環境試驗箱制冷系統的熱氣旁通設計研究

劉俊宏，覃家祥，劉俊辰

（1. 深圳市瑞藍技術有限公司，深圳 518116；2. 中國電器科學研究院股份有限公司，工業產品環境適應性國家重點實驗室，廣州 510663；3. 中山大學材料科學與工程學院，低碳化學與過程節能廣東省重點實驗室，廣州 510275）

引言

環境試驗箱是用科技的手段模擬出不同的自然環境氣候，對現代工業品進行測試，達到性能驗證、加速老化、應力篩選的目的。隨著各行各業對產品可靠性要求越來越苛刻，產品可靠性測試對環境試驗箱的要求也越來越多樣、嚴厲[1,2]。當今的環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。環境試驗箱的制冷系統必須要有能同時滿足高溫（150 ℃以上）到低溫（-70 ℃到以下）區間的所有工況，且需快速響應試驗設備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雜，也為了保證試驗設備性能的持續穩定性，制冷系統常常維持低載運行，甚至很多時候試驗設備暫時制冷量需求為負值時也必須保證制冷系統的正常運行[4]。為保證壓縮機的回油和電機冷卻，制冷系統有最低回氣壓力運行的要求[5]，當試驗設備需求的蒸發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鍵。

1 環境試驗箱的制冷系統

環境試驗箱的制冷系統多采用R404A和R23兩種工質，其中R404A可單獨使用設計成單級制冷系統，R23則必須搭配R404A系統一起組成復疊式制冷系統才可以正常工作。無論哪種形式的制冷系統都需要維持制冷系統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，通過合理的節流和流量控制，匯合后接入壓縮機吸氣管道。當試驗設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。

試驗設備大制冷量需求時，主供液閥和次供液閥同時向蒸發器供液，保證壓縮機能夠發揮最大能力。部分制冷量需求時，通過對主供液閥和次供液閥的調節，來匹配試驗設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

圖2 復疊帶冷熱旁通制冷系統

2 熱旁通設計方法

冷熱旁通回路是將熱旁通當成冷旁通的模擬負載，在制冷系統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，本質上是一個膨脹節流閥，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，根據制冷系統最低制冷量要求，按照配件商提供的選型軟件或資料對應計算選型。需要注意的是不同的制冷工質，在不同的冷凝溫度下有不同的修正因數。如丹佛斯系列熱氣旁通閥[9]（見表1）。

在考慮修正因數之后，選擇熱氣旁通閥負荷值與壓縮機制冷量對應的型號。

選型現有的品牌閥件相對簡單方便，但受限于各廠商的型號設計，很多時候并不能很恰當的匹配制冷系統所需要的旁通負荷值，只能做近似設計，將制冷系統設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，這有違設計的初衷，即使不影響系統的安全穩定性，對長期的經濟性也不利,而且可靠的品牌閥件成本不菲。自制毛細管價格低廉，同時穩定可靠，能更簡便、貼切的匹配制冷系統所需要的旁通負荷量。

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

3 毛細管熱氣旁通的設計

毛細管是一種便宜、有效、沒有磨損的節流機構，它在家用制冷裝置中經常被用作液體節流器,對蒸發器供液。毛細管作為液管節流器的計算一直都沒有可靠公式，大多根據經驗值通過實驗確定[5]。將其用在熱氣旁通管中，利用制冷工質在細長管中的流動阻力，對壓縮機排氣管中的高溫高壓過熱工質進行降壓節流成為高溫低壓氣體，節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管管內徑和長度[10，11]。

4 毛細管熱氣旁通的粗算過程

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

1）計算毛細管前后低壓、高壓熱氣旁通管的管內流速 υ1、υ3。

首先根據設計的最低運行壓力，結合制冷劑的工質性質可以查出毛細管前后高壓、低壓熱氣旁通管道內的密度或比容，從而計算得出體積流量：

根據體積流量確認毛細管前后低壓、高壓熱氣旁通管的內管徑：

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

圖3 毛細管連接模型

以最大流速計算得出的管徑D是最小要求的銅管內徑。而商用銅管的尺寸已經標準化，為保證可靠性，環境試驗箱制冷系統管路銅管在選擇時均選用壁厚較厚的K形式銅管[12]。

2）初定毛細管的內徑

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

3）計算毛細管沿程阻力

毛細管的長度直接影響的是制冷劑的沿程阻力，要計算毛細管的長度，就需要先得到毛細管的沿程阻力值。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管中流動時，比容不斷發生改變，流速越來越快，加上管路的保溫作用，在毛細管長度粗算時，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]。

根據氣體一元氣體連續性方程ρvA=C，C為常量。毛細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、流出毛細管瞬間的流動狀態參數υ2i，ρ2i；

毛細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）計算毛細管的長度

毛細管節流過程為絕熱膨脹過程，根據一元氣體絕熱流動的基本公式（近似解）[11]：

公式中：

P1、P2—毛細管進出口壓力，單位為Pa；

l—毛細管長度，單位m；

λ—摩擦阻力系數；

k—制冷劑氣體絕熱系數，常數k=1.33；

ρ1—制冷劑密度，kg/；

D—毛細管內徑，單位m；

G—制冷劑質量流量，單位Kg/s；

A—毛細管截面積，單位m2。

當Re=4 000～107時采用在柯式公式基礎上簡化的莫迪公式：

當Re＞107時采用在柯氏公式上簡化的阿里特蘇里公式：

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

由絕熱管路一元氣體流動方程可得毛細管長度：

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

5 結束語

冷熱旁通調節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，更利于環境試驗箱溫濕度性能的穩定性保持，尤其是有不同帶載量需求的試驗設備，冷熱旁通的卸載運行顯得更加有意義。而毛細管方式的熱氣旁通，簡便可靠且成本低廉。通過不同長度和內徑的毛細管熱氣旁通管選擇，幾乎可以滿足所有制冷系統低吸氣壓力旁通吸氣量的要求。合理的設計計算和實踐驗證顯得非常有意義。