胡振幫， 陳慶山， 辛大偉， 齊照明， 蔡 銳

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) a. 農(nóng)學(xué)院； b. 實(shí)驗(yàn)室管理處, 哈爾濱 150030)

利用壓縮機(jī)制冷改進(jìn)搖床溫度控制系統(tǒng)

胡振幫a， 陳慶山a， 辛大偉a， 齊照明a， 蔡 銳b

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) a. 農(nóng)學(xué)院； b. 實(shí)驗(yàn)室管理處, 哈爾濱 150030)

利用壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)改善搖床低溫控制能力，當(dāng)環(huán)境溫度23.7 ℃時(shí)，搖床能達(dá)到的最低溫度18.6 ℃，到達(dá)最低溫度所需時(shí)間35 min，溫度極差5.1 ℃；當(dāng)環(huán)境溫度27.7 ℃時(shí)，搖床能達(dá)到最低溫度20.4 ℃，所需時(shí)間50 min，溫度極差7.3 ℃；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改造后的搖床具有非常好的控溫穩(wěn)定性。改造后的搖床完全不破壞原有系統(tǒng)，并具有操作容易、結(jié)構(gòu)簡單、改造價(jià)格低廉、控溫穩(wěn)定性高、環(huán)境適應(yīng)性好、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

壓縮機(jī); 制冷系統(tǒng)； 加熱補(bǔ)償機(jī)制； 溫度控制系統(tǒng)

0 引 言

搖床是實(shí)驗(yàn)室常用儀器設(shè)備，廣泛應(yīng)用于生物、遺傳、環(huán)保、醫(yī)學(xué)等教學(xué)及科研實(shí)驗(yàn)。按溫控范圍，搖床可分為加熱型與制冷型，制冷型搖床價(jià)格高且尺寸規(guī)格較大，不適合擺放在空間有限的實(shí)驗(yàn)室中，也不適合單次少量的實(shí)驗(yàn)操作；加熱型搖床利用風(fēng)扇通過環(huán)境溫度來調(diào)控內(nèi)部溫度達(dá)到控溫的目的，但當(dāng)搖床設(shè)定溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，搖床就不能達(dá)到設(shè)定溫度，從而影響實(shí)驗(yàn)。如果重新采購制冷型搖床，就會(huì)增加經(jīng)費(fèi)投入，還會(huì)導(dǎo)致儀器設(shè)備的閑置，進(jìn)而造成了不必要的浪費(fèi)[1-3]。為了解決上述問題，通過對(duì)加熱型搖床進(jìn)行改造加裝壓縮制冷系統(tǒng)，改善搖床低溫控制能力，從而解決不同環(huán)境的實(shí)驗(yàn)溫度需求，此外利用現(xiàn)有設(shè)備通過升級(jí)改造不但滿足了實(shí)驗(yàn)需求，而且還避免了由于重新采購新設(shè)備而造成不必要的資金投入，也避免了設(shè)備閑置問題。

小型制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、節(jié)流閥、蒸發(fā)器、冷凝器等組成，其中壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)的重要組成部分，而線性壓縮機(jī)具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)[4]，此外理想溫度的獲得還需要有節(jié)流機(jī)構(gòu)，而毛細(xì)管是最簡單的節(jié)流機(jī)構(gòu)之一，毛細(xì)管長度的確定在制冷系統(tǒng)中是一個(gè)難題，利用毛細(xì)管模擬程序?qū)υO(shè)計(jì)工況進(jìn)行分析就可以得到適合長度的毛細(xì)管[5]。增加壓縮機(jī)及毛細(xì)管節(jié)流機(jī)構(gòu)制作簡單的制冷系統(tǒng)改善小型設(shè)備溫度系統(tǒng)的應(yīng)用已有相關(guān)研究報(bào)道，離心機(jī)[6]、真空泵[7]、漁船作業(yè)[8]、裝載機(jī)[9]等設(shè)備都有相關(guān)應(yīng)用，這些應(yīng)用都具有改造費(fèi)用低廉、效益大、容易實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)。還有相關(guān)研究對(duì)制冷壓縮機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了改造，使實(shí)驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用范圍更加廣泛[10]。國外相關(guān)研究還利用半導(dǎo)體制冷片，將普通生物顯微鏡改告成低溫生物顯微鏡，取得良好的實(shí)驗(yàn)效果[11]。以上研究都充分說明：通過增加制冷系統(tǒng)來改善小型設(shè)備的溫度系統(tǒng)，從而增加設(shè)備應(yīng)用范圍的做法是完全可行的，但利用壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)改善搖床控溫性能的研究還未見報(bào)道。在前人研究基礎(chǔ)上[4-11]，本文對(duì)小型搖床進(jìn)行升級(jí)改造，不但避免資金投入減少設(shè)備閑置，而且對(duì)于高校實(shí)驗(yàn)室管理具有指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)改造方案

改造前的搖床為加熱型搖床，由溫度傳感器、加熱組件、溫度制度器組成。改造搖床為其增加壓縮制冷系統(tǒng)，有3種方案：

① 重新設(shè)計(jì)一個(gè)雙通道溫度控制器取代原有單通道溫度控制器，分別控制加熱和制冷，這種方案增加了改造成本和難度，并且控溫穩(wěn)定性并不高，不適合應(yīng)用推廣。

② 保持原有的單通道溫度控制器及系統(tǒng)線路不變，再設(shè)計(jì)一個(gè)單通道溫度控制器來控制制冷系統(tǒng)溫度，這種方案在使用時(shí)需要分別設(shè)定原溫控器與制冷溫控器從而增加了操作的復(fù)雜性，并且經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此方案的控溫穩(wěn)定性也不高。

③ 保持原有系統(tǒng)不變，制冷系統(tǒng)在搖床開機(jī)后一直工作，如圖1所示，此方案不改變?cè)邢到y(tǒng)不增加額外控制器，用最小的改動(dòng)及最低廉的價(jià)格獲得理想的實(shí)驗(yàn)溫度，從控溫穩(wěn)定性上考慮也是最佳方案。

圖1 直接制冷系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合考慮3種改造方案，最終確定了直接制冷系統(tǒng)方案。其工作原理是保持原有系統(tǒng)不變，加裝壓縮制冷系統(tǒng)，搖床開機(jī)后制冷系統(tǒng)持續(xù)工作，利用加熱器補(bǔ)償制冷低溫從而平衡溫度達(dá)到控制溫度的目的。系統(tǒng)工作流程如圖2所示，當(dāng)用戶開機(jī)并設(shè)置好溫度t1后，制冷系統(tǒng)會(huì)隨搖床一起啟動(dòng)并持續(xù)工作，當(dāng)控制器檢測到搖床艙內(nèi)溫度t2>t1時(shí)，加熱器不啟動(dòng)，制冷系統(tǒng)持續(xù)工作；當(dāng)t2

圖2 直接制冷系統(tǒng)工作流程圖

1.3 制冷劑選擇及系統(tǒng)焊接

目前市場上的主要制冷劑有R22、R23、R134a、R123、R407C、R410a等[12-13]。R22雖然屬臭氧消耗型制冷劑，但仍是一款綜合性能非常優(yōu)良的制冷劑，具有價(jià)格低廉、效率高、使用經(jīng)驗(yàn)成熟，在中小制冷機(jī)組中的廣泛應(yīng)[14-16]，因此選擇R22制冷劑為本次改造的冷媒工質(zhì)。

在管線選擇上，選擇了純銅材質(zhì)的管線。管線的焊接要依據(jù)不同材質(zhì)的管線而定，對(duì)于純銅材質(zhì)管線最好選用銅磷焊條，因?yàn)檫@種焊條價(jià)格便宜并且在焊接時(shí)磷可以還原被氧化的銅管從而起到助焊劑的作用。而對(duì)于銅管焊接其他管路時(shí)，銀銅焊條比較適合，因?yàn)檫@種焊條的焊接性能好[17-18]。

在焊接前接頭處要清理干凈，不能留有污物或水漬，避免由于潔凈度和干燥度不好而引起的焊接氣孔或虛焊。在焊接時(shí)要控制好火焰溫度，避免出現(xiàn)過燒或溶蝕對(duì)管線承壓能力的破壞。對(duì)于擴(kuò)口處的焊接，由于擴(kuò)口時(shí)人為破壞了管壁材質(zhì)的均勻性，從而導(dǎo)致產(chǎn)生細(xì)微的焊接縫，這焊縫在高壓工況下會(huì)因應(yīng)力分布不均而導(dǎo)致工質(zhì)泄露。在焊接完成后要等焊接點(diǎn)徹底冷卻后再除去氧化層，然后觀察焊接點(diǎn)是否存在氣孔或虛焊情況。

2 改造步驟

2.1 系統(tǒng)部件裝配

改造加裝的制冷系統(tǒng)主要包括：壓縮機(jī)、管線、制冷劑、毛細(xì)管、干燥劑等部件，系統(tǒng)裝配如圖3所示。

圖3 制冷系統(tǒng)裝配圖

2.2 制冷溫度與毛細(xì)管長度確定

由于系統(tǒng)方案是直接制冷，壓縮制冷系統(tǒng)一直工作，搖床依賴加熱器對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行熱補(bǔ)償來達(dá)到設(shè)定值，故制冷溫度不應(yīng)該與實(shí)驗(yàn)溫度偏差過大。本實(shí)驗(yàn)室常用的實(shí)驗(yàn)溫度為28 ℃和36 ℃，因此設(shè)計(jì)改造后的制冷溫度應(yīng)為20 ℃比較合適。由于換熱溫差的存在，即蒸發(fā)器溫度要比環(huán)境溫度低8～10 ℃，故蒸發(fā)器溫度應(yīng)為10 ℃，為了獲得更好的冷凝效果，將冷凝器溫度高出蒸發(fā)器40 ℃，即50 ℃。

毛細(xì)管是制冷系統(tǒng)的重要組成部分，其位置位于蒸發(fā)器與冷凝器之間，作用是在蒸發(fā)器與冷凝器間產(chǎn)生一個(gè)壓力差，從而使高壓液態(tài)工質(zhì)在經(jīng)過毛細(xì)管后變?yōu)榈蛪旱蜏毓べ|(zhì)，在進(jìn)入蒸發(fā)器后才能達(dá)到較好的蒸發(fā)吸熱效率。毛細(xì)管一般內(nèi)徑0.6～2.5 mm，長度0.3～5 m不等[19-21]。毛細(xì)管的長度需在壓力實(shí)驗(yàn)中確定。

2.3 制冷劑加注及壓力實(shí)驗(yàn)

壓縮機(jī)吸氣壓力近似為蒸發(fā)壓力，蒸發(fā)溫度是通過調(diào)整蒸發(fā)器的供液量來調(diào)節(jié)的，蒸發(fā)溫度可通過壓縮機(jī)吸氣壓力獲得[22]，因此依據(jù)制冷劑溫度與飽和壓力對(duì)照表[23]，可以查得高低壓力值。當(dāng)蒸發(fā)溫度為10 ℃時(shí)回氣絕對(duì)壓力為682 kPa，冷凝器為50 ℃時(shí)排氣絕對(duì)壓力為1 944 kPa。

將毛細(xì)管直接焊接在壓縮機(jī)的排氣端上，在毛細(xì)管與壓縮機(jī)間接一個(gè)壓力表，如圖4所示。當(dāng)壓縮機(jī)工作時(shí)，壓力表的數(shù)值即為系統(tǒng)高低壓力間的差值，根據(jù)查表得到高低壓力差值應(yīng)為1 262 kPa。當(dāng)壓縮機(jī)工作時(shí)逐漸縮短毛細(xì)管長度，觀察壓力表，當(dāng)壓差達(dá)到1 262 kPa時(shí)為止，此時(shí)的毛細(xì)管長度就是保證系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)制冷溫度所需的長度。觀查壓力表數(shù)值變化，當(dāng)壓力差值達(dá)到1 200 kPa(±50 kPa)時(shí)為止，此時(shí)的毛細(xì)管長度就是保證系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)制冷溫度所需的長度。

圖4 毛細(xì)管壓力測試實(shí)驗(yàn)

將系統(tǒng)焊接好后，在壓縮機(jī)吸氣端口處接真空泵，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，真空壓力為-0.1 MPa，當(dāng)系統(tǒng)維持真空壓5 h以上時(shí)，即可判斷系統(tǒng)無漏點(diǎn)，此時(shí)即可加注制冷劑，在加注制冷劑時(shí)，觀察高低壓端壓力表值，當(dāng)高壓端壓力表達(dá)到1 944 kPa同時(shí)低壓端達(dá)到682 kPa時(shí)，加注量為正好。觀察高低壓端壓力表值，在室溫25℃時(shí)，當(dāng)?shù)蛪憾藟毫_(dá)到680 kPa(±10 kPa)同時(shí)高壓端壓力大于2 000 kPa且小于1 800 kPa時(shí)系統(tǒng)加注量良好，在加注時(shí)要以少量多次為原則，每次加注后都要讓系統(tǒng)運(yùn)行幾分鐘再觀察壓力表數(shù)值變化。

3 溫度驗(yàn)證與分析

3.1 低溫控制能力實(shí)驗(yàn)及分析

對(duì)改造好的搖床進(jìn)行實(shí)際測試分析搖床的低溫控制能力。在室溫為23.7 ℃與27.7 ℃的環(huán)境下打開搖床艙門30 min，測量搖床內(nèi)外溫度一致后，將電子溫度計(jì)固定在搖床內(nèi)中間位置。為了模擬實(shí)驗(yàn)工作狀態(tài)，將平臺(tái)轉(zhuǎn)速設(shè)定為200 r/min，為了測試搖床的低溫能力，將搖床溫度設(shè)定為10 ℃，采樣時(shí)長為65 min，采樣頻率為0.2次/min，結(jié)果如圖5所示。

當(dāng)搖床初始溫度為環(huán)境溫度時(shí)，10 min中內(nèi)的降溫幅度最大，30 min后趨于達(dá)到最低溫度。當(dāng)環(huán)境溫度為23.7 ℃時(shí)，搖床用35 min達(dá)到最低溫度18.6 ℃，并且穩(wěn)定控制在18.6 ℃，溫度極差為5.1 ℃；當(dāng)環(huán)境溫度為23.7 ℃時(shí)，搖床用50 min達(dá)到最低溫度20.4 ℃，并且穩(wěn)定控制在20.4 ℃，溫度極差為7.3 ℃。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)環(huán)境溫度越高，達(dá)到設(shè)定溫度所花的時(shí)間越長，極差表明，本次改造的搖床在不同環(huán)境下降溫能力為5～7 ℃。由于本實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用的搖床溫度為28 ℃和36 ℃，當(dāng)夏季室溫為30 ℃時(shí)搖床可以控制的最低溫度為21～25 ℃；當(dāng)春秋季室溫為25 ℃時(shí)搖床可以控制的最低溫度為17～20 ℃，故改造后的搖床達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，完全可以滿足本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)需求。

(a) 環(huán)境溫度23.7 ℃

(b) 環(huán)境溫度27.7 ℃

圖5 搖床工作溫度變化曲線圖(采樣時(shí)間65 min，采樣頻率0.2次/min)

3.2 溫度控制穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)及分析

搖床控溫穩(wěn)定性是衡量搖床性能的重要指標(biāo)。通過提高采樣頻率對(duì)改造后的搖床進(jìn)行控溫穩(wěn)定性測試，如表1所示。實(shí)驗(yàn)條件同3.1，開機(jī)40 min后提高采樣頻率，以次/min對(duì)搖床溫度進(jìn)行測定，在環(huán)境溫度為23.7 ℃，搖床溫度達(dá)到18.6 ℃后穩(wěn)定不變；環(huán)境溫度為27.7 ℃，搖床溫度達(dá)到20.4 ℃后穩(wěn)定不變。實(shí)驗(yàn)表明，改造后搖床的溫控穩(wěn)定性非常理想，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表1 高頻率采樣下的搖床溫度變化表(采樣時(shí)間26 min，采樣頻率 次/min)

4 討 論

直接制冷方案簡單易行，穩(wěn)定性好，系統(tǒng)運(yùn)行性能平穩(wěn)但也存在不足：

(1) 采用加熱補(bǔ)償制冷達(dá)到控溫目的同時(shí)，由于制冷系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)，從而增加了能耗也降低了系統(tǒng)使用壽命，雖然是犧牲了能耗和壽命，但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看這種方法具有非常好的溫控穩(wěn)定性，甚至超過了原裝制冷型搖床的溫控穩(wěn)定性。

(2) 要根據(jù)常用的實(shí)驗(yàn)溫度來設(shè)計(jì)制冷系統(tǒng)的制冷能力，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)制冷溫度與常用實(shí)驗(yàn)溫度相差較大，那么在不同環(huán)境溫度工作時(shí)達(dá)到實(shí)驗(yàn)溫度所需的時(shí)間就很長，甚至有時(shí)達(dá)不到實(shí)驗(yàn)要求的溫度。

(3) 改造過程需要權(quán)衡改造的難易問題、成本問題、能耗問題、控溫能力問題、控溫穩(wěn)定性問題等多方面因素，正因如此，本文改造的出發(fā)點(diǎn)是按：高控溫穩(wěn)定性>改造簡單>成本低廉的權(quán)重順序設(shè)計(jì)的，不同實(shí)驗(yàn)室在改造時(shí)需要根據(jù)自己常用實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)制冷系統(tǒng)控溫能力進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(4) 毛細(xì)管的長度一定要合適才能在蒸發(fā)器與冷凝器間產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膲毫Σ?，在確定毛細(xì)管長度實(shí)驗(yàn)時(shí)，壓力表顯示的壓力差值可以稍稍高于設(shè)計(jì)值，但絕不能低于設(shè)計(jì)值，否則系統(tǒng)達(dá)不到設(shè)計(jì)的制冷溫度。

(5) 制冷劑加注量一定要適中，制冷劑過多會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)因壓力過高而不能啟動(dòng)；制冷劑過少會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)因壓力過低而不制冷。因此，在制冷劑加注時(shí)一定要在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，依據(jù)低壓端壓力表數(shù)值來確定制冷劑的加注量，因?yàn)楦邏憾藟毫?huì)因環(huán)境溫度的變化而改變，而低壓端壓力則相對(duì)穩(wěn)定。制冷劑的加注應(yīng)該遵循少加勤加多觀察的原則。

5 結(jié) 語

通過改造加熱型搖床，加裝壓縮制冷系統(tǒng)，改善了搖床低溫工作能力，所選定的改造方案充分考慮了可行性及經(jīng)濟(jì)性，并且具有良好的控溫穩(wěn)定性。由于完全沒有破壞原有系統(tǒng)，因此操作簡單、控溫穩(wěn)定、改造價(jià)格低廉。改造后的設(shè)備完全可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。本文通過加裝壓縮制冷系統(tǒng)來降低實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備溫度的方法提供了一種解決問題的思路，對(duì)儀器設(shè)備升級(jí)改造具有指導(dǎo)意義。

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ImprovementofShakerTemperatureControlSystembytheCompressorRefrigerationSystem

HUZhenbanga,CHENQingshana,XINDaweia,QIZhaominga,CAIRuib

(a. College of Agriculture; b. Depatment of Lab Management， Northeast Agricultural University， Harbin 150030, China)

The compressor cold maker system was used to modify the temperature stability of shaker. When the environment temperature was 23.7 ℃, the low temperature of shaker could reach 18.6 ℃ stably, and this process needed 35 min, the outside and inside temperature difference was 5.1 ℃. While the environment temperature was 27.7 ℃, the low temperature of shaker could reach 20.4 ℃ stably, and this process needed 50 min, the outside and inside temperature difference was 7.3 ℃. These results support that the modified shaker hasanoperation ability to keep more temperature stability. And the modification did not breakoriginal system, including the excellency of easy manipulation, simple structure. The improvement expense is low, but hashigh stability oftemperature, friendly environmental adaptability.

compressor; refrigeration system; heat compensation mechanism; temperature control system

TB 69

A

1006-7167(2017)11-0051-04

2017-04-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31471516,31271747,31471516)；國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(31400074,31401465)；黑龍江省高校長江后備支持計(jì)劃項(xiàng)目(2014CJHB004)；黑龍江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD201213)；黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系項(xiàng)目(CARS-04-02A)

胡振幫(1978-)，男，黑龍江哈爾濱人，實(shí)驗(yàn)師，主要從事遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理及生物信息學(xué)研究。

Tel.:18845590920;E-mail:zbhu@neau.edu.cn

蔡 銳(1980-)，男，黑龍江哈爾濱人，工程師，主要從事微電子及制冷系統(tǒng)研究。

Tel.:13114601225;E-mail:cairuigm@163.com