劉家林 李卓慧 王曉占 劉海靜 李燦倫 羅 威 劉昌鵬

（上海衛(wèi)星裝備研究所 上海 200240）

0 引言

近年來，隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，宇航產(chǎn)品的試驗數(shù)量也日益增多，針對宇航產(chǎn)品試驗的特殊性及重要性，對產(chǎn)品試驗的要求也越來越高，常規(guī)試驗一般需要制冷工況溫度需滿足-75℃～-90℃，通常采用經(jīng)典三級自復(fù)疊系統(tǒng)來提供所需環(huán)境溫度。

由于常規(guī)三級自復(fù)疊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，能效率比較低，系統(tǒng)排氣壓力及排氣溫度都較高，整個系統(tǒng)穩(wěn)定性比較差，同時，經(jīng)典三級自復(fù)疊系統(tǒng)（直冷式）只能實現(xiàn)極低溫區(qū)附近的控溫，而且控溫精度范圍僅限于極低溫溫度點(diǎn)-80℃±2℃，不能實現(xiàn)較高區(qū)間所需溫度及實現(xiàn)溫度可連續(xù)控溫。為提高整個系統(tǒng)能量利用率及較高的穩(wěn)定性，設(shè)計及搭建了一套新型可能量調(diào)節(jié)的自復(fù)疊制冷系統(tǒng)，最終實現(xiàn)系統(tǒng)能量可調(diào)及寬溫區(qū)控溫。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

新型可能量調(diào)節(jié)自復(fù)疊制冷系統(tǒng)循環(huán)流程圖如圖1所示，系統(tǒng)組成主要包括壓縮機(jī)、冷凝器、回?zé)崞?、氣液分離器、冷凝蒸發(fā)器、蒸發(fā)器、過濾器、電磁閥、能量調(diào)節(jié)閥、熱力膨脹閥以及溫度、壓力傳感器等測量儀器。

圖1 新型可能量調(diào)節(jié)自復(fù)疊制冷循環(huán)系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flowchart of refrigeration system of a new type of cascade

1.2 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)采用三種非共沸混合工質(zhì)來實現(xiàn)低溫制冷，此新型系統(tǒng)設(shè)計方案中，高溫組分選取R134a；中溫組分選取R23；低溫組分選取R14。R134a 和R23 的沸點(diǎn)間距為56℃，R23 和R14 的沸點(diǎn)間距為46℃，均在40～80℃之間，較好的滿足了沸點(diǎn)確定原則。其中三種組分的比例初步選為0.6:0.2:0.2。

具體流程描述為，一定配比的非共沸混合工質(zhì)在壓縮機(jī)A 中壓縮成高溫高壓狀態(tài)后經(jīng)過冷凝器B 及回?zé)崞鰿 中冷凝，大部分高沸點(diǎn)工質(zhì)被冷凝成液體，而大部分低沸點(diǎn)工質(zhì)仍為氣體，混合物流經(jīng)氣液分離器D，在分離器內(nèi)分離成氣液兩相，其中含高沸點(diǎn)組分的的液體從分離器底部流出，經(jīng)過熱力膨脹閥A1 后進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器E 蒸發(fā)吸熱，流經(jīng)回?zé)崞鰿 后，回到壓縮機(jī)A 吸氣口；而從分離器頂部逸出的低沸點(diǎn)組分經(jīng)冷凝蒸發(fā)器E、回?zé)崞鱂后，基本被冷凝成液體，液態(tài)混合物流再經(jīng)過熱力膨脹閥A2 達(dá)到蒸發(fā)器G 進(jìn)行蒸發(fā)，使蒸發(fā)器的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，然后經(jīng)回?zé)崞鱂 及回?zé)崞鰿，回到壓縮機(jī)吸氣口，完成一個完整的制冷循環(huán)。

此系統(tǒng)具有能量可調(diào)節(jié)功能，有效的提高了能量利用率，且實現(xiàn)了系統(tǒng)可寬溫區(qū)控溫，主要通過電子能量調(diào)節(jié)閥EX1 及機(jī)械能量調(diào)節(jié)閥ER1～ER2 來實現(xiàn)。系統(tǒng)極限低溫時，高沸點(diǎn)一路熱力膨脹閥會根據(jù)出口氣體過熱度來有效調(diào)節(jié)進(jìn)口流量大小，控制冷凝蒸發(fā)器在一定的溫度，進(jìn)而，對電子膨脹閥進(jìn)行PLC 控制，通過有效的PID 邏輯控制，可來控制進(jìn)入蒸發(fā)器的流量，最終達(dá)到一定的極限溫度。當(dāng)蒸發(fā)器到達(dá)極限溫度工況時，系統(tǒng)吸氣壓力往往會很低，如果過低，會直接損害壓縮機(jī)的吸排氣閥片，甚至可能造成系統(tǒng)突然停機(jī)，而對試驗產(chǎn)品造成不可挽回的損失。為了避免此種意外情況的發(fā)生，通過設(shè)定機(jī)械能量調(diào)節(jié)閥ER2，使吸氣壓力自動一直保持在0.2±0.2bar 范圍內(nèi)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

新系統(tǒng)實現(xiàn)寬溫區(qū)控溫主要通過電子能量調(diào)節(jié)閥EX1，機(jī)械能量調(diào)節(jié)閥ER1 以及電子膨脹閥A2 來完成。具體控制邏輯如圖2所示。

圖2 新型可能量調(diào)節(jié)自復(fù)疊制冷系統(tǒng)寬溫區(qū)控溫邏輯圖Fig.2 Logic diagram of temperature control in wide temperature zone of a new type of cascade

2 系統(tǒng)熱力計算

根據(jù)循環(huán)中各點(diǎn)溫度及焓值變化，新型制冷系統(tǒng)制冷循環(huán)過程可以表示為如圖3所示的由三個平面壓焓圖組成的空間壓焓圖。1'到2'為混合工質(zhì)在壓縮機(jī)中的壓縮過程，2 到3 為混合工質(zhì)在冷凝器中的冷凝過程，3 到4 位高沸點(diǎn)工質(zhì)R134a 的等焓降溫降壓過程，3 到5 為混合工質(zhì)R23 及R14在氣液分離器中分離過程，5 到6 為混合工質(zhì)R23及R14 在冷凝蒸發(fā)器中的冷凝過程，6 到7 為混合工質(zhì)R23 及R14 的等焓降溫降壓過程，7 到8 為混合工質(zhì)R23 及R14 在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)吸熱過程，8到10 為混合工質(zhì)R23 及R14 在回?zé)崞髦械倪^熱過程，9 到10 為工質(zhì)R134a 在冷凝蒸發(fā)器中的蒸發(fā)吸熱過程，10 到1 為混合工質(zhì)R134a、R23、R14混合后吸熱回到壓縮機(jī)，完成一個完整的循環(huán)。

圖3 新型可能量調(diào)節(jié)自復(fù)疊制冷系統(tǒng)制冷循環(huán)壓焓示意圖Fig.3 Pressure-enthalpy diagram of temperature control in wide temperature zone of a new type of cascade

為了簡化計算，本文作了如下假設(shè)：

（1）系統(tǒng)絕熱良好，各換熱器和管路與環(huán)境沒有熱交換；

（2）忽略管路中的壓力損失[4]；

（3）制冷循環(huán)中，制冷劑蒸發(fā)后恰為飽和氣體，冷凝后恰為飽和液體。低溫級過熱為40℃，中溫級過熱30℃，高溫級過熱20℃；

（4）制冷系統(tǒng)中所用壓縮機(jī)等熵效率為0.7。

在設(shè)計中，已知參數(shù)有：混合工質(zhì)各組分的配比，壓縮機(jī)吸氣壓力P1′，吸氣溫度T1′，壓縮機(jī)排氣壓力P2′。

（1）根據(jù)已知的壓縮機(jī)吸排氣壓力P1′，P2′和吸氣溫度T1′，可由下式得出壓縮機(jī)出口溫度：

式中，k為多變指數(shù)[5]，根據(jù)本實驗測的數(shù)據(jù)，取k=1.18。

（2）壓縮機(jī)單位耗功

（3）循環(huán)工質(zhì)流量

式中，Vcom為壓縮機(jī)的理論容器輸氣量，vcom為壓縮機(jī)的氣體比容，λ為壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)。

（4）冷凝器B 的單位熱負(fù)荷

（5）冷凝蒸發(fā)器E 的熱平衡方程

（6）回?zé)崞鰿 和F 的熱平衡方程

（7）蒸發(fā)器G 的單位熱負(fù)荷

（8）新系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)

3 系統(tǒng)性能分析

在熱力性能計算及分析的基礎(chǔ)上，對混合工質(zhì)R134a/R23/R14 以三種質(zhì)量組分配比0.6:0.2:0.2、0.5:0.25:0.25、0.6:0.15:0.25 進(jìn)行實驗研究，對壓縮機(jī)排氣溫度、吸氣溫度、排氣壓力、吸氣壓力、蒸發(fā)溫度、系統(tǒng)制冷性能COP 等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析對比。

3.1 系統(tǒng)排氣溫度分析

圖4 為混合工質(zhì)R134a/R23/R14 不同配比下系統(tǒng)排氣溫度變化圖，從圖中可以看出，剛開機(jī)時，壓縮機(jī)的排氣溫度在25.7℃，開機(jī)后，排氣溫度迅速上升，6min 后升高到98℃左右，20～25min 后排氣溫度均出現(xiàn)最大值，其中混合工質(zhì)配比0.6:0.2:0.2 下最大值為126.7℃，混合工質(zhì)配比0.5:0.25:0.25 下最大值為123.8℃，混合工質(zhì)配比0.6:0.15:0.25 下最大值為121.2℃，25min 后排氣溫度開始緩慢下降。這是因為開機(jī)初期壓縮機(jī)吸氣量比較少，導(dǎo)致排氣溫度急劇上升，運(yùn)行一段時間后，壓縮機(jī)開始吸入來自蒸發(fā)器內(nèi)的工質(zhì)，排氣溫度進(jìn)入緩慢下降階段。大概運(yùn)行40min 以后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，最終，混合工質(zhì)配比0.6:0.2:0.2 下，排氣溫度穩(wěn)定在112 ℃左右，混合工質(zhì)配比0.5:0.25:0.25 下，排氣溫度穩(wěn)定在108℃左右，混合工質(zhì)配比0.6:0.15:0.25 下，排氣溫度穩(wěn)定在101℃左右，均滿足系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

圖4 混合工質(zhì)R134a/R23/R14 不同配比下系統(tǒng)排氣溫度變化圖Fig.4 Variation diagram of system exhaust temperature of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

3.2 系統(tǒng)吸氣溫度分析

圖5 為混合工質(zhì)R134a/R23/R14 不同配比下系統(tǒng)吸氣溫度變化圖，從圖中可以看出，剛開機(jī)時，壓縮機(jī)的吸氣溫度在25.7℃，開機(jī)運(yùn)行10min，吸氣溫度急劇下降，而后出現(xiàn)溫度上升拐點(diǎn)，可能是吸氣溫度經(jīng)過回?zé)崞骷皦嚎s機(jī)電機(jī)，吸氣溫度再一次被提高，其中混合工質(zhì)配比0.6:0.2:0.2 提高9.8℃，配比0.5:0.25:0.25 提高8.8℃。而后系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，吸氣溫度同時快速下降。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至60min 左右時，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行穩(wěn)定階段，雖然還有一定的波動，但是基本都穩(wěn)定在一定溫度范圍內(nèi)，其中，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.6:0.2:0.2 時，吸氣溫度維持在-51℃左右，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.5:0.25:0.25時，吸氣溫度維持在-56℃左右，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.6:0.15:0.25 時，吸氣溫度維持在-59℃左右。

圖5 混合工質(zhì)R134a/R23/R14 不同配比下系統(tǒng)吸氣溫度變化圖Fig.5 Variation diagram of system suction temperature of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

3.3 系統(tǒng)蒸發(fā)溫度分析

不同組分配比蒸發(fā)器的最低溫度變化如圖6所示。制冷系統(tǒng)開始后，前10min 左右制冷速度下降緩慢，主要原因為系統(tǒng)中的混合工質(zhì)還未完全分離，但在10min 后，蒸發(fā)器溫度迅速下降，三種配比工況下，蒸發(fā)器溫度均下降到-52℃左右。20min到40min，系統(tǒng)降溫速率變慢，主要原因為系統(tǒng)中有部分中高溫被冷凝為過冷液態(tài)，留在了蒸發(fā)器中，阻礙了蒸發(fā)器的蒸發(fā)制冷。40min 后，系統(tǒng)開始進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，特別是進(jìn)入60min 后，系統(tǒng)蒸發(fā)器溫度基本保持在一定值，其中，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.6:0.2:0.2 時，蒸發(fā)溫度維持在-102℃左右，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.5:0.25:0.25 時，蒸發(fā)溫度維持在-102℃左右，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.6:0.15:0.25 時，蒸發(fā)溫度維持在-106℃左右，此種配比最終蒸發(fā)溫度最低，主要是由于系統(tǒng)中R14 含量較高，當(dāng)熱負(fù)載越大，蒸發(fā)器需要低溫工質(zhì)相變量就越大，低溫工質(zhì)流量越大，制冷量越大。

圖6 混合工質(zhì)R134a/R23/R14 不同配比下系統(tǒng)蒸發(fā)溫度變化圖Fig.6 Variation diagram of system evaporating temperature of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

3.4 系統(tǒng)排氣壓力分析

圖7 為混合工質(zhì)R134a/R23/R14 不同配比下系統(tǒng)排氣壓力變化圖，從圖中可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行前，系統(tǒng)排氣端壓力保持為13bar。開機(jī)后6min 時，排氣壓力急劇上升，均上升到了23bar 左右，系統(tǒng)運(yùn)行6min 到30min 時，出現(xiàn)了一些震蕩波動，主要原因為系統(tǒng)中氣液分離器的分離作用以及回?zé)崞髦胁粩嗾舭l(fā)吸熱的結(jié)果。隨著低溫工質(zhì)不斷的蒸發(fā)制冷，系統(tǒng)排氣壓力在30min 后進(jìn)入緩慢下降階段，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行50min 左右后，系統(tǒng)排氣壓力就進(jìn)入了運(yùn)行穩(wěn)定階段。其中，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.6:0.2:0.2 時，排氣壓力維持在22bar 左右，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.5:0.25:0.25 時，排氣壓力維持在21.8bar 左右，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.6:0.15:0.25 時，排氣壓力維持在22.8bar 左右。此系統(tǒng)在設(shè)計時，考慮了系統(tǒng)排氣壓力過高導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)以及損傷壓縮機(jī)的后果，采用了高壓旁通的設(shè)計，即在高壓端和低壓端連接一熱氣旁通閥，設(shè)置其最高壓力為25bar。當(dāng)系統(tǒng)排氣壓力超過25bar 時，此閥會自動開啟，當(dāng)壓力降低至17.5bar 時，此閥關(guān)閉。正常運(yùn)行時，此閥一直保持關(guān)閉狀態(tài)，這樣就保證了系統(tǒng)高壓一直處于安全工作范圍內(nèi)。

圖7 混合工質(zhì)R134a/R23/R14 不同配比下系統(tǒng)排氣壓力變化圖Fig.7 Variation diagram of system exhaust pressure of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

3.5 系統(tǒng)吸氣壓力分析

圖8 為混合工質(zhì)R134a/R23/R14 不同配比下系統(tǒng)排氣壓力變化圖，從圖中可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行前，系統(tǒng)吸氣端壓力保持為13bar。開機(jī)后6min 時，吸氣壓力迅速下降，其中混合工質(zhì)配比為0.6:0.2:0.2時，吸氣壓力下降到2.3bar 左右，混合工質(zhì)配比為0.5:0.25:0.25 時，吸氣壓力下降到2.8bar 左右，混合工質(zhì)配比為0.6:0.15:0.25 時，吸氣壓力下降到2.7bar 左右。系統(tǒng)運(yùn)行6min 到65min 左右時，吸氣壓力緩慢下降，主要原因為系統(tǒng)中回?zé)崞?，蒸發(fā)器不斷的制冷降溫，導(dǎo)致氣體工質(zhì)越來越少，系統(tǒng)將進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。當(dāng)運(yùn)行到65min 后，系統(tǒng)蒸發(fā)器溫度均已降到≤-102℃，這時，氣體工質(zhì)很少，大部分中高溫工質(zhì)為液態(tài)，存留在冷凝蒸發(fā)器和蒸發(fā)器中，導(dǎo)致壓力降到0bar 左右。由于此系統(tǒng)設(shè)計了低壓保護(hù)旁路，即在低壓端加裝了一路熱氣旁通管路，當(dāng)系統(tǒng)吸氣壓力≤0.1bar 左右時，低壓保護(hù)旁通閥就會自動打開，當(dāng)吸氣壓力≥0.5bar 時，低壓保護(hù)旁通閥就會自動關(guān)閉，從而使低壓吸氣端一直保持一定的壓力，維持系統(tǒng)正常運(yùn)行。從圖上可以看出，最終當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.6:0.2:0.2 時，吸氣壓力維持在0.2bar 左右，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.5:0.25:0.25 時，吸氣壓力維持在0.3bar 左右，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.6:0.15:0.25 時，吸氣壓力維持在0.3bar 左右。

圖8 混合工質(zhì)R134a/R23/R14 不同配比下系統(tǒng)吸氣壓力變化圖Fig.8 Variation diagram of system suction pressure of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

3.6 系統(tǒng)COP 分析

圖9 為混合工質(zhì)R134a/R23/R14 不同配比下系統(tǒng)COP 變化圖，主要為蒸發(fā)器溫度在-50℃～-105℃之間的變化。從圖中可以看出，系統(tǒng)COP從-50℃開始到-85℃左右，呈緩慢下降的趨勢，到-85℃后，COP 就進(jìn)入了穩(wěn)定階段。此實驗系統(tǒng)選用的壓縮機(jī)是法國泰康低溫壓縮機(jī)，型號為FH2480Z，其額定輸入功率為663W，其中，系統(tǒng)最終穩(wěn)定時，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.6:0.2:0.2 時，實驗制冷量為106W，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.5:0.25:0.25時，實驗制冷量為86W，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.6:0.15:0.25 時，實驗制冷量為90.1W。

圖9 混合工質(zhì)R134a/R23/R14 不同配比下系統(tǒng)COP 變化圖Fig.9 Variation diagram of system cop of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

根據(jù)輸入功率和系統(tǒng)穩(wěn)定時制冷量，可知，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.6:0.2:0.2 時，COP 為0.16，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.5:0.25:0.25 時，COP 為0.13，當(dāng)混合工質(zhì)配比為0.6:0.15:0.25 時，COP 為0.136。從而可以看出，此系統(tǒng)最佳配比為0.6:0.2:0.2，常規(guī)的通過減少高溫工質(zhì)或者增加低溫工質(zhì)，達(dá)不到提高系統(tǒng)COP 的目的，合理的配比才是重要的。

4 總結(jié)

本文設(shè)計了一種新型可能量調(diào)節(jié)的自復(fù)疊制冷系統(tǒng)，通過新系統(tǒng)設(shè)計及相應(yīng)PID 控制邏輯設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)能量可調(diào)，實現(xiàn)-90℃～+20℃寬溫區(qū)連續(xù)控溫，而且控溫精度≥±1.5℃。而且，較常規(guī)制冷系統(tǒng)而言，設(shè)備預(yù)算及成本可降低約25%～40%。另外，通過對系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)對比分析可知，此系統(tǒng)的穩(wěn)定性較常規(guī)自復(fù)疊制冷系統(tǒng)高，為今后設(shè)備產(chǎn)品化奠定基礎(chǔ)。