兩個制冷循環運行于合適的工作條件，冷凝壓力/蒸發壓力比適中，保證系統能長期高效穩定提供低溫制冷能力。雙級制冷機組制冷劑選擇R507[7]，制冷壓縮機選擇螺桿壓縮機[8]。復疊制冷機組用于綜合環境模擬試驗單元進行低溫試驗時，冷卻循環空氣，試驗環境溫度最低為-60 ℃。雙極制冷機組用于高原環境模擬試驗單元、綜合環境模擬試驗單元進行低溫試驗時，冷卻循環空氣，試驗環境溫度最低為-45 ℃；同時用于淋雨模擬試驗單元進行積冰、凍雨試驗時，冷卻循環空氣，試驗環境溫度最低為-20 ℃。

在確定了制冷機組的選擇方案后，需要考慮制冷機組的制冷方式，常見的制冷方式包括直接制冷和間接制冷兩種。直接制冷方式下，制冷劑通過位于循環風道內的蒸發器直接冷卻循環風，達到降低試驗間內溫度的目的；間接制冷則是通過載冷劑系統與制冷劑進行換熱，輸送冷量至循環風道內的換熱器與循環風進行換熱，達到間接降低試驗間內溫度的目的[9—10]。在高原環境模擬試驗單元中，配備有轉鼓測功機和履帶測功機，可以進行最大1200 kW輪式、履帶車輛的全負荷加載試驗。在綜合環境模擬試驗單元和淋雨模擬試驗單元中也會進行怠速或空載高轉速工作試驗，這要求制冷系統具備較快的冷量調節能力，以處理試驗中迅速產生的熱負荷對環境溫度的影響，同時還要保證環境試驗中對溫度均勻性的嚴苛要求。如果使用直接制冷對空氣進行冷卻，無法滿足短時間內試驗間熱負荷增加帶來的冷量需求，且蒸發器面積過大導致的溫度不均勻，會直接影響到試驗室內溫度的均勻性，因此中溫段制冷機組采用載冷劑系統可以實現對冷量的蓄冷，易于實現溫度控制[11—12]。

低溫段制冷機組主要用于綜合環境模擬試驗單元進行低溫貯存試驗時的制冷需求。進行低溫貯存試驗時，被試件處于關機狀態，本身不產生熱負荷，對環境溫度影響很小，因此低溫段制冷機組可以采用直接制冷或間接制冷的方式，選擇何種制冷方式主要取決于載冷劑的選擇。

2.2 載冷劑運行原理分析

載冷劑系統運行的原理如圖1所示，載冷劑管道連接主制冷系統出入口和空氣熱交換器，形成載冷劑二次回路，二次回路中載冷劑通過載冷劑換熱器與制冷系統一次回路中的制冷劑進行換熱，通過比例調節閥實現載冷劑定流量，變溫度控制，保證試驗間內環境溫度穩定下降。管道加熱器用于加熱二次回路中載冷劑，用于高溫、高濕試驗或平衡低溫試驗時環境溫度。這就要求載冷劑可以滿足低溫段和中溫段制冷需求的同時滿足高溫試驗加熱的需求。

圖1 載冷劑系統運行原理Fig.1 The principle diagram of refrigerants system

3　載冷劑的選擇

3.1 考慮的因素

根據綜合氣候環境試驗室制冷系統設計方案和制冷方式，需選擇兩種載冷劑分別用于低溫段復疊制冷系統和中溫段雙級制冷系統。用于環境試驗室的載冷劑系統不同于工業用制冷系統載冷劑，需考慮以下因素[13—15]。

1）綜合氣候環境試驗室各單元均需要進行被試車輛的怠速或高轉速空載工作試驗，特別是高原環境模擬試驗單元需要進行全負荷加載試驗。被試車輛排煙口溫度高達600～800 ℃，且尾氣中伴隨明火，因此載冷劑需考慮可燃性，選擇高閃點或無閃點型。

2）環境試驗室內因試驗需要常有試驗測試人員進出，為保證人員安全，載冷劑應選擇安全、無毒或微毒型。

3）載冷劑物性參數對載冷劑泵和空氣換熱器的設計選型影響很大，定壓比熱大、運動黏度小、導熱系數大的載冷劑有利于載冷劑泵和空氣換熱器的經濟選型，降低購置成本和運行成本。

4）根據制冷系統和氣流組織設計要求，在進行低溫試驗時，載冷劑出液溫度應比循環風出風溫度低 5 ℃，循環風出風口溫度比設計環境溫度低5 ℃，因此用于低溫段的載冷劑冰點應低于-70 ℃，用于中溫段的載冷劑冰點應低于-55 ℃，才能載冷劑系統正常工作。同理，在進行高溫試驗時，載冷劑出液溫度應高于設計環境溫度10 ℃，中溫段載冷劑既用于中溫段制冷，同時用于高溫試驗升溫，因此中溫載冷劑沸點應高于80 ℃。

3.2 載冷劑的對比

綜合載冷劑選擇需考慮因素，結合試驗室使用現狀，確定二氯甲烷、陶氏化學 Dowtherm-J、Dynalene HF-LO和Dynalene HC-50四種載冷劑。各載冷劑使用溫度范圍見表1。

表1 各載冷劑使用溫度范圍Table 1 Temperature range of refrigerants

由表1可知，適用于低溫段載冷劑包括二氯甲烷、陶氏化學Dowtherm-J和Dynalene HF-LO；適用于中溫段載冷劑包括陶氏化學 Dowtherm-J、Dynalene HF-LO和Dynalene HC-50。

由表 2可知，低溫段載冷劑中二氯甲烷無閃點，但遇高濃度氧氣混合，強加熱下會產生爆炸，且二氯甲烷在高溫下易分解為劇毒光氣，對試驗人員危害較大。二氯甲烷雖不參與高溫升溫工作，但在高溫試驗時，低溫段空氣換熱器中存在的二氯甲烷易受熱分解。

表2 各載冷劑閃點、冰點和毒性Table 2 Flash point/Freezing point and toxicity of refrigerants

中溫段載冷劑應無閃點或高閃點，除Dynalene HC-50為水基載冷劑外，Dynalene HF-LO和陶氏化學Dowtherm-J均為油基載冷劑，閃點較低。當遇到高溫氣體或明火時，如出現載冷劑泄漏，會引起燃燒或爆炸，因此中溫段載冷劑應首先考慮Dynalene HC-50。

由圖 2和圖 3所示，在進行低溫段試驗時，Dynalene HF-LO的定壓比熱比二氯甲烷大64%。由此可以得出，在同等熱負荷條件下，Dynalene HF-LO的質量流量可以比二氯甲烷減少約 37%。由于 Dynalene HF-LO的運動黏度是二氯甲烷的120倍，綜合質量流量和運動黏度，根據局部阻力和沿程阻力，計算得到Dynalene HF-LO載冷劑泵的功率消耗約為二氯甲烷載冷劑泵的80%，陶氏化學Dowtherm-J載冷劑泵的功率消耗約為二氯甲烷載冷劑泵的30%。

圖2 各載冷劑定壓比熱曲線對比Fig.2 The comparison of specific hear at constant pressure curves of refrigerants

圖3 各載冷劑運動黏度曲線對比Fig.3 The comparison of kinematic viscosity curves of refrigerants

在進行中溫段試驗時，Dynalene HC-50的定壓比熱比Dynalene HF-LO高20%～30%，同等熱負荷條件下，Dynalene HC-50載冷劑質量流量可以比Dynalene HF-LO減少 17%～23%。由于 Dynalene HC-50的運動黏度比Dynalene HF-LO 高約10%～40%，綜合質量流量和運動黏度，根據局部阻力和沿程阻力，計算得到Dynalene HF-LO載冷劑泵的功率消耗與Dynalene HC-50載冷劑泵的功率消耗接近，陶氏化學Dowtherm-J載冷劑泵的功率消耗最低。

換熱器主要用于載冷劑與試驗室內循環空氣進行換熱，換熱器的面積與載冷劑的導熱系數之間相關。由圖4可知，Dynalene HF-LO的導熱系數約是 Dynalene HC-50的 25%，約是二氯甲烷的67%，約是陶氏化學Dowtherm-J的86%。故為達到相同的制冷量，Dynalene HF-LO的換熱器面積約比Dynalene HC-50的大25%，比二氯甲烷的大10%，與陶氏化學Dowtherm-J相當。

圖4 各載冷劑導熱系數曲線對比Fig.4 The comparison of thermal conductivity curves of refrigerants

通過上述分析可知，中溫段載冷劑中Dynalene HC-50和陶氏化學Dowtherm-J的性能要明顯優于Dynalene HF-LO，且考慮Dynalene HC-50為水基載冷劑，無閃點，具有更好的安全性，中溫段載冷劑選擇Dynalene HC-50。低溫段載冷劑中陶氏化學Dowtherm-J、Dynalene HF-LO和二氯甲烷性能相似，因三種載冷劑中陶氏化學 Dowtherm-J、Dynalene HF-LO均有閃點，泄漏遇明火易發生爆燃，二氯甲烷具有毒性，又如前文所述，低溫段直接制冷或間接制冷均能滿足環境試驗室要求，綜合考慮運行風險和實際使用情況，低溫段采用直接冷卻方式。

4　結語

文中通過對綜合氣候環境模擬試驗室制冷需求進行分析，制定了制冷系統方案，確定了低溫段采用復疊制冷系統，中溫段采用雙級制冷系統的形式。通過分析載冷劑系統運行原理，對比載冷劑在環境試驗室使用時應考慮的主要因素，得出了中溫段載冷劑選擇Dynalene HC-50，低溫段選擇直接冷卻的制冷方式。Dynalene HC-50無毒，無閃點，物性參數優良，能夠保證載冷劑泵和空氣換熱器的經濟選型，滿足中溫段制冷和加熱使用需求。低溫段選擇直接制冷方式，保證了試驗室安全穩定運行。該載冷劑方案選擇分析研究對于同類型大型綜合氣候環境模擬試驗室的設計具有一定的借鑒意義，為類似載冷劑的選擇提供了參考。

[1] 胥澤奇, 張世艷. 裝備環境適應性評價[J]. 裝備環境工程, 2012, 9(1): 54—59. XU Ze-qi, ZHANG Shi-yan. Environmental Worthiness Evaluation of Equipment[J]. Equipment Environmental Engineering, 2012, 9(1): 54—59.

[2] 張倫武. 軍用環境試驗的發展和趨勢[J]. 環境技術, 2003, 21(4): 1—6. ZHANG Lun-wu. The Advancement and Trend of Military Environmental Test[J]. Environment Technology, 2003, 21(4): 1—6.

[3] 許翔. 汽車環境適應性試驗綜述[J]. 裝備環境工程, 2013, 10(1): 61—65. XU Xiang. Review of Automobile Environmental Worthiness Test[J]. Equipment Environmental Engineering, 2013, 10(1): 61—65.

[4] 劉海燕. 大型氣候環境實驗室空氣處理系統方案探討[J]. 裝備環境工程, 2014, 11(5): 107—103. LIU Hai-yan. Discussion on Design of the Air Handling System in Large Climatic Environmental Test Laboratory [J]. Equipment Environmental Engineering, 2014, 11(5): 107—103.

[5] 程有凱. 兩級壓縮與復疊式制冷方式的比較[J]. 制冷與空調, 2004, 4(3): 66—69. CHENG You-kai. The Compare of Double –Stage Compression and Cascade Refrigerating System[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2004,4(3): 66—69.

[6] 金蘇敏. 制冷技術及應用[M]. 北京: 機械工業版社, 2001. JIN Su-min. Refrigeration Technical and Application[M]. Beijing: China Machine Press, 2001.

[7] 孫艷秀. R404A和R507A在雙級制冷系統中的應用分析[J]. 低溫與超導, 2010, 38(9): 53—56. SUN Yan-xiu. Application Analysis of Refrigerant R404A and R507A under Two-stage Refrigeration System[J]. Cryogenics and Superconductivity, 2010, 38(9): 53—56.

[8] 馬廣順. 大型低溫環境試驗室制冷系統設計[J]. 裝備環境工程, 2013, 10(2): 96—98. MA Guang-shun. Design of Refrigeration System for Large Environmental Test Chamber[J]. Equipment Environmental Engineering, 2013,10(2): 96—98.

[9] 解國珍, 姜守忠. 制冷技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2008. XIE Guo-zhen, JIANG Shou-zhong. Refrigeration Technique[M]. Beijing: China Machine Press, 2008.

[10] 闞杰, 郝亮. 間接制冷系統中除霜、能耗及溫室效應的比較[J]. 制冷與空調, 2005, 5(3): 53—56. KAN Jie, HAO Liang. Comparison of Defrosting, Energy Consumption and Greenhouse Effects of Indirect Refrigeration System[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2005, 5(3): 53—56.

[11] 昝世超, 鐘瑜. 乙二醇在制冷系統中的腐蝕及防護研究[J]. 制冷與空調, 2012, 12(2): 77—80. ZAN Shi-chao, ZHONG Yu. Research on Corrosion and Protection of Glycol in Refrigeration System[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2012, 12(2): 77—80.

[12] 馬建軍, 孫俠生. 環境實驗室溫度均勻性的數值分析研究[J]. 裝備環境工程, 2014, 11(1): 48—53. MA Jian-jun, SUN Xia-sheng. Numerical Analysis of Temperature Uniformity for Climatic Test Chamber[J]. Equipment Environmental Engineering, 2014, 11(1): 48—53.

[13] 王俊. 環境模擬技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 1996. WANG Jun. Technical Environment Simulating[M]. Beijing: National Defense Polytechnic Press, 1996.

[14] 曹興中. 各種載冷劑的技術經濟性比較[J]. 低溫與制冷, 2013, 31(3): 10—12. CAO Xing-zhong. Technical and Economical Comparison of Various Secondary Refrigerants[J]. Low Temperature and Specialty Gases, 2013, 31(3): 10—12.

[15] 吳敏. 制冷設備中載冷劑的選擇分析[J]. 潔凈與空調技術, 2013(3): 98—100. WU Min. The Selection and Analysis of Secondary Refrigeration in Refrigerating System[J]. Contamination Control and Air-conditioning Technology, 2013(3): 98—100.

Research on the Selection of Refrigerants Used in Combined Climatic Environmental Chambers

LIU Kun, ZHANG Bao-jun, YUE Lei, GOU Yu-xiang, MA Dong-li, WANG Teng-hao
(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

Objective To select applicative and reasonable refrigerants for the cooling plant centre of combined climatic environmental chambers. Methods The scheme of refrigerating system was proposed based on the analysis on refrigerating requirements of the laboratory. And the use condition and the factors to be considered of the refrigerants of the chambers was confirmed based on the analysis on the operation principle of refrigerants. Then the scheme of the refrigerants used in combined climatic environmental chambers was summarized based on the analysis and comparison of the physical parameters of common-used refrigerants. Results Dynalene HC-50 was selected as the refrigerant for the mid-temperature refrigerating system. Conclusion The refrigerant selected is applicable for the refrigerant system of cooling plant centre of the combined climatic environmental chambers, and the scheme is reasonable.

combined climatic environmental chambers; cooling plant centre; refrigerants

2016-06-15；Revised：2016-07-15

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.017

TJ07；TB61+2

A

1672-9242(2016)05-0105-06

2016-06-15；

2016-07-15

劉坤（1987—），男，山東棗莊人，碩士，工程師，主要研究方向為特種車輛環境試驗和環境模擬試驗技術。

Biography：LIU Kun（1987—）， Male， from Zaozhuang， Shandong， Master， Engineer， Research focus: special vehicle climate environment test and environmental simulation test technique.