低温制冷系统的设计探讨

摘要：在制冷技术飞速发展的21世纪，低温制冷系统的设计要求也越来越高，设计的合理与否直接影响投资成本。低温环境温度一定时，制冷量随制冷温度的升高而升高，制冷温度不变而环境温度下降时，系统的制冷量也下降。本文采用仿真模拟试验技术，提出制冷工艺流程方案，以供交流。

关键词：低温制冷系统；设计难点；措施

Abstract: in the refrigeration technology rapid development in the 21 st century, low temperature refrigeration system design requirements of more and more is also high, design reasonable or not directly affect investment cost. Low temperature environment temperature must be, with the increase of temperature refrigeration capacity increases, refrigeration constant temperature and environmental temperature drop, the refrigerating capacity of the system is also down. Based on the simulation test technology, proposed the refrigeration process scheme for communication.

Key words: low temperature refrigeration system; Design difficulties; measures

中图分类号：TB6文献标识码：A 文章编号：

一、工程概述

某车辆和各种工业产品的低温环境可靠性试验。它由大、中、小三个低温室组成,大低温室容积为1000m3,其他两个低温室的容积分别为120 m3和45m3。大型低温室具有投资和能耗大、技术复杂、设计难度大、建设周期长的特点。该低温室建成于上世纪80年代初,是当时国内规模最大的环境室。经过20多年的使用,该低温室的系统设备均已超过使用年限,设备性能和工作可靠性均无法满足使用要求,必须进行改造,将其低温制冷系统全部更换,重新设计。设计工作从1999年初开始,2001年12月完成,设计中采用了计算机仿真模拟技术,提出了新的节能型制冷系统流程方案,使投资和能耗大幅度减少。2008年9月联合调试工作完成,系统运行稳定可靠,各项性能参数达到设计要求,工程通过验收正式投入使用。

二、主要设计指标要求

各低温室室内最低温度要求达到-80℃,大低温室最大试件质量为40t,满载时温度从30℃降到-60℃的时间不大于14h;另外两个低温室满载时的降温时间不大于2h。大低温室设置低温冷启动试验功能和排烟系统,最大排烟量为3000kg/h。各试验室均具有进行高温试验的能力,最高温度达到75℃。

三、主要技术特点与设计难点

（1）设计参数要求高

目前国内以及欧美等发达国家的大型地面设备低温环境室的室内温度均不低于-60℃,而该低温室室内最低温度要求达到-80℃,是目前国内外技术指标要求最高的大型地面设备低温环境室,要在室内大空间内达到如此低的温度,给制冷系统的设计工作带来了较大困难。

（2）没有现成的设计手册可以遵循

由于是对极端低温环境进行模拟,因此其设计方案、设计方法和技术特点均与常规空调制冷不同,其技术复杂、设计难度大。没有现成的设计计算方法和设计手册可以遵循,空调制冷系统和不少设备都必须非标设计。

（3）设计计算复杂，必须采用模拟计算

低温室作为试验室都是短期间歇运行,运行过程中包括降温过程、保温过程和升温过程等阶段。降温过程通常是冷负荷最大的过程,也是确定空调制冷系统容量的过程,在降温过程中室内温度变化幅度很大,最大可以达到110℃,因此低温室冷负荷均在大幅度变化,制冷系统性能也会发生较大变化。在这一不稳定传热过程中,制冷系统性能变化与围护结构传热过程相互影响,其热工计算十分复杂。因此不能采用由冷负荷确定制冷系统容量的常规空调设计方法,只能采用全过程综合模拟方法来确定降温时间和系统设计容量。而这采用手工计算无法完成,必须开发专用软件,进行计算机仿真模拟计算。

（4）对系统设备耐低温性能要求高

由于要求室内温度快速达到-80℃,制冷系统送风温度可以达到-120℃以下,这对系统设备的可靠性和低温适应性提出了很高的要求,为此,必须在系统设计殊考虑,许多设备必须非标设计。

四、主要技术创新点

（1）采用计算机仿真模拟设计方法

在该低温室低温制冷系统设计中,采用了计算机仿真模拟的设计方法,开发了相应的模拟软件,对降温过程的围护结构热工变化、制冷系统性能变化和室内空气温度变化进行了全过程的综合动态模拟分析,对设计方案和参数进行了优化。

（2）采用新型节能的制冷设计方案

①设计方案简介

该低温室的空调制冷工艺系统主要由制冷系统、供气系统、除湿再生系统、冷却水系统、3个低温室室内循环系统、排烟系统、自动控制系统等分系统组成。制冷系统一机多用,采用一套制冷系统为3个低温室提供冷源。制冷系统包括涡轮机组、水冷器、空冷器、回冷器、过滤器、调节阀等主要设备,除湿再生系统包括微热再生干燥器、回热器、水分离器、过滤器、调节阀、自动切换控制柜等主要设备。制冷系统工艺流程原理图见图1。其基本工作原理如下:空气压缩机出口的压缩空气经后冷器冷却进入涡轮压气机进行二次增压,然后经过回热器及水冷器两级冷却后进入干燥器干燥,干燥器中设置硅胶和分子筛,使空气露点温度达到-50℃以下,干燥后的空气经过空冷器和回冷器两级冷却后,流入涡轮膨胀机进一步膨胀冷却,气流的压力与温度均降低,并冲击涡轮膨胀机的叶轮旋转做功,驱动同轴的压气机,回收膨胀功用于增压。涡轮膨胀机出口的低温空气直接进入低温室室内循环系统冷却降温,低温室的低温回气经过回冷器回收冷量后,进入空气压缩机进行下一个循环。通过控制涡轮膨胀机的出口调节阀来控制制冷系统的送风温度和流量,实现对室温的控制。

图1制冷系统工艺流程原理简图

②设计方案的主要特点

在该低温室制冷系统方案设计中,经过研究提出了新型的高压除湿、余热再生、正升压式空气制冷工艺流程方案,替代原来的电热再生风扇式空气制冷流程方案,该技术方案具有如下主要特点：

1)采用正升压式空气制冷方案,使制冷系统投资、能耗和运行费用减少。采用正升压式空气制冷方案,取代原来的风扇式空气制冷方案,回收涡轮膨胀功用于二次增压,增压比达到1.5,从而使制冷系统容量减少约30%，制冷设备投资、能耗和运行费用减少约30%

2)采用高压除湿方案取代低压除湿方案,使干燥器的投资和能耗减少。将干燥器设置在正升压式涡轮压气机出口、水冷器后的高压处,使水冷器在冷却空气的同时起到除湿的作用,由于高压使水冷器冷却除湿量增大,并使干燥器的体积流量减小,从而使干燥器的湿负荷和容积大幅度减小,干燥器的投资和能耗减少约40%。

3)采用余热再生方案,使干燥再生能耗减少。采用微热再生设备,并利用涡轮压气机出口超过100℃的高温热空气，作为干燥器再生的热源,使再生电加热器的耗电量大幅度减少，干燥器再生能耗减少约50%。

4)充分利用自然冷源,使能耗减少。采用空冷器,充分利用冬季的室外自然冷源,使冬季低温制冷系统能耗减少15%以上。

5)采用空气为制冷剂,不存在制冷剂对环境污染的问题,而且降温速度快。由于在设计方案上的创新,使工程投资、运行能耗和费用、机房面积均大幅度减少,系统投资减少约30%，综合运行能耗和费用减少50%以上，年节电约40万kWh。

五、制冷系统主要设计参数

设置4台螺杆空气压缩机,供气压力为0.5MPa(以下均为表压),单台流量为25 m3/min。系统正常工作时为闭式循环,排烟时为开式直流。设置2台小螺杆空气压缩机,一用一备,为涡轮气浮轴承提供气源,供气压力为0.8MPa,单台流量为6.3 m3/min,系统为开式。采用2台空气静压轴承正升压式涡轮膨胀机,单台流量为2900kg/h,增压比为1.5,膨胀机绝热效率大于75%,压气机绝热效率大于65%。回热器、水冷器、空冷器、回冷器均采用高效紧凑的铝制板翅式换热器,换热效率均大于90%。采用2台微热再生干燥器,低温制冷工况采用涡轮压气机的余热再生,处理空气出口露点温度低于-50℃。

六、实际运行情况

在2008年7～8月炎热的气候条件下进行了空调制冷系统总联合调试考核,完成了10多项考核试验项目,结果表明,系统运行稳定可靠,各项参数达到设计要求。3个低温试验室均达到-80℃,低温制冷系统送风温度达到-127℃。低温室满载降温试验测试结果见表1和图2。

表1低温室满载降温时间试验结果

1)温度从30℃降至-60℃的时间。

图2低温室降温试验实测数据

七、结束语

某低温环境室是目前国内外技术指标要求最高的大型地面设备低温环境室,要求室内温度达到-80℃,其技术复杂、设计难度大。在该低温环境室制冷系统设计中,采用计算机仿真模拟方法,提出了新的高压除湿、余热再生、正升压式环境室空气制冷工艺流程方案,该技术方案采用空气为制冷剂,对环境无污染,采用了涡轮机膨胀功回收、高压除湿、余热再生、利用自然冷源等一系列节能技术措施,在满足相同试验要求的前提下,使投资、能耗、运行费用和噪声大幅度减少,系统投资减少约30%,综合运行能耗和运行费用减少50%以上。该工程项目已经通过了调试和使用考核,各项性能参数均达到设计要求,获得了用户的好评,证明了新的设计方案是可行的、成功的。

作者简介：

常鸣（1982-）男，汉族，河北省泊头人，学士学位，暖通空调，研究方向：制冷。

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