低壓空氣制冷系統的結構設計探究

陳剛

大連斯頻德環(huán)境設備有限公司 遼寧大連 116600

關鍵字低壓空氣；制冷系統；結構設計

1 引言

低壓空氣制冷系統是一種將低壓空氣作為工作介質和動力的制冷系統，在其結構設計過程中，需要把握好增壓單元、換熱單元和制冷單元等各個部分的設計方法，同時采取有效的調節(jié)措施，保證系統運行的穩(wěn)定性和制冷能力。從以往的設計經驗來看，由于設計人員對低壓空氣制冷系統結構不夠了解，或細節(jié)設計不合理，導致產品難以達到預期效果。因此，有必要對其系統組成結構及設計方法進行詳細研究，從而提升低壓空氣制冷系統結構設計水平。

2 低壓空氣制冷系統的組成結構分析

低壓空氣制冷系統的組成結構較為復雜，大體可分為增壓單元、換熱單元、冷卻單元、電磁節(jié)流閥膨脹單元幾個部分。具體包括主閥、增壓泵、一級換熱器、保溫室、二級換熱器、電磁節(jié)流閥、氣體出口等。將0.7MPa低壓空氣輸入到增壓單元后，將其分為兩個部分使用。其中一部分作為驅動活塞的動力，完成作工后，排入到大氣中。另一部分則作為制冷介質，將其壓縮成23.5MPa高壓空氣，然后引入到第一級換熱器中，對其進行冷卻。完成后引入到第二級換熱器中，對其進行再次冷卻。經過兩次冷卻的高壓空氣最終電磁節(jié)流閥膨脹單元中進行節(jié)流，進而產生低溫氣體。得到的低溫氣體也分為兩部分使用，其中一部分引入到保溫室中，負責對保溫室進行冷卻。另外一部分低溫氣體則返回到第二級換熱器中，與持續(xù)輸入的高壓空氣發(fā)生逆流換熱作用，然后通過噴射方式，返回到第一級換熱器中。低溫空氣在噴射過程中，會在噴口位置形成負壓，確保保溫室氣體能夠吸入到第一級換熱器中，通過與高壓氣體發(fā)生逆流換熱作用后，排入到大氣中。在整個制冷過程中，低壓空氣制冷系統的換熱器冷卻氣體溫度會逐漸下降，電磁節(jié)流閥的節(jié)流孔前氣體溫度也會持續(xù)下降，從而形成積分式的制冷效應，確保制冷量越來越大。其制冷量變化情況如圖1所示，即從“1-2-3-4”變化到“1-2-3ˊ-4ˊ”，再變化到“1-2-3"-4"”[1]。

3 低壓空氣制冷系統的結構設計方法

3.1 增壓單元設計

在上述低壓空氣制冷系統結構下，需要對各功能單元進行詳細設計，從而實現最終的制冷功能。其中，增壓單元是低壓空氣制冷系統的一個重要單元，在整個制冷過程中都發(fā)揮著重要作用。低壓空氣制冷系統的增壓單元如圖2所示，主要由主閥大軸、主閥小軸、N腔、M腔、R腔、S腔、T腔、閥1、閥2、閥3、閥4等部分組成。氣缸活塞運動到上死點后，閥1被頂開，從A1口進入0.7MPa低壓空氣，引入N腔。低壓空氣進入后會作用在主閥大端和主閥小端，且前者作用力大于后者，從而推動主閥活塞向右側移動。從A1口進入的低壓空氣通過主閥中心部分的通路后，被引入R腔，作為推動力使氣缸活塞向下移動。與此同時，T腔中的0.7MPa低壓空氣會被壓縮到23.5MPa，得到的高壓空氣通過閥4后，從B口排出區(qū)，同時閥3關閉。氣缸活塞移動到下死點后，閥2被頂開，此時N腔經閥2可以與大氣相通。M腔中的0.7MPa低壓空氣作用在主閥活塞上，使其向左進行移動，R腔可通過C1口與大氣相同。閥4關閉后，T腔中的剩余空氣發(fā)生膨脹，閥3被打開，使低壓空氣進入到T腔中，進而使氣缸活塞上移，達到上死點后，進入下一個吸氣壓縮循環(huán)[2]。

圖1 低壓空氣制冷系統制冷量變化情況

圖2 增壓單元設計示意圖

圖3 低壓空氣制冷系統的電磁節(jié)流閥結構示意圖

3.2 換熱器設計

在低壓空氣制冷系統中，共設計有兩級換熱器，且第一級換熱器和第二級換熱器的結構形式不同。第一級換熱器的蛇形管是由3層的φ3 0.5紫銅管組成的。其中，內層紫銅管的直徑為φ48.5，其圈數為65圈。中層的雙頭繞管直徑為φ56.5，其圈數為82圈。外層的雙頭繞管直徑為φ64.5，其圈數為72圈。第二級換熱器的蛇形管結構則是由四層φ3 0.5紫銅管所促成的。其中，里面的兩層為單頭紫銅管，其中一層紫銅管直徑為φ41，圈數為39圈，另一層紫銅管直徑為φ48，圈數為34圈。外面的兩層紫銅管則為雙頭繞管，其中一層直徑為φ57，圈數為48，另一層直徑為φ65，圈數為54。因此，在設計過程中，要對兩級換熱器進行分別設計，區(qū)分第一級和第二級換熱器的蛇形管形式，控制好其設計參數[3]。

3.3 電磁節(jié)流閥設計

在低壓空氣制冷系統的電磁節(jié)流閥設計過程中，由于電磁節(jié)流閥屬于制冷系統的關鍵元件，需要對其設計參數進行嚴格把控，否則將對整個系統的制冷性能產生不利影響。電磁節(jié)流閥的主要功能是對壓縮空氣流量進行調節(jié)，從而影響著低壓空氣制冷系統的制冷能力。具體可采用2個孔板進行條件，孔板材料為聚四氟乙烯。在對電磁節(jié)流閥進行設計時，重點應設計好聚四氟乙烯孔板的直徑。電磁節(jié)流閥具體由去節(jié)流裝置的換熱器、銜鐵、調節(jié)螺栓、冷凍室、閥芯、閥座和孔板等結構組成，其結構圖如圖3所示。在對孔板直徑進行設計時，具體的直徑系列可采用φ0.5/φ0.7/φ1/φ1.4/φ2/φ2.8/φ3/φ3.5/φ4，從而滿足電磁節(jié)流閥的壓縮空氣流量和制冷量調節(jié)需求。此外，還應做好針閥閥芯和針閥閥座的設計，確保其結構尺寸和規(guī)格能夠滿足電磁節(jié)流閥結構設計要求，詳細設計其尺寸參數，確保電磁節(jié)流閥的結構完整性和靈活性。

3.4 制冷量調整措施

在低壓空氣制冷系統中，保溫容器一般采用體積150～200L左右的絕熱容器。在其設計過程中，需要合理設計保溫室流量孔板直徑、空氣壓力和節(jié)流孔溫度，從而確保保溫室的制冷能力能夠正常發(fā)揮。從以往的設計經驗來看，由于制冷量調節(jié)措施不當、設計人員沒有把握好各項參數的設計范圍，或因細節(jié)處理不當，導致保溫室難以達到預期的溫度下降效果。在實際設計過程中，首先應充分了解保溫容器的使用功能，其流量孔板直徑設計會影響通向保溫室的壓力，進而影響其制冷功能。一般情況下，應將通向保溫室的流量孔板直徑設計為3～4mm，并在0.1～1.2MPa壓力條件下，對通向換熱器流量孔板的直徑進行逐步調節(jié)，確保通向保溫室的空氣壓力在50～60kPa范圍內。在此條件下，節(jié)流孔前的壓力值在19.5MPa～21MPa范圍之間，節(jié)流口后的溫度則會從-140℃下降到-180℃。由此可以確保保溫室能夠在44min～55min時間內，具備將溫度降低至-70℃的制冷能力，從而滿足低壓空氣制冷系統的實際使用需求。

3.5 設計效果評價

通過采取上述設計方法設計并實現的低壓空氣制冷系統，可以滿足一般情況下的制冷功能需求，而且系統結構相對簡單，運行穩(wěn)定性較高，具有較高的綜合運行效益。目前使用的低壓空氣制冷系統主要是基于逆布雷頓循環(huán)和逆埃里克森循環(huán)實現的。在理想條件下，布雷頓循環(huán)是由2個定壓過程、2個等熵過程組成的，工質經過低壓換熱器后，被升溫至狀態(tài)1，然后經過等熵壓縮升溫至狀態(tài)2。埃里克森循環(huán)則是由兩個冷卻器、低壓換熱器、2個壓縮機和膨脹機組組成的，為提高循環(huán)性能系數，也需要采用換熱器，經過熱交換后再進入膨脹機和壓縮機。低壓空氣制冷則是兩種循環(huán)的逆過程。包括目前使用的列車空調空氣制冷系統、飛機空調空氣制冷系統、低溫用空氣循環(huán)制冷系統等，都是根據這一原理設計的。本次設計的低壓空氣制冷系統除能夠發(fā)揮正常的制冷功能外，還能滿足熱負荷增加下的系統調節(jié)需求。

從上述設計過程中，可以總結出以下幾方面經驗：

（1）低壓空氣制冷系統的內部組成結構較為復雜，且需要發(fā)揮各個功能單元的協調作用，才能確保系統的制冷功能。因此，在設計過程中，必須關注于各個單元的具體功能以及各單元時間的聯動性，特別應把握好接口部分的設計內容，包括其尺寸結構的合理性以及動力傳遞的合理性等。

（2）從低壓空氣制冷系統的運行原理來看，其工作過程是一個往復循環(huán)的過程，在低壓空氣作為動力供應和作為工質流通的過程中，通過合理設計各閥門、出口、腔體結構，可以確保其工作過程中的連續(xù)性，進而滿足系統穩(wěn)定運行需求。

（3）兩級換熱器的應用是低壓空氣制冷系統循環(huán)流程實現的關鍵，在具體設計過程中，需要根據兩級換熱器的設計目的，分別設計其結構形式，滿足第一級換熱器和第二級換熱器的逆流換熱作用需求。通過把握好細節(jié)設計，進一步提升低壓空氣制冷系統的設計水平，簡化系統結構，實現制冷功能。

4 結束語

綜上所述，在對低壓空氣制冷系統進行結構設計時，通過明確其使用需求及系統組成結構，掌握每個結構組成單元的功能特點，可以明確設計方向，從而合理選擇設計方法。在此基礎上，通過對各結構單元進行分別設計，逐一實現其模塊功能，并提升各功能單元之間的聯動性，可以提升低壓空氣制冷系統的整體性能。