實驗室循環制冷設備的計算機控制系統設計

蔡麗江

(廣州華商學院，實驗教學與網絡技術管理中心， 廣東，廣州 511300)

0 引言

當前實驗室制冷中所使用的傳統空氣壓縮循環制冷系統多采用節流閥或毛細管實現高壓制冷劑的節流降壓，但這種制冷方式會在很大程度上造成制冷劑能量的浪費[1-3]，而且制冷過程中對溫度的控制不穩定，容易導致某些特殊實驗室藥劑材料失效。為此，本文提出了一種液體單相循環引射制冷系統，在蒸發器之后部署氣液分離器，使高壓制冷劑與液體制冷劑保持一定的壓差。通過引射驅動液體流動，以等熵過程替代等焓過程從而減少制冷劑的能量損失，同時利用膨脹功為壓縮機提供動力，降低了系統的能源消耗。

1 系統總體結構與工作原理

本文提出的液體單相循環引射制冷控制系統總體結構及工作流程如圖1所示。系統所用制冷劑型號為R134a，蒸發器與冷凝器均采用了板式換熱結構，利用ZB45KQE渦旋壓縮機進行工質加壓，液體制冷劑引射器的結構參數如表1所示。在不同的閥門開閉組合形式下，系統可實現液體單相循環引射與兩相流引射兩種工作模式的切換。在液體單相循環引射模式下，HV2、HV3和HV6打開，HV1、HV4和HV5關閉。該模式下，經過冷凝器降溫處理的高壓液體為引射器提供引射流，被引射流則是氣液分離器中的液體制冷劑，引射效應由二者之間的壓差形成。制冷劑在混合室中進行摻混，在擴壓器中被提升壓力并送入蒸發器，從而實現了蒸發器的超倍供液[4-5]。在蒸發器中制冷劑部分蒸發為氣體，隨后氣體制冷劑和液體制冷劑在氣液分離器中分離，氣體制冷劑由壓縮機進行二次加壓，液體制冷劑則被引射到高壓液體中進入下一次引射分離過程，由此形成液體單相循環。在兩相流引射模式下，HV1、HV4和HV5打開，HV2、HV3和HV6關閉，仍由經過冷凝器降溫處理的高壓液體為引射器提供引射流，但引射器則變為蒸發器中已蒸發為氣態的制冷劑，高壓液體將氣體制冷劑引射出來后氣液混合制冷劑進入氣體分離器，分離出來的氣體制冷劑由壓縮機進行二次加壓，液體制冷劑則被送入蒸發器以獲得氣體制冷劑[6]。

圖1 系統總體結構及工作流程

表1 引射器結構參數匯總表

2 實驗分析

2.1 實驗準備

實驗過程中需要通過調整設備冷卻水的溫度和流量來改變實驗工況。按圖1所示位置安裝實驗室制冷系統關鍵參數測量設備。除了管路中氣液制冷劑的狀態參數，還需測量壓縮機的電力參數和運行功率。上述所有參數的采集、存儲、顯示以及工況參數的調整都由上位機中的WinCC組態軟件實現。

2.2 蒸發溫度對工質參數的影響

設定冷凝器的工作溫度為40 ℃，蒸發器的蒸發溫度在-14 ℃～-6 ℃之間[7-8]進行調整，測量并分析引射器的引射流量、引射比以及系統的制冷量和COP等參數的變化情況。

實驗室制冷系統制冷量及COP隨蒸發溫度的調整而產生的變化如圖2所示。由圖2可見，在蒸發溫度由-14 ℃到-6 ℃的逐步提升過程中，液體單相循環引射與兩相流引射兩種工作模式下系統的制冷劑和COP均持續升高，且液體單相循環模式下的工質參數提升幅度與速率均高于兩相流引射模式。在-13 ℃～-6 ℃之間調整蒸發溫度時，液體單相循環引射模式下制冷量提升了45.9%，COP提升了14%。由此可見，在蒸發溫度較高的條件下液體單相循環引射制冷系統在制冷性能方面更具優勢，而蒸發溫度低于-13 ℃時兩相流引射系統的制冷能力更強。

引射器引射比隨蒸發溫度調整的變化趨勢如圖3所示。由圖3可見，隨著蒸發溫度的升高，液體單相循環引射與兩相流引射兩種工作模式下引射器引射比隨之持續降低，其原因在于蒸發溫度的提升使引射器噴嘴進出口處的壓差不斷變小。同時，液體單相循環模式下引射比的下降速度更快，這是由于除了引射器噴嘴進出口壓差，蒸發器中未蒸發液體制冷劑的流量也對引射比具有一定的影響，在蒸發溫度較高的調價下換熱量相應增加，被引射出來參與再循環的液體制冷劑流量減小，氣液分離器出口被分離出的液體制冷劑也隨之減少，降低了蒸發溫度較高條件下引射器的引射效率。蒸發溫度調整過程中引射器壓比及壓差的具體變化情況如圖4所示。由圖4可見，隨著蒸發溫度的升高，引射器進出口的壓比及壓差均持續減小。

(a) 制冷量

(b) 系統COP

圖3 引射器引射比隨蒸發溫度的變化

圖4 引射器進出口壓差及壓比隨蒸發溫度的變化

引射器的引射流量隨蒸發溫度調整的變化趨勢如圖5所示。由圖5可見，隨著蒸發溫度的升高，液體單相循環引射與兩相流引射兩種工作模式下引射器的引射流量均隨之增加。同時，兩相流引射模式下被引射的氣體流量也有所增加，而液體單相循環引射模式下被引射的液體流量卻有所減小，使得在蒸發溫度較高的條件下液體單相循環引射器的引射比相對較小。但從整體性能上看，即使引射器引射比較小，但換熱量隨蒸發器流量的增大而增大，所以最終系統的制冷量及COP都相對提高。

(a) 主引射流

(b) 被引射流

2.3 循環制冷系統冷凝溫度對工質參數的影響

設定蒸發器的蒸發溫度為-10 ℃，冷凝器的工作溫度在36 ℃～48 ℃之間進行調整，測量并分析液體單相循環模式下引射器的引射流量、引射比以及系統的制冷量和COP等參數的變化情況。

實驗室制冷系統制冷量及COP隨冷凝器工作溫度的調整而產生的變化如圖6所示。由圖6可見，在蒸發溫度由48 ℃到36 ℃的逐步下降過程中，液體單相循環引射與兩相流引射兩種工作模式下系統的制冷劑和COP均持續升高，且液體單相循環引射模式下系統制冷量始終大于兩相流引射模式，冷凝器的工作溫度越低，兩種不同引射器制冷系統的制冷量相差越大；冷凝器工作溫度調整到36 ℃時，液體單相循環引射制冷系統的制冷量提升幅度達到了41.5%。在冷凝器的工作溫度低于42 ℃的條件下，液體單相循環引射制冷系統的COP相對較高，而高于42 ℃時該系統COP值卻相對較低。冷凝器工作溫度調整到36 ℃時，液體單相循環引射制冷系統的COP提升幅度為14%，而在冷凝器工作溫度調整到48 ℃時兩相流引射制冷系統的COP則相對高出5.8%，可見在較低的溫度范圍內液體單相循環引射制冷系統具有更強的制冷性能[9-10]。

(a) 制冷量

(b) 系統COP

引射器引射比隨冷凝器工作溫度調整的變化趨勢如圖7所示。由圖7可見，隨著隨冷凝器工作溫度的降低，兩相流引射器的引射比呈現持續降低的趨勢，而液體單相循環引射器的引射比先小幅升高后大幅降低，在冷凝器工作溫度調整至42 ℃時該引射器的引射比達到最高，隨后則開始降低。冷凝器工作溫度調整為40.5 ℃時，2種引射器的引射比相等，繼續調低溫度后兩相流引射器的引射比一直高于液體單相循環引射器，其原因在于隨著冷凝器工作溫度的降低，引射器進出口的壓比和壓差均有所減小(見圖8)，對引射器的引射效率產生了影響。

圖7 引射器引射比隨冷凝器工作溫度的變化

圖8 引射器進出口壓比及壓差隨冷凝器工作溫度的變化

引射器的引射流量隨冷凝器工作溫度調整的變化趨勢如圖9所示。由圖9可見，隨著冷凝器工作溫度的降低兩相流引射器引射流流量小幅提升，被引射氣體的流量則有所減小，而液體單相循環引射器的引射流和被引射液體的流量均有所減小，這種變化使蒸發器中的未蒸發液體制冷劑流量減小，但換熱量的增加促使制冷量隨之提高，從而系統整體COP相應提高。

(a) 主引射流

(b) 被引射流

3 總結

為了解決實驗室傳統制冷系統制冷劑能量損失過大的問題，本文提出了一種液體單相循環引射制冷計算機控制系統，以高壓制冷劑為引射流將未蒸發的液體制冷劑從氣液分離器中引射出來并形成液體單相循環引射模式。通過系統實驗得到如下結論：通過提高蒸發器的蒸發溫度或降低冷凝器的工作溫度兩種方式可有效提高液體單相循環引射系統的制冷性能；液體單相循環引射器的引射比很大程度上取決于引射器進出口的壓差，壓差越大引射器的引射比越高。