高低温环境实验箱用先进复叠制冷系统的设计

周默，胡斌*，王如竹，周贤

(1-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240；2-恭勤环境科技有限公司，上海 201306)

0 引言

目前国内外的环境实验设备已有多种不同的类别，并且覆盖各种实验方法和需求。中国环境实验技术的发展相较国外起步较晚，国内环境实验设备中高端市场被德国伟思富奇、日本爱斯佩克和法国克莱梅公司生产的设备所主导。中国环境实验设备自主研发品牌较少，总体技术水平相较国外存在一定差距。

同时我国环境实验设备市场需求量巨大，作为GDP 每年都在不断增长的实体经济大国，无论是食品加工、物流运输，还是电子材料军工设备，各方各面都需要环境模拟技术作为产品可靠性测试的依据。在同样的测试需求下，国外进口的高端环境实验设备往往更能打动消费者，我国自主研发多功能先进精密环境实验设备的需求迫在眉睫。

各类不同的环境实验箱中以测试温湿度变化的中小型箱为主，主要系统构架为制冷加热系统、湿度调节系统、传感器系统、控制系统和空气循环系统等。与空调系统类似，目前市场上的中小环境实验箱采用压缩式制冷的方式来降温。尽管其已被广泛应用于住宅、商业建筑以及工业的供热和制冷领域，但在寒冷气候下运行或在大蒸发冷凝温差要求时它的效率会受到严重影响，比如结霜时性能衰减、压缩机功耗大和排气温度过高等问题。为了更好的模拟极端环境，人们开发了几种先进的制冷技术来实现目标和提高性能，如多级压缩循环、复叠循环、复合系统等等[1-4]。其中，复叠式系统得到了广泛的关注以及应用。复叠系统已被证明在建筑工业应用领域中拥有显著提高性能系数（Coefficient of Performance，COP）和冷却/加热空间的能力，以及在食品、饮料、木制品、制冰和存储[5]等许多工业部门满足大区间降温冷却的要求。

对于复叠系统的性能改进，目前研究最多的是中间温度的优化选择，不同的中间温度组合可以得到不同的系统运行工况。PARK 等[9]建立了以R134a和R410A 为制冷剂的复叠系统最佳中间温度的热力学模型。中间传热温差越大，系统COP 和最优中间温度越低。KIM 等[10-11]的实验研究很好地验证了该建模方案的有效性。宁静红等[12]对R290/CO2复叠制冷进行了理论分析，在蒸发温度为-50 ℃以上时，分析最佳中间温度及最佳质量流量比，证明其在小型制冷系统中的可行性。

复叠系统的运作需要两种不同制冷剂，它们直接影响到系统运作的性能。然而随着蒙特利尔议定书通过了加速淘汰HCFCs 制冷剂的调整议案，应用全球变暖潜值（Global Warming Potential，GWP）较小但物性更加接近的新型环保制冷剂对于一个产品的现在未来都非常重要[13]。其中霍尼韦尔研发的R448A 作为R404A 替代品中GWP 最低的新型制冷剂逐渐进入大家的视野。MOTA-BABILONI等[14-15]和SETHI 等[16]从实验到理论评估了R448A与R404A 之间的性能差别。虽然R448A 的制冷量略低于R404A，但R448A 的能耗更小；R448A 的COP 高于R404A。

在理论计算和模拟方面，BHATTACHARYY等[17]对CO2-C3H8复叠制冷系统的换热器的性能和成本设计进行了数值分析和优化。WU 等[18]设计了一种基于相变材料（Phase Change Materials，PCM）蓄热的空气源式复叠热泵，并对该系统在各种不同的天气条件工况下进行了测试。ROH 等[19]将蒸气喷射技术同时应用于复叠系统的高低温级循环中进行了测试。KIM 等[20]对R134a/R410A 复叠系统进行了实验和数值研究，以寻找最优的制冷剂冲注量。CHAE 等[21]评估了高温级制冷剂冲注量对复叠热泵性能的影响。SONG 等[22-23]从实验和理论上分析比较了特定工况下，R134a/CO2复叠系统和R134a/CO2组合系统的性能。

对于环境实验设备，根据不同冷负荷变化，调节系统制冷量使之与需求相匹配，从而做到对测试空间的温度精准控制十分关键。由于成本与空间等的限制，国内中小型实验箱常常采用定频的压缩机。为了控制温度的变化，从而频繁启停压缩机会，影响系统寿命。同时带来了开启温差的问题，温度的传递具有延时性，从而导致测试空间的温度波动较大。

为了解决上述问题，尽可能提高系统的运行效率。本文采用了状态点法，在设计工况下，选择环境实验箱中比较常用的制冷剂以及R448A 新制冷剂，总共高低温级各三种不同的制冷剂，研究它们互相组合对复叠制冷系统性能的影响，并得到各自相应的最佳中间温度。根据不同制冷需求，设计了单级、双级（复叠）两种制冷方式。冷量控制方面，在高低温级都设计了旁通回路，同时辅助以冷凝热回收补偿。最后对于先进复叠制冷系统在高低温交变环境实验箱中应用的未来进行了总结与展望。

1 研究对象分析

研究对象为一款高低温实验箱，目标是其技术指标和性能等同或接近日本ESPEC、德国WEISS和法国Climats 同类产品的技术指标。具体制冷需求设计指标，见表1。

表1 测试空间制冷需求设计

复叠制冷系统通过放置在风道中的蒸发器提供冷量，空气循环系统通过风机将冷量循环到测试区域进行制冷，控制系统根据放置在测试空间以及制冷系统中的传感器进行数据采集作为依据，进一步反馈协调各个系统的正常运作。

2 设计工况和状态点

制冷量需要根据箱体体积和降温速率进行计算，可以得到冷负荷约为2.3 kW，主要囊括了围护结构冷损失、箱内照明电机耗冷量、空气降温负荷和箱体结构冷负荷，具体计算方法参照《实用制冷工程设计手册》[24]、《小型制冷装置设计指导》[25]。

根据冷负荷大小以及蒸发过程前后的焓差，可得到制冷剂的质量流量。REFPROP 是由NIST 研制开发国际权威的物性计算软件，制冷剂各状态物性参数是直接通过它调用的。制冷剂蒸发换热温差按照10 ℃设计运行工况，所以蒸发温度为-80 ℃，饱和蒸气干度为1，得到蒸发压力；假设压缩过程等熵效率为0.75，冷凝温度为50 ℃，饱和液体干度为0，可以得到冷凝压力，假设节流膨胀过程绝热，忽略相变过程压力变化，那么除此之外只要确定中间换热度和制冷剂，就可以确定所有状态点的参数，以R23 和R448a 为例，低温级蒸发温度为-80 ℃，蒸发压力为0.11 MPa，过热度为10 ℃；高温级冷凝温度为50 ℃，冷凝压力为2.27 MPa，过冷度为5 ℃；压缩等熵效率为0.75；中间换热传热温差为5 ℃。

3 制冷剂组合和最佳中间温度

不同高低温级制冷剂的组合直接影响到复叠制冷系统的运行情况。这里高低温级制冷剂分别选择了3 种进行比较：R507A、R404A、R448A 和R13、R23、R508B，他们的物性参数见表2。

表2 高低温制冷剂物性参数

其中，R507A 和R404A 是在环境实验设备中比较常用的制冷剂，这两者是R22的替代。而R448A是新一代低GWP 的商用制冷剂，比R404A 的GWP低了近60%多，是一种节能高效的非共沸混合制冷剂。近年来，在欧美、日本等地区逐渐推广，在国内应用的还比较少。

确定了制冷剂组合之后，给定复叠系统的中间温度便能确定整个制冷循环过程中每一个状态点的参数。高低温制冷剂一共9（3×3）种不同组合，计算每一种组合下，对应的60 种不同中间温度的工况（中间温度从-30～0℃，每0.5 ℃取一个值），计算所对应的制冷循环制冷量和高低温级压缩耗功，得到系统COP 的值。制冷量Q为低温制冷剂质量流量与蒸发过程前后焓差的乘积；低温级压缩功耗WL等于低温制冷剂质量流量与低级压缩过程前后焓差的乘积；高温级压缩功耗WH等于高温制冷剂质量流量与高级压缩过程前后焓差的乘积；制冷量Q除以高低温级压缩耗功之和WL+WH，可以得到系统COP。使用MATLAB 编程计算，在总共540 个算例中找到系统COP 最高的点，并以此作为系统设计的运行工况。图1所示为9 组制冷剂组合对应中间温度的系统COP。表3所示为每个制冷剂组合对应的最优中间温度和对应的系统COP。图1是总共540 算例中，每一个中间温度对应的系统COP，可知在-30～0 ℃的区间，COP 随中间温度先增大后减小呈现一个峰值，所以当蒸发冷凝温度确定时，中间温度的变化直接影响到系统COP 且存在一个最大值点即最优中间温度。结果表明，高温制冷循环R448A 与低温循环R23 组合在中间温度为-23 ℃时，系统COP 最高。

图1 9 组制冷剂组合对应中间温度的系统COP

表3 9 组制冷剂组合对应的最佳中间温度和系统COP

4 基于冷量动态控制的系统设计

对于环境实验设备，根据不同冷负荷变化，调节系统制冷量使之与需求相匹配，从而做到对测试空间的温度精准控制也是重中之重。由于成本与空间等的限制，国内中小型实验箱常常采用定频的压缩机，而常见的调节方法有压缩机启停、控制节流阀开度和电加热补偿等等。频繁启停压缩机会影响系统寿命，同时还会带来开启温差的问题，温度的传递具有延时性，从而导致测试空间的温度波动。节流控制则引起吸气压力减小、排气温度升高等问题。电加热补偿利用冷热对冲，不可避免产生额外的大量能源消耗。

4.1 双模式运行

为了解决以上问题，图2所示为基于双模式运行的复叠制冷系统。

图2 双模式运行

针对不同制冷需求，设计了两种不同的工作模式：在室温到-20 ℃测试需求时，单个压缩机足以提供足够的压比和制冷量，采用单级制冷，即图中关闭电磁阀1 打开电磁阀2，只运行高温级压缩机进行制冷；在-70～-20℃制冷需求时，打开双级压缩机，同时打开电磁阀1 关闭电磁阀2，进行复叠制冷。根据制冷需求，系统选择开启单级或双级压缩机，-20 ℃以上工况可节省一台压缩机的能耗。

4.2 冷量旁通

为了降温速率以及制冷量可控，系统设计了制冷剂旁通的方案进行冷量控制。旁通支路从压缩机出口分流一部分制冷剂，之后回流到蒸发器入口处，在蒸发器中混合，给系统提供了一个额外的负载，从而达到精准控制冷量的效果，同时也能提高系统回油性能。

系统中分别在高低温级都设计了制冷剂旁通支路，使得在双运行模式下都能控制冷量旁通。单级制冷模式下，电磁阀1 和电磁阀3 关闭，电磁阀2 开启，通过调节电磁阀4 占空比来控制旁通制冷剂的流量，起到制冷量调节的作用；复叠制冷模式下同理，电磁阀2 和电磁阀4 关闭，电磁阀1 开启，调节电磁阀3 的占空比。

图3 制冷剂旁通支路

4.3 冷凝热回收

系统设计了另一种冷凝热回收利用的方法，即基于冷凝热回收的冷量控制方法。在图4系统中并联了一个热回收换热器，在需要时打开电磁阀5，从高温级冷凝器入口处分流一路制冷剂进入冷凝热回收换热器中，同时控制电子膨胀阀开度来调节高温制冷剂流量，从而补偿过剩的冷量。该方法将一部分冷凝热回收利用起来，在快速控温时提供热量来平衡多余的制冷量。回收利用冷凝热的作用和电加热补偿相似但不产生额外耗功，同时可以合理节省冷凝器设计尺寸，是种很好的节能手段。

图4 冷凝热回收支路

4.4 多模式的耦合

将之前双运行模式、两种基于旁通和冷凝热补偿的冷量控制方法以及复叠系统耦合起来设计出了图5中的先进复叠制冷系统。

图5 多模式耦合先进复叠制冷系统

该系统针对不同温度区间拥有两种运行模式：单级制冷以及复叠（双级）制冷模式；在冷量控制方面，结合了制冷剂旁通和冷凝热回收两种方案，冷凝热补偿实现降温速率的粗调节，而制冷剂旁通实现制冷量的细调节，整个系统不添加额外功耗，同时可以合理的节省冷凝器的设计尺寸大小。

5 结论与展望

本文研究了高低温环境实验箱的极端工况下的系统运行参数，使用状态点法分析了高低温各3种不同制冷剂组合对系统的影响，得到如下结论：

1）在蒸发温度为-80 ℃、冷凝温度为50 ℃工况下，复叠系统中间温度在-30～0 ℃的区间，系统COP 先增大后减小；

2）高温级制冷剂R448A 作为一种新型环保制冷剂，GWP 仅为R404A 的30%，并且其和R23 作为复叠系统制冷剂，系统COP 优于其它组合；

3）相较于其他制冷剂组合，高温制冷循环R448A 与低温循环R23 组合在中间温度为-23 ℃时，系统运行性能最高，设计理论COP 最高为0.612；

4）本文还提出了一种不同于传统启停控制和电加热补偿的复叠系统设计，针对不同温度区间两种模式的节能运行方案，采用旁通和冷凝热回收补偿耦合的冷量控制方案，整个系统不添加额外功耗，可以合理节省冷凝器的设计尺寸大小，实现节能减排；

5）基于先进复叠制冷系统应用的实验样机已经处于测试阶段，实验完成之后会从性能和效果两个方面评估样机，未来多功能先进精密环境实验设备的研发设计及应用具有巨大潜力。