低温环境实验装置设计与研究

低温环境实验装置设计与研究

韦威显

约克广州空调冷冻设备有限公司 511685

摘要：社会经济在经过不断的发展后，不断地加大了对能源的需求，各个行业逐渐对节能环保理念引起了关注。在广泛的应用制冷设备和空调设备后，必然会需要消耗更多的社会能源，制冷空调行业在发达国家和发展中国家全年需要消耗大量的能源。建筑围护结构和制冷系统由于缺乏良好的保温性、密封性等，因此导致制冷空调行业需要消耗较大的能量。因此，制冷空调行业日后需要从性能、能耗以及节能性方面，对建筑围护结构进行重点的研究。

关键词：低温环境；实验装置；设计与研究

1. 实验装置设备

风冷式压缩冷凝机组的组成部件中涉及到了制冷压缩机以及油分离器等部件。制冷系统的组成部分包含压缩冷凝机组、冷却设备、阀件等，各组成部件之间依靠制冷管道建立关联。其中，制冷压缩机主要是将制冷剂气体吸入制冷循环过程中，借助制冷压缩机将低温低压气体转换为高温高压气体，并向排气管排出；冷凝器可以将蒸发器以及压缩机冷气体转换为热量的换热设备，并借助冷却介质将热量排出；节流装置主要是控制蒸发器制冷剂流量，并对高温高压制冷剂做降压处理；冷量的输出需依靠蒸发器，其可以吸入在冷却介质影响下，产生的低温低压制冷剂热量^[1]。

2. 管道选型

（一） 压缩冷凝机组的选型计算

压缩机的选型需要参考制冷压缩机特性曲线，因此本文主要选择全封闭中低温型泰康压缩机，其特性曲线如下所示：

压缩机特性曲线

结合上述压缩机特性曲线图，以及下图实景图，表一及表二数据，当蒸发温度位于零下30℃，环境温度高达29℃，需要选择熵压缩选型压缩机，与此同时，还需要校对压缩机冷凝机组中的机械负荷程度以及蒸发温度概况，使其符合压缩机的选型要求^[2]。

表一 压缩冷凝机组基本参数

表二 压缩机基本参数表

2. 冷风机与电加热器的选型计算

其选型核心需要计算冷风机的出风量以及电加热器蒸发管换热表面积，计算公式如下：

公式中， 指的是冷风机换热面积，单位用㎡表示； 为室内环境冷负荷数值，功率数值单位为W；冷风机传热系数用 表示，单位为：W/（㎡ ℃）； 为传热温差，单位为℃；根据下表基本参数，可以得知传热温差为10℃，室内环境冷负荷为5062.36W，冷风机传热系数通过公式计算可得23W/（㎡ ℃），因此通过计算最终可得冷风机换热面积 =22㎡。

表三 冷风机基本参数

需要注意的是，所选择的冷风机类型送风管道风量要略低于轴流风机风量，究其原因是高低温空调箱内，存在气流的回流现象，受其影响，所设计的均匀送风道要小于本文中所使用的冷风机风量^[3]。

下表便是所选用的翅片管型电热器的基本参数数据，对于电热器的型号，需要严格按照设备热负荷进行最优择取。

表四 电加热器基本参数

2. 热力膨胀阀的选型计算

热力膨胀阀制冷剂流量公式如下：

在此公式中， 为膨胀阀制冷剂流量，单位为kg/s； （bar）指的是膨胀阀的入口， （bar）指的是出口。

其中，冷凝压力用 表示， 指供液管的沿程阻力； 是包含弯头、截止阀、过滤干燥器在内的供液管的局部阻力； 是竖直管段中的液柱压差； 为蒸发压力；分液器以及分液管用 表示， 指的是为15346的常数； 为流量系数为0.65-0.85的数值； 为出口湿蒸汽干度； 为膨胀阀通道面积，用㎡单位表示。

此外，关于膨胀阀的制冷能力公式如下：

其中， 单位为千瓦，指的是膨胀阀的制冷能力； ， 单位为KJ/Kg,为蒸发器进出口制冷剂焓。

在本文中，所选用的膨胀阀型号为“TES-2”内平衡式热力膨胀阀。当压缩机处在32℃环境温度，零下30℃的蒸发温度中时，汽缸排气量可以达到113立方厘米，根据R404a压焓图，可以得出冷凝压力为17.14bar，蒸发压力为1.01bar，8米长的供液管，4米长的供液管中竖直管，并将所有数据代入 以及 ，计算不同供液管阻力，从而可以计算出进出口压降8bar的热力膨胀阀数值以及3.07千瓦的制冷能力。

2. 管道管径与保温层厚度计算

1.设计制冷管道

设计制冷管道直径，面临着严重的经济技术现状，例如，如果制冷剂管道直径过大的话，不仅会导致制冷剂低流速，通知存在较小的流动阻力、其次也会促使冷凝温度升高得慢，设计制冷管道需要耗费大量的材料，增大投资资金等急需解决的及时问题。而面对管道直径过小的问题，流动阻力以及制冷流速会较高，低效率制冷率，虽然不会造成管材的浪费，节省成本，但是也会面临着降低蒸发温度现状。因此，管道直径的大小，会直接决定管道设计综合费用，与此同时，管道内制冷剂的流动速度以及流动阻力压降与管径的大小有直接关联^[4]。

压降公式为：

管径公式：

其中，两个公式中包含的定值为 、 、 、

，变量是 以及 。

其次，允许流速法，流体连续性方程法如下：

上述公式， 表示制冷剂体积流量，单位为m³/h； 为制冷剂的允许速度，一般液体管允许流动速度为1.2-2.0m/s，吸气管流动速度为10-16m/s。

在上述公式中，将113立方厘米的气缸排量，流动速度为1.5m/s的供液管以及流速为12米每秒的吸气管，将所有数据套入公式，可以得到供液管以及吸气管的直径分贝为21毫米以及14毫米。因此冷凝机排气管中制冷系统，高温管道以及低温管道可以选用不同毫米数的紫铜管。前者管道为22毫米，后者为16毫米。当蒸发温度下降1℃，便形成适合吸气管压降压差，供液管路可允许压降的压差为高压液体制冷剂不会产生闪发气体。经过校验，两组管道压降范围均合理。

2.计算风系统送回风风道管径

根据流体连续性方程法公式，首先可以计算通风管道内空气流动速度。其体积流量为1800m³/h，6m/s流速，4-6m/s的送回风管，最终可得 ≈320毫米。而供回风管，需采用镀锌铁皮材质管道，内径为320毫米，新排风管也需采用内径200毫米的同种材料管道，提升融霜效果^[5]。

3.计算管道保温层厚度

上述公式为计算管道隔热层厚度公式原理，需要注意的是管道隔热层厚度是否合格，需要以管道以及设备外表在包裹隔热层后，不暴露在室外环境作为验收合格标准，管壁具有较小的热阻。在该公式中， 为保温层最小厚度； 指保温层外空气温度，单位为℃； 以及 指的是管内流体温度以及空气露点温度； 为保温材料导热系数，W/（m·℃）； 以及 为换热系数以及管道外径，其中， 可为8。

对于供回风风管保温层温度的计算，分为室内、室外两种情况：首先当室内 为29℃， =70%，保持23℃的露点温度以及零下20℃的管内风温，保温材料热导率为0.05W/（m·℃）， 为8W（㎡·℃），320毫米的管外径，将上述数据代入公式，可以得出保温层厚度为25毫米；而对于室外而言， 为30℃、 =80%，保持27℃的露点温度以及零下25℃的管内制冷剂温度，热导率与室内一样， =10W（㎡·℃），外径为22毫米，通过公式可得室外保温层需保持30毫米厚度。

3. 结论

综上所述，设计低温环境实验装置，其设计部分包含设备、高低温空调箱、制冷系统、风系统、均匀送风系统等管道设计，在稳定工况状态下，环境室温度升高，压缩机运行时间越短。调节压缩机变流量，可以完美配合电子膨胀阀，调整制冷系统运行概况。

参考文献：

[1]张建彬,李国栋.某厂房大空间空调系统设计[J].城市建设理论研究，2012-02.

[2]王栋，吴喜平等.一种新型均匀送风管道在地铁环控制系统中的应用[J].建筑热能通风空调，2011-04.