低温制冷综合试验台的研究与探讨

摘 要：对低温制冷综合试验台进行了研究，详细说明了该试验台的基本构成和参数控制思路，并对该试验台进行实验项目的探讨。试验台内部最低温度可达－35 ℃，能提供恒温、恒湿、恒风速实验环境，可进行蒸发器结霜特性、换热器性能等多方面的实验，也可进行其他交叉学科的科学研究，可为教学、科研换热设备的开发、研制提供服务。

关键词：综合试验台；低温实验；研制；探讨

Development and discussion of cryogenic refrigeration integrate test bench

Zhao Hongjie

Henan University of Science and Technolgy, Luoyang, 471003, China

Abstract: The development of cryogenic refrigeration integrate test bench is introduced. Its basic components and parameters control is explicated, the realistic test items on the test bench is discussed. Its interior minimum temperature is subzero 35℃. The test bench can provide constant temperature, constant humidity, constant wind speed testing condition. The test on frosting characteristic of evaporator and performance of heat exchanger etc can be performed. Also the scientific research of other interdiscipline can be processed on the test bench. The service for teaching, scientific research, developing of heat exchanging equipments can be provided by the test bench.

Key words: Integrate test bench; Cryogenic test; development; Discussion

制冷是指用人工的方法在一定的时间和空间内将物体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个温度。在不同的对象或在不同的领域中，低温制冷有着不同的定义：对于空调装置，0 ℃的冷水或乙二醇溶液就可以认为是低温；在低温学领域中，当装置温度在－40～－50 ℃时才被认为是低温[1]。所研制的低温制冷综合试验台，通过单级压缩蒸气制冷循环和对风洞内空气的温度、湿度和风速的处理控制装置，可以在一定的实验区域内达到恒温、恒湿和恒风速的实验环境，最低温度可达－35 ℃，并在较大的温度范围内进行调整，相对湿度范围在0～100%，风速范围在0～4 m/s。可满足民用、商用制冷装置所能达到的环境要求，为制冷设备、空调器冷却设备的性能测试和在线实验提供实验条件，同时也为低温工况下蒸发器结霜融霜的特性研究[2-4]、蒸发器与风机的匹配研究提供了条件[5]，而且还可以对食品冻藏保鲜特性进行实验。

建成后的低温制冷综合试验台具有较强的综合性，学生可利用试验台进行制冷系统的运行培训、设备的故障诊断与分析，也可对感兴趣的科研项目进行综合型、创新型、研究型实验，提高学生实际动手能力、分析解决实际问题能力和创新意识；教师可以在其提供的温度湿度、空气风速、可调的环境中进行多种科研项目的研究。

1 低温制冷综合试验台的研制

1.1 低温制冷综合试验台简介

试验台由低温风洞系统、制冷循环系统、测量系统和控制系统组成(如图1所示)。制冷循环系统直接给低温风洞系统供冷，来获得低温工况(－35 ℃)；低温风洞系统由风洞本体、送风系统、空气加热系统、空气加湿系统组成；控制系统由闭路回路和各种执行机构组成；测量系统由各种传感器、数据采集仪等组成。空气流过蒸发器表面，获得低温空气；依次流过加热器、加湿器，获得一定温度和湿度的空气；经过整流栅格，获得速度分布较为均匀的空气，到达实验区。待工况稳定后，可通过调节变频风机的转速来调节实验区的风速。

1－风洞本体；2－加湿系统；3－加热系统；4－导流板；5－电频风机；6－微差压计；7－蒸发器；8－显微镜及照明；9－温湿度仪；10－风速传感器；11－整流栅格；12－风冷冷凝器；13－高压储液器；14－压力表；15－电磁阀；16－压缩机；17－过滤干燥器；18－热电偶；19－涡轮流量计；20－截止阀；21－热力膨胀阀

图1 低温制冷综合试验台

1.2 制冷循环系统

液体蒸发式制冷循环系统主要由压缩机、冷凝器、毛细管(节流阀)、蒸发器四大部件组成[6]。

(1)采用的制冷剂R407c，是由R32制冷剂和R125制冷剂再加上R134a制冷剂按一定的比例混合而成，是一种不破坏臭氧层的环保制冷剂。

(2)采用与R407c互溶的油(POE油)。

(3)直接选用进口R407c压缩机[7]。

(4)采用空气强制对流风冷式冷凝器。

(5)采用热力膨胀阀，实现从冷凝压力至蒸发压力的压降，同时控制制冷剂的流量。

(6)采用铜管翅片式蒸发器，直接对风洞内的空气进行冷却。

1.3 风洞系统

(1)风洞内最低温度达－35 ℃，设计采用厚度为150 mm的聚氨酯彩钢板[8]，满足维护结构处侧不结露的要求。

(2)送风系统采用轴流式风机，其转速由变频器控制，来达到控制风洞实验段所要求的风速。

(3)空气加热系统采用电加热管，其输入电压由电压调整器进行无级调节，来达到控制风洞实验段所要求的温度。

(4)空气加湿系统，采用电极式加湿器，其加湿量由微电脑控制溢流管的高低来调节水位的高低，从而调节加湿量，来达到控制风洞实验段所要求的湿度。

1.4 测量系统

综合试验台需测量的参数有制冷循环系统和风洞系统中的温度、压力，风洞系统中的湿度、风速和压缩机功率等。温度由热电偶测量，湿度由电阻型湿度计测量，压力由压力变送器测量，风速测量由风速传感器测量，电动机的功率由功率计测量。测量得到的数值由数据采集仪采集并显示，并通过R485串口和计算机通讯，在计算机上可对采集的数据进行分析处理。

1.5 控制系统

综合试验台需控制的参数有风洞实验区的风速、温度和湿度。差压变送器获得各传感器信号，采集风速、温度和相对湿度的信号值输入计算机；计算机算出总修正系数Ｋ值并得出实际风速值、温度值和湿度值；计算机根据所设定的风速值、温度值和湿度值与实际值进行比较，得到误差值经PID补偿网络调整后反馈到调节器，模糊控制风洞电机转速、电加热器功率、电极加湿器水位，使风速、温度和湿度自动定点稳定(如图2所示)。

图2 自动控制原理图

2 低温制冷综合试验台可进行实验项目的几点探讨

2.1 实验教学

(1)低温环境下的蒸发器结霜演示实验。将蒸发器来流空气设定在某一状态下(一定温度、湿度、风速)，通过显微镜或摄像头观察蒸发器表面的结霜情况和结霜速度，通过微差压计的压力变化了解结霜量的多少对空气流动损失的影响，了解低温环境下空气质量的处理方法。

(2)制冷循环性能测试实验；在某一状态下，制冷系统压―焓图测试实验；制冷量测试实验；压缩机性能实验；制冷系数测定实验；制冷机组热平衡实验。

(3)低温环境下蒸发器性能实验；空气侧换热量测试实验；制冷剂侧换热量测试实验；蒸发器对流换热系数测定实验。

(4)由学生在实验教师的指导下对自己感兴趣的科研项目，自主开发完成一些综合型、科研型和创新型实验。

2.2 科学研究

(1)在不同状态下，蒸发器结霜特性及影响因素的研究、蒸发器性能及影响因素的研究、制冷循环制冷量及影响因素的研究等。

(2)在相同状态下，不同蒸发器结霜特性及影响因素的研究、不同蒸发器性能及影响因素的研究、制冷循环制冷量及影响因素的研究等。

(3)制冷设备性能实验研究，测试产品性能，进行分析研究。

(4)换热器在不同风机(风速)匹配下的换热性能的研究。

(4)制冷剂热力性质的研究。

(5)在风洞实验区，有可以设定恒温、恒湿、恒风速的实验环境，可以进行其他学科的研究(如果蔬等农产品保鲜、仪器仪表在低温潮湿环境下性能的研究)。

3 结束语

该试验台设计合理，功能强大，测试精度高。学生通过一系列实验，加深了对制冷原理等专业课程中概念、原理和公式的理解，掌握了实验技能和测试仪器仪表的使用，了解了先进的测试及数据采集、控制手段等现代测试技术。该试验台的研制，有利于学生开展综合设计型实验，也可用于专业课程设计、毕业设计、研究生培养及相关科研工作。

参考文献

[1] 吴正业.制冷及低温技术原理[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2] 吴金玉,陈江平.低温工况下蒸发器结霜特性的数值模拟及实验研究[J].制冷工程,2008,161(1):33-37.

[3] 刘凤珍,于洋.低温工况下结霜对翅片管蒸发器性能影响的实验研究[J].低温与超导,2003,31(1):29-32.

[4] 姚杨,姜益强,马最良,等.空气侧换热器结霜时传热与阻力特性研究[J].热能动力工程,2003,18(3):81-84.

[5] 刘训海,姜敬德,张朝辉,等.低温冷库冷风机的变频研究[J].制冷学报,2008,29(1):51-54.

[6] 吴正业.小型制冷装置设计指导[M].北京:机械工业出版社,1998.

[7] 谢利昌.R407c制冷压缩机使用指南[J].制冷,2003,22(1):67-70.

[8] 王起霄,吴邦喜.低温制冷实验装置的设计[J].哈尔滨商业大学学报:自然科学版,2007,23(6):714-716.