張惠，劉海燕，李喜明，吳敬濤，馬建軍

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室冷媒的分析選擇

張惠，劉海燕，李喜明，吳敬濤，馬建軍

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

目的選擇適用于大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室制冷系統(tǒng)的制冷劑和載冷系統(tǒng)的載冷劑。方法通過(guò)對(duì)氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室制冷系統(tǒng)和載冷系統(tǒng)的特性分析，提出制冷劑和載冷劑的選用原則。對(duì)常用制冷劑和載冷劑的物性分別進(jìn)行對(duì)比分析，綜合考慮環(huán)保性、制冷內(nèi)循環(huán)特性、循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)和空氣補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)冷媒的要求等因素優(yōu)選制冷劑和載冷劑。結(jié)果復(fù)疊制冷機(jī)組的高、低溫段制冷劑分別選用R507和R23，中高溫載冷劑選用AS-6，低溫載冷劑選用AST-30。結(jié)論提出的冷媒介質(zhì)選擇方案適用于大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室。

制冷劑；載冷劑；氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室；循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)；空氣處理系統(tǒng)

氣候環(huán)境是導(dǎo)致飛機(jī)故障的主要因素，氣候環(huán)境試驗(yàn)已經(jīng)成為飛機(jī)在進(jìn)行復(fù)雜氣象條件試飛之前必須要進(jìn)行的一項(xiàng)地面驗(yàn)證試驗(yàn)[1]。氣候環(huán)境試驗(yàn)用于評(píng)估飛行器武器系統(tǒng)在各種環(huán)境或極端自然環(huán)境條件下的有效性，且可預(yù)估其可承受的風(fēng)險(xiǎn)水平[2]。由于室外進(jìn)行氣候環(huán)境試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高，而且環(huán)境條件不可控，所以建立飛機(jī)氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)勢(shì)在必行。氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室能夠模擬高溫、低溫、淋雨、降雪、太陽(yáng)輻照、地面霧等多種氣候環(huán)境，且能模擬飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或運(yùn)行過(guò)程中遭遇的低溫、高溫、濕熱等氣候環(huán)境[3]。

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的溫度范圍為-55～74℃，由于實(shí)驗(yàn)室所需要的試驗(yàn)溫度范圍寬，不同試驗(yàn)工況負(fù)荷變化很大，要求制冷系統(tǒng)的制冷量能在較大溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，考慮到實(shí)驗(yàn)室的安裝及設(shè)計(jì)等要求，選擇復(fù)疊式制冷系統(tǒng)[4]與載冷系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的制冷方式。

制冷系統(tǒng)中的制冷劑通過(guò)自身熱力狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)制冷。載冷系統(tǒng)中的載冷劑作為氣候?qū)嶒?yàn)室能量輸送的載體，在整個(gè)能量傳遞過(guò)程中起著舉足輕重的作用[5]。制冷劑和載冷劑的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)涉及到環(huán)保性、設(shè)備對(duì)安裝空間的要求、系統(tǒng)的配置和運(yùn)行的動(dòng)力需求、初始投資成本等問(wèn)題，并與制冷系統(tǒng)和載冷系統(tǒng)的方案密切相關(guān)，因此對(duì)制冷劑和載冷劑的選擇顯得尤為重要。制冷劑和載冷劑的制冷劑和載冷劑的選擇是一個(gè)需要綜合考慮多方因素的權(quán)衡過(guò)程。結(jié)合氣候?qū)嶒?yàn)室的建設(shè)背景，分析不同制冷劑和載冷劑的物理及化學(xué)特性，選擇出適合大型氣候?qū)嶒?yàn)室的冷媒方案。

1 總體制冷方案簡(jiǎn)介

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室選用復(fù)疊制冷系統(tǒng)與載冷系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的低溫需求，復(fù)疊制冷系統(tǒng)有2個(gè)初步的運(yùn)行模式，每個(gè)模式要求運(yùn)行的制冷機(jī)組及制冷劑不同。復(fù)疊制冷機(jī)組高溫級(jí)的蒸發(fā)溫度設(shè)計(jì)最低值為-40℃，可提供-35℃以上的載冷劑，將循環(huán)風(fēng)冷卻到-30℃以上，用于實(shí)現(xiàn)-25℃以上的實(shí)驗(yàn)室溫度；復(fù)疊制冷機(jī)組低溫級(jí)的蒸發(fā)溫度最低值為-70℃，用于實(shí)現(xiàn)-55℃的最低實(shí)驗(yàn)室溫度。

制冷劑的選擇包含高溫段制冷劑和低溫段制冷劑的選擇。載冷劑的選擇包括中高溫載冷劑和低溫載冷劑。冷媒的選擇除需依據(jù)制冷劑和載冷劑的物理性能和化學(xué)性能，考慮兩者的匹配性、初始投資成本、運(yùn)行效率等因素外，還必須緊密結(jié)合制冷系統(tǒng)總體方案進(jìn)行權(quán)衡。

2 制冷劑的選擇

2.1 需要考慮的因素

制冷劑在制冷中循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)自身熱力狀態(tài)的不斷變化與載冷劑發(fā)生能量交換，載冷劑向空氣傳遞冷量，實(shí)現(xiàn)制冷。選擇制冷劑需要考慮的因素如下[6]：

1）冷凝壓力不能太高，蒸發(fā)壓力在常壓以上，壓力比適中；臨界溫度高，標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)低；絕熱指數(shù)要小，導(dǎo)熱系數(shù)要高，黏度和密度要小，傳熱性好，流動(dòng)性好；單位制冷量大，循環(huán)的性能系數(shù)好。

2）化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性要好，在制冷循環(huán)中不分解、不變質(zhì)，無(wú)毒、不燃燒、不爆炸；對(duì)設(shè)備腐蝕性小。

3）臭氧層的衰減指數(shù)ODP和溫室效應(yīng)指數(shù)要小。

4）價(jià)格便宜，易于獲得。

2.2 常用制冷劑

兩級(jí)復(fù)疊制冷機(jī)組通常由高溫級(jí)和低溫級(jí)兩部分組成。用高/中沸點(diǎn)的制冷劑循環(huán)承擔(dān)高溫區(qū)段的制冷，用低沸點(diǎn)的制冷劑循環(huán)承擔(dān)低溫區(qū)段的制冷。高溫段制冷劑的蒸發(fā)和低溫段制冷劑的冷凝通過(guò)蒸發(fā)冷凝器實(shí)現(xiàn)。

在中低溫商用制冷系統(tǒng)中，目前應(yīng)用較多的高溫級(jí)制冷劑有R22、R404A、R507、氨、丙烷以及丙烯等，低溫段制冷劑有R13、R23、R508、乙烯、乙烷以及甲烷等。

R22，R404A，R507，R13，R23，R508等屬于氟利昂類制冷劑，通過(guò)人工合成方法制取[6]。乙烯、乙烷、甲烷、丙烷、丙烯屬于CH類制冷劑，氨與CH類制冷劑都屬于天然制冷劑。

天然制冷劑與合成的氟利昂制冷劑都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，分析結(jié)果見(jiàn)表1。氟利昂制冷劑在制冷與空調(diào)裝置中廣泛使用。氨通常在大型工業(yè)制冷中使用，CH類化合物的使用范圍較小。

2.3 選擇權(quán)衡

實(shí)驗(yàn)室的復(fù)疊制冷系統(tǒng)高溫級(jí)最低蒸發(fā)溫度為-40℃，低溫級(jí)最低蒸發(fā)溫度為-70℃。氨的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-33.3℃，毒性大，易燃，所以實(shí)驗(yàn)室不選擇氨作為高溫級(jí)制冷劑。由于碳?xì)浠衔锏娜急院軓?qiáng)，考慮到在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車試驗(yàn)，會(huì)有明火以及高溫，所以排除使用碳?xì)浠衔?。因此，用在氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的制冷劑只能從氟利昂類中進(jìn)行選擇。

表1 不同類型制冷劑的優(yōu)缺點(diǎn)分析Table 1 Advantages and disadvantages of different refrigerants

R404A屬于三元近共沸混合制冷劑[7]，其滑移溫度為0.677℃，且換熱性能不及R507好，所以中溫制冷劑考慮R22或者R507。由于R23的最低蒸發(fā)溫度為-82℃，且-70℃時(shí)，蒸發(fā)壓力為193 kPa，可以保證系統(tǒng)在微正壓下運(yùn)行，因此選擇R23作為低溫制冷劑。

根據(jù)氣候?qū)嶒?yàn)室溫度指標(biāo)，通過(guò)與國(guó)際知名制冷設(shè)備供應(yīng)商進(jìn)行技術(shù)交流，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室制冷劑較合適的選擇組合是R22/R23或者R507/R23，兩種組合都能保證-55℃的溫度指標(biāo)。R22/R23或者R507/R23復(fù)疊制冷系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)-80℃以上溫度，能覆蓋該實(shí)驗(yàn)室的低溫范圍。

R22與R507基本的物性參數(shù)見(jiàn)表2，通過(guò)比較兩者的物性參數(shù)，分析得出選擇R22或者R507作為中溫制冷劑的優(yōu)缺點(diǎn)如下所述。

1）安全性。在復(fù)疊制冷機(jī)組中，高溫級(jí)制冷劑的最低蒸發(fā)溫度為-40℃，此時(shí)R22的蒸發(fā)壓力為105.23 KPa，R507的蒸發(fā)壓力為138.66 KPa。采用R507制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)功耗小。

2）標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)。根據(jù)表2，R22的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-40.81℃，R507的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-47.1℃，考慮到復(fù)疊制冷機(jī)組的高溫級(jí)最低蒸發(fā)溫度為-40℃，采用R507能夠有更大的余量。

3）效率性。文獻(xiàn)[8]指出，在相同的壓縮機(jī)及相同運(yùn)行工況下，R507機(jī)組的制冷量比R22機(jī)組大。在環(huán)境溫度較低時(shí)，R507A機(jī)組的效率比R22略高。

4）經(jīng)濟(jì)性。目前性能最好的中低溫制冷劑是R22，而且市場(chǎng)價(jià)格便宜。

5）環(huán)保性。根據(jù)表2，R22的ODP值為0.055，對(duì)大氣臭氧層有破壞作用，屬于《蒙特利爾協(xié)議定書(shū)》規(guī)定的要淘汰物質(zhì)，中國(guó)目前也正在加快淘汰R22。

經(jīng)過(guò)R22與R507的綜合比較分析，采用R507/R23復(fù)疊制冷系統(tǒng)可保證實(shí)驗(yàn)室溫度指標(biāo)，而且安全性高、效率高，在環(huán)保性能方面可以接受，但是經(jīng)濟(jì)性略差。蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)隨著使用年限的增長(zhǎng)，制冷能力會(huì)有不同程度的衰減。因此該實(shí)驗(yàn)室在制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮部分裕量，以確保實(shí)驗(yàn)室在設(shè)計(jì)壽命期間能保證-55℃溫度指標(biāo)。因此，實(shí)驗(yàn)室采用R507/R23復(fù)疊制冷系統(tǒng)是合適的。

表2 R22與R507的基本物性[9—10]Table 2 Basic properties of R22 and R507

3 載冷劑的選擇

3.1 運(yùn)行方式

當(dāng)在氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車試驗(yàn)時(shí)，需消耗大量冷/熱空氣，同時(shí)還產(chǎn)生大量高溫氣體，這會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)溫度急劇上升，因此需及時(shí)向室內(nèi)補(bǔ)充冷/熱空氣，使室內(nèi)溫度處于恒定狀態(tài)。如采用直接制冷或直接蒸汽加熱室外空氣進(jìn)行補(bǔ)氣，滿足不了實(shí)驗(yàn)室在短時(shí)間內(nèi)處理大量空氣所需要的冷量或熱量，需要采用載冷劑來(lái)進(jìn)行蓄冷或者蓄熱。為了便于控制，所以在氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的循環(huán)風(fēng)處理單元、發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車空氣補(bǔ)償單元中都采用載冷劑來(lái)向空氣傳遞冷量或者熱量[11—13]。

載冷劑在實(shí)驗(yàn)室的循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)[14]（AHU）和發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車空氣補(bǔ)償系統(tǒng)（JMAU）中的運(yùn)行如圖1所示，功能見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)室的循環(huán)風(fēng)通道采用并聯(lián)方式，載冷劑在A通道和B通道運(yùn)行方式相同。當(dāng)試驗(yàn)要求室內(nèi)工況溫度為-25℃以上，且實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行負(fù)溫試驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)溫度低于外界環(huán)境溫度）時(shí)，載冷劑A將復(fù)疊制冷系統(tǒng)高溫級(jí)R507的冷量輸送到循環(huán)風(fēng)處理單元（AHU）或發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車空氣補(bǔ)償單元（JMAU）的制冷換熱器，用于冷卻循環(huán)風(fēng)或補(bǔ)償空氣。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行正溫試驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)溫度高于外界環(huán)境溫度）時(shí)，將蒸汽熱量輸送到AHU或JMAU中的加熱換熱器，用于加熱環(huán)境室送風(fēng)或補(bǔ)償空氣。在室內(nèi)要求工況溫度為-55～-25℃時(shí)，載冷劑B將復(fù)疊制冷系統(tǒng)低溫級(jí)R23的冷量輸送到循環(huán)風(fēng)處理單元（AHU）或發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車空氣補(bǔ)償單元（JMAU）中的制冷換熱器，用于冷卻環(huán)境室送風(fēng)或補(bǔ)償空氣。

圖1 載冷劑在循環(huán)風(fēng)處理單元和發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車補(bǔ)氣單元中的運(yùn)行Fig.1 The flow of the secondary-refrigerants in AHU and JMAU

表3 載冷劑在實(shí)驗(yàn)室AHU和JMAU中的功能Table 3 The function of the secondary-refrigerants in AHU and JMAU

3.2 氣候?qū)嶒?yàn)室選擇載冷劑需要考慮的因素

載冷劑以液態(tài)在蒸發(fā)器與用冷場(chǎng)所的冷卻器之間循環(huán)，通過(guò)顯熱傳輸冷量。載冷劑的選擇將會(huì)影響換熱器的選型以及泵的大小。

根據(jù)氣候?qū)嶒?yàn)室的載冷劑運(yùn)行方式，氣候?qū)嶒?yàn)室選用兩種載冷劑，與復(fù)疊機(jī)組的制冷劑進(jìn)行熱交換的中高溫載冷劑A和低溫載冷劑B。氣候?qū)嶒?yàn)室選用的載冷劑應(yīng)具備如下性質(zhì)[15]。

1）由于實(shí)驗(yàn)室要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車點(diǎn)火試驗(yàn)，尾噴管溫度高達(dá)300℃以上，而且有明火，所以載冷劑選擇無(wú)閃點(diǎn)型。

2）載冷劑的凝固溫度至少比制冷劑的蒸發(fā)溫度低4～8℃，氣候?qū)嶒?yàn)室的復(fù)疊制冷機(jī)組高溫級(jí)的蒸發(fā)溫度為-40℃，所以中高溫載冷劑A的凝固溫度應(yīng)低于-45℃。載冷劑A在進(jìn)行載熱時(shí)，需要承受的最高溫度為95℃，所以載冷劑A的沸點(diǎn)應(yīng)該高于100℃。氣候?qū)嶒?yàn)室的復(fù)疊制冷機(jī)組低溫級(jí)的蒸發(fā)溫度為-70℃，所以低溫載冷劑B的凝固溫度應(yīng)低于-74℃。

3）實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)工況較多，所需要的溫度不盡相同，載冷劑在不同使用溫度工況下，導(dǎo)熱系數(shù)要大，黏度要小，比熱容要大。高低溫交變時(shí)，載冷劑的物性不發(fā)生變化。

4）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)毒、不燃、不爆，價(jià)格低廉，易于獲得。

3.3 氣候?qū)嶒?yàn)室載冷劑的選擇

根據(jù)中溫載冷劑A的選擇要求，中溫載冷劑在AS-6，HC-40以及RH-8之間進(jìn)行選擇。這三種載冷劑均無(wú)閃點(diǎn)，AS-6的冰點(diǎn)為-55℃，使用溫度范圍為-50～100℃；HC-40的冰點(diǎn)為-40℃，使用溫度范圍為-40～218℃；RH-8的冰點(diǎn)為-62℃，使用溫度范圍為-60～115 ℃。AS-6，HC-40，RH-8在使用溫度-40～80℃的物性參數(shù)見(jiàn)表4?？梢钥闯觯?40℃時(shí)，RH-8的黏度比較大，管內(nèi)流動(dòng)阻力很大，增加泵的功耗，所以排除RH-8。HC-40冰點(diǎn)為-40℃，在實(shí)驗(yàn)室工況為-25℃，要求的載冷劑冰點(diǎn)在-44℃以下，而且HC-40采購(gòu)比較復(fù)雜，價(jià)格昂貴。綜合分析，選擇AS-6作為中高溫載冷劑。

低溫載冷劑B在二氯甲烷或者AST-30（改性的二氯甲烷）之間進(jìn)行選擇，二氯甲烷與AST-30的物性參數(shù)比較見(jiàn)表5。在相同溫度下，二氯甲烷與AST-30的黏度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱相差不大，但是二氯甲烷中的微量水，在極低溫度下會(huì)析出，在蒸發(fā)器表面形成一層冰膜，導(dǎo)致熱量換不出來(lái)，制冷劑效率低下。AST-30中添加防水劑、穩(wěn)定劑，可以防止二氯甲烷吸水后的冰堵現(xiàn)象，所以選擇AST-30為低溫載冷劑。

表4 AS-6，HC-40，RH-8的基本物性參數(shù)的比較Table 4 Comparison of basic properties of AS-6,HC-40 and RH-8

表5 二氯甲烷與AST-30的物性參數(shù)的比較Table 5 Comparison of properties of methane chloride and AST-30

4 結(jié)論

文中主要對(duì)大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室制冷系統(tǒng)的制冷劑和載冷系統(tǒng)的載冷劑進(jìn)行了選擇分析。大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室采用R507作為中溫制冷劑，R23作為低溫制冷劑。采用這兩種制冷劑的復(fù)疊制冷系統(tǒng)制冷效率高，能夠滿足實(shí)驗(yàn)室在不同試驗(yàn)溫度下的冷量需求，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的溫度指標(biāo)。

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室選用的載冷劑有中高溫載冷劑為AS-6，低溫載冷劑為AST-30。這兩種載冷劑可以滿足實(shí)驗(yàn)室循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)的載冷需求也可以滿足實(shí)驗(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車空氣補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)蓄冷的需求。AST-30可以避免換熱器的冰堵現(xiàn)象，而且這兩種載冷劑黏度小、比熱大、導(dǎo)熱系數(shù)大，根據(jù)載冷劑的性質(zhì)可以設(shè)計(jì)合理的換熱器。

文中的選擇分析對(duì)同類大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室制冷系統(tǒng)的制冷劑和載冷劑的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

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Analysis and Selection of Refrigerants Used in the Large Climatic Environmental Test Facility

ZHANG Hui，LIU Hai-yan，LI Xi-ming，WU Jing-tao，MA Jian-jun
（Aircraft Strength Research Institute of China，Xi′an 710065，China）

ObjectiveTo select the refrigerants and secondary-refrigerants suitable for the large climatic environmental test facility.MethodsThe selection principle of the refrigerants and secondary-refrigerants was proposed based on the analysis of characteristics of cooling systems in climatic environmental test facility.The properties of common refrigerants and secondary-refrigerants were comparatively analyzed,and the optimization of the refrigerants scheme was conducted considering the environmental friendliness,the refrigeration inner-circulating characteristics,the requirements of the cycle air system and the makeup air system.ResultsR507 and R23 were selected as the refrigerants for the high-and low-temperature sections of the cascade system,respectively,AS-6 was selected as the medium- and high-temperature secondary-refrigerant,while AST-30 was selected as the low-temperature secondary-refrigerant.ConclusionThe scheme of the refrigerants proposed in this paper was applicable to the large climatic environmental facility.

refrigerants；secondary-refrigerants；climatic environmental test facility；cycle air system；makeup air system

2014-12-05；

2015-01-14

2014-12-05；

2015-01-14

張惠（1988—），女，湖北天門(mén)人，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)闅夂颦h(huán)境試驗(yàn)。

Biography：ZHANG Hui（1988—），F(xiàn)emale，from Tianmen，Hubei，Master，Assistant engineer，Research focus：climate environment test.

10.7643/issn.1672-9242.2015.02.022

TJ05

A

1672－9242（2015）02－0104-06