李佳，張華

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

高低溫試驗(yàn)箱制冷系統(tǒng)最佳制冷劑充注量研究

李佳*，張華

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

高低溫試驗(yàn)箱適用于工業(yè)產(chǎn)品高、低溫的可靠性試驗(yàn)。本文以一高低溫試驗(yàn)箱為對(duì)象，在完成制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括制冷劑選擇、制冷系統(tǒng)部件選型等工作的基礎(chǔ)上，對(duì)高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行制冷劑充注量實(shí)驗(yàn)，得到試驗(yàn)箱在最佳運(yùn)行狀態(tài)下的最佳充注量。

高低溫試驗(yàn)箱；復(fù)疊制冷；制冷劑充注量

0　引言

環(huán)境試驗(yàn)是驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)及質(zhì)量的主要手段［1］。環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)用人工手段，模擬出產(chǎn)品實(shí)際所處的環(huán)境，測(cè)試其性能指標(biāo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷，可使人們對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)。研制新產(chǎn)品時(shí)，無(wú)需將產(chǎn)品放置于難以達(dá)到的實(shí)際環(huán)境中實(shí)驗(yàn)，節(jié)約時(shí)間、成本、勞力和物力。環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備已成為現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)和驗(yàn)收時(shí)必不可少的設(shè)備。在眾多的環(huán)境影響因素中，溫度影響始終是所占比例最大的一類(lèi)。在各類(lèi)環(huán)境試驗(yàn)裝置中，高低溫試驗(yàn)箱是占據(jù)比例最大的一種［2］。高低溫試驗(yàn)箱既能提供高溫環(huán)境，又可提供低溫環(huán)境，有的還可以做濕度實(shí)驗(yàn)，其目的是測(cè)試產(chǎn)品在高/低溫下的可靠性。受試產(chǎn)品經(jīng)過(guò)高低溫試驗(yàn)箱的加熱、冷卻過(guò)程，其產(chǎn)品的性能變化就顯現(xiàn)出來(lái)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)加以修正，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制冷技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，頗為重要的應(yīng)用之一就是環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備［3］。從近幾年發(fā)表的論文來(lái)看，對(duì)于試驗(yàn)箱的研究主要集中在隔熱層傳熱特性、制冷系統(tǒng)方式選擇與設(shè)計(jì)、制冷量調(diào)節(jié)、系統(tǒng)控制等方面，而在制冷劑充注量方面的研究十分有限。

1　高低溫試驗(yàn)箱制冷循環(huán)及制冷劑的確定

制冷系統(tǒng)是高低溫試驗(yàn)箱中關(guān)鍵部分，其性能直接影響試驗(yàn)箱整體質(zhì)量的高低。通過(guò)對(duì)比確定制冷循環(huán)為經(jīng)典復(fù)疊式制冷循環(huán)，并對(duì)制冷劑的選擇情況介紹如下。

1.1高低溫試驗(yàn)箱制冷系統(tǒng)選擇

經(jīng)典復(fù)疊式制冷系統(tǒng)是由兩個(gè)分別獨(dú)立的高、低溫級(jí)系統(tǒng)銜接而成，高溫級(jí)和低溫級(jí)循環(huán)各自選取兩種合適的制冷劑，使壓縮機(jī)處于合適的壓力下工作，整個(gè)循環(huán)能在合適的壓比、蒸發(fā)溫度以及冷凝溫度下運(yùn)行。相關(guān)文獻(xiàn)表明，在較低溫度下，兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)的理論輸氣量約為復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的（2～8）倍，其輸氣系數(shù)則比復(fù)疊式制冷系統(tǒng)小很多，在-70 ℃時(shí)，兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)的輸氣系數(shù)下降迅速［4］。復(fù)疊式制冷系統(tǒng)能經(jīng)濟(jì)地達(dá)到-40 ℃～-120 ℃低溫，所以被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)制造、航天航空、化工等行業(yè)。本高低溫試驗(yàn)箱的溫度范圍為-70 ℃～150 ℃。根據(jù)以上原因，所以本高低溫試驗(yàn)箱選用復(fù)疊式制冷循環(huán)。

1.2制冷劑的選定

目前，國(guó)內(nèi)許多生產(chǎn)復(fù)疊式制冷機(jī)組的制造商大多采用的是R22/R13制冷劑組，R22是氫氯氟烴類(lèi)制冷劑，而R13是氯氟烴類(lèi)制冷劑，按照《關(guān)于破壞臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書(shū)》的規(guī)定，R22將過(guò)渡使用、最后會(huì)被淘汰，R13已被發(fā)達(dá)國(guó)家禁用［5-6］。

本課題的高低溫試驗(yàn)箱選用R404A為復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的高溫級(jí)制冷劑。R404A標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-46.6℃，將R125（標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-49℃）、R143a（標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-47.2℃）以及R134a（標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-26.1℃）按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)44︰52︰4配比混合組成，熱物理性質(zhì)與R22 相近，但R404A無(wú)毒且不破壞臭氧層。文獻(xiàn)表明在相同工況且使用相同壓縮機(jī)的情況下，R404A制冷機(jī)組的制冷量比R22高約4%～10%。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，R22機(jī)組效率比R404A的略高；當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，R404A效率則較高。運(yùn)用在螺桿式機(jī)組中，R404A的制冷量大于R22，但其耗功增加了，綜合起來(lái)COP略有下降。運(yùn)用在渦旋式機(jī)組中，R404A制冷機(jī)組的COP值、制冷量受蒸發(fā)溫度及環(huán)境溫度影響比R22大；隨著蒸發(fā)溫度和環(huán)境溫度降低，R404A的制冷量和COP顯著提高；而R404A的系統(tǒng)充注量比R22大［7-9］。

本文選用R23作為高低溫試驗(yàn)箱復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的低溫級(jí)制冷劑。R13、R23以及二者的混合物R503常被選作復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的低溫級(jí)制冷劑。但是由于R13為CFCs類(lèi)制冷劑，已從1996年1月1日全面禁止使用，屬于被淘汰和禁用的制冷劑。而R23屬于HFCs類(lèi)環(huán)保型制冷劑，不破壞臭氧層，可長(zhǎng)期使用，被當(dāng)前世界絕大多數(shù)國(guó)家認(rèn)可并推薦，成為替代R13和R503的普遍選擇。作為被廣泛使用的超低溫制冷劑R23，其低溫時(shí)具有良好的熱力學(xué)性能以及能和潤(rùn)滑油良好互溶再加上無(wú)毒、不可燃的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于新冷凍設(shè)備，如環(huán)境試驗(yàn)箱、生化試驗(yàn)箱、超低溫冰箱等設(shè)備復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的低溫級(jí)。

2　高低溫試驗(yàn)箱制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1高低溫試驗(yàn)箱運(yùn)行原理

本高低溫試驗(yàn)箱的溫度范圍為-70 ℃～150 ℃，利用雙級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)來(lái)獲取-70 ℃低溫。

一年中室內(nèi)環(huán)境溫度平均在5 ℃～35 ℃間，當(dāng)試驗(yàn)箱中設(shè)定的溫度明顯高于室溫時(shí)，無(wú)需啟動(dòng)制冷循環(huán)，僅依靠電加熱器和試驗(yàn)箱自身的散熱就可以使溫度平衡，達(dá)到設(shè)定值［10］。

當(dāng)試驗(yàn)箱需要制取低于環(huán)境溫度的低溫時(shí)，需要開(kāi)啟冷源。為了節(jié)能，當(dāng)設(shè)定的低溫僅依靠高溫級(jí)制冷循環(huán)就能達(dá)到時(shí)，只啟動(dòng)高溫級(jí)循環(huán)；而當(dāng)僅依靠高溫級(jí)制冷循環(huán)無(wú)法達(dá)到設(shè)定低溫時(shí)，則啟動(dòng)雙級(jí)復(fù)疊式制冷循環(huán)。根據(jù)高溫級(jí)循環(huán)制冷劑R404A的性質(zhì)并且要保證高溫級(jí)制冷循環(huán)時(shí)有一定富余的制冷能力來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境溫度變化，故以-15℃作為雙級(jí)復(fù)疊式制冷循環(huán)和高溫級(jí)制冷循環(huán)的切換溫度。

所以，試驗(yàn)箱制冷系統(tǒng)的運(yùn)行模式為：當(dāng)箱內(nèi)溫度設(shè)定高于室溫時(shí)，復(fù)疊式制冷機(jī)組不啟動(dòng)，只靠電加熱和試驗(yàn)箱散熱來(lái)維持設(shè)定溫度；當(dāng)設(shè)定溫度為-15℃到室溫時(shí)，只啟動(dòng)高溫級(jí)系統(tǒng)，以節(jié)約能耗；而當(dāng)設(shè)定溫度為-70 ℃～-16 ℃時(shí)，則啟動(dòng)雙級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)。

圖1為高溫級(jí)制冷系統(tǒng)流程圖。當(dāng)設(shè)定溫度為-15 ℃～39 ℃時(shí)，高溫級(jí)制冷系統(tǒng)運(yùn)行流程為圖1右側(cè)部分，電磁閥四、六、七關(guān)閉，電磁閥一、二打開(kāi)。制冷劑R404A從高溫級(jí)壓縮機(jī)1排出，流經(jīng)冷凝器3、干燥過(guò)濾器8、壓力控制器7，經(jīng)過(guò)電磁閥一經(jīng)電子膨脹閥6節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器5，再經(jīng)電磁閥二后，流入高溫級(jí)壓縮機(jī)1，完成一個(gè)循環(huán)。

此循環(huán)中還有一路由電磁閥三和毛細(xì)管11組成的旁通回路，其作用如下：

1）若蒸發(fā)器內(nèi)制冷量過(guò)大，則高溫級(jí)制冷劑從冷凝器出來(lái)后，一部分經(jīng)上述流程流回壓縮機(jī)，另一部分經(jīng)電磁閥三、毛細(xì)管11，與從蒸發(fā)器出來(lái)的高溫級(jí)制冷劑合并后一起進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣口，這樣可減少蒸發(fā)器中的冷量；

2）當(dāng)壓縮機(jī)吸氣溫度過(guò)高時(shí)，電磁閥三打開(kāi)，降低壓縮機(jī)吸氣溫度，從而降低排氣溫度。

圖1　高溫級(jí)系統(tǒng)流程圖

當(dāng)箱內(nèi)設(shè)定溫度為-16～70℃時(shí)，采用雙級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)流程，見(jiàn)圖2。高溫級(jí)運(yùn)行流程用圖中右側(cè)箭頭表示，電磁閥一、三關(guān)閉，電磁閥四打開(kāi)。高溫級(jí)制冷劑經(jīng)高溫級(jí)壓縮機(jī)1排出，流經(jīng)冷凝器3、干燥過(guò)濾器8、壓力控制器7，經(jīng)電磁閥四、毛細(xì)管11節(jié)流，進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器4蒸發(fā)后，經(jīng)單向閥15后流入高溫級(jí)壓縮機(jī)1，完成一個(gè)循環(huán)流程。

圖2　高低溫試驗(yàn)箱復(fù)疊式制冷系統(tǒng)原理圖

低溫級(jí)運(yùn)行流程用圖中的左側(cè)箭頭表示，電磁閥七打開(kāi)。低溫級(jí)制冷劑經(jīng)低溫級(jí)壓縮機(jī)2排出，經(jīng)過(guò)油分離器14后進(jìn)入預(yù)冷器3，減少冷凝蒸發(fā)器中的冷凝熱負(fù)荷。而后流經(jīng)壓力控制器7，進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器4冷凝后，再經(jīng)過(guò)干燥過(guò)濾器8，經(jīng)電磁閥七、毛細(xì)管11節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器5，最后流入低溫級(jí)壓縮機(jī)2，完成一個(gè)循環(huán)流程。

低溫級(jí)循環(huán)中還有一路由電磁閥六和毛細(xì)管組成的旁通回路，其作用如下：

1）當(dāng)復(fù)疊式制冷循環(huán)的蒸發(fā)器制冷量過(guò)大時(shí)，打開(kāi)電磁閥六，從冷凝蒸發(fā)器4出來(lái)的制冷劑一部分按上述流程流回壓縮機(jī)，另一部分經(jīng)過(guò)干燥過(guò)濾器8后流經(jīng)電磁閥六、毛細(xì)管11后與流出蒸發(fā)器的低溫級(jí)制冷劑混合后流入低溫級(jí)壓縮機(jī)，這樣可降低蒸發(fā)器中低溫級(jí)的制冷量；

2）打開(kāi)電磁閥六的另一個(gè)作用是防止低溫級(jí)壓縮機(jī)吸氣溫度過(guò)高。

本系統(tǒng)有兩個(gè)單級(jí)壓縮系統(tǒng)，R404A作為高溫級(jí)的循環(huán)制冷劑，R23作為低溫級(jí)的循環(huán)制冷劑。高溫級(jí)冷凝溫度定為45℃，本高低溫試驗(yàn)箱的正常情況下最低溫度為-70℃，但最?lèi)毫忧闆r下可達(dá)-75℃，若取傳熱溫差5K，則系統(tǒng)低溫級(jí)蒸發(fā)溫度為-80℃。

在低溫系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，由于R23處于超臨界狀態(tài)，有壓力過(guò)高的危險(xiǎn)。為保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，在低溫級(jí)中，利用毛細(xì)管、卸荷閥連接一個(gè)膨脹容器，可避免超壓狀態(tài)。當(dāng)啟動(dòng)時(shí)低溫級(jí)壓縮機(jī)排氣壓力超過(guò)設(shè)定安全值，則自動(dòng)打開(kāi)卸荷閥，使一部分排氣流入膨脹容器，避免低溫級(jí)出現(xiàn)超壓危險(xiǎn)，保證安全啟動(dòng)。當(dāng)?shù)蜏丶?jí)正常運(yùn)行后，膨脹容器內(nèi)的R23制冷劑又通過(guò)毛細(xì)管壓差作用流回系統(tǒng)中，使循環(huán)順利進(jìn)行。

電磁閥有兩個(gè)功能：1）通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉電磁閥，控制系統(tǒng)；2）防止系統(tǒng)停止運(yùn)行后，高壓的液體制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器，否則當(dāng)系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí)，將有大量制冷劑液體進(jìn)入壓縮機(jī)，從而發(fā)生液擊事故。

復(fù)疊式制冷機(jī)組低溫級(jí)蒸發(fā)溫度較低，較大的壓差使壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高，冷凝溫度過(guò)高，會(huì)使制冷量和COP降低，而且可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)安全隱患。因此為低溫級(jí)壓縮機(jī)的排氣增加了一個(gè)預(yù)冷器，使排氣溫度快速降低后，再進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器器冷凝，保證系統(tǒng)安全，增強(qiáng)冷凝效果，提高制冷能力。

2.2高低溫試驗(yàn)箱熱力計(jì)算及制冷系統(tǒng)部件選型簡(jiǎn)要介紹

高低溫試驗(yàn)箱總冷負(fù)荷Q=965.62×1.2≈1.2 kW。

高溫級(jí)壓縮機(jī)選用泰康TFH2511Z型全封閉活塞壓縮機(jī)；由于各大廠家沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)R23的壓縮機(jī)，所以低溫級(jí)壓縮機(jī)也選用泰康TFH2511Z型全封閉活塞壓縮機(jī)。

根據(jù)制冷循環(huán)流程，高低溫試驗(yàn)箱的蒸發(fā)器有2種制冷劑分別蒸發(fā)制冷循環(huán)回路，并放在箱體室內(nèi)的后壁面，采用翅片銅管式的蒸發(fā)器。紫銅管尺寸為管徑9.52 mm、壁厚0.7 mm，翅片厚度δf為0.2 mm，翅片間距Sf為4 mm，管間距S1為25 mm。

根據(jù)制冷系統(tǒng)流程，高低溫試驗(yàn)箱的冷凝器有2種制冷劑分別冷凝或者冷卻循環(huán)回路，復(fù)疊系統(tǒng)高溫級(jí)部分的冷凝器采用強(qiáng)制通風(fēng)空冷式冷凝器，初步設(shè)計(jì)冷凝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，選擇尺寸為管徑9.52 mm、壁厚0.7 mm的紫銅管，正三角形叉排列，管間距S1為25 mm，翅片厚δf為0.2 mm，片距Sf為2 mm，鋁片熱導(dǎo)率λ為204 W/（m·K）。冷凝溫度為45℃，冷凝負(fù)荷根據(jù)之前的熱力計(jì)算，考慮到惡劣情況下的環(huán)境，取4.5 kW。

冷凝蒸發(fā)器選用某公司定制的板式換熱器。

3　高低溫試驗(yàn)箱制冷劑充注試驗(yàn)及其結(jié)果

高低溫試驗(yàn)箱的高、低溫級(jí)制冷劑充注實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行。首先在不改變低溫級(jí)制冷劑量的情況下，改變高溫級(jí)制冷劑充注量，以滿足高低溫試驗(yàn)箱在較優(yōu)的狀態(tài)下運(yùn)行并得到高溫級(jí)制冷劑最優(yōu)充注量。然后再進(jìn)行低溫級(jí)的實(shí)驗(yàn)，將高溫級(jí)制冷劑充注量控制不變，改變低溫級(jí)制冷劑充注量來(lái)使試驗(yàn)箱有較好的運(yùn)行狀態(tài)并得到低溫級(jí)制冷劑最優(yōu)充注量［11］。

3.1高低溫試驗(yàn)箱高溫級(jí)制冷劑充注實(shí)驗(yàn)

通過(guò)理論研究、參考同類(lèi)高低溫試驗(yàn)箱制冷劑充注量給定范圍，以及考慮本論文中試驗(yàn)箱的具體情況，本實(shí)驗(yàn)中高溫級(jí)制冷劑充注量分別選取700 g、750 g以及800 g。在這三種不同制冷劑充注量條件下，綜合高低溫試驗(yàn)箱整體的降溫速率和運(yùn)行狀態(tài)，選取一最優(yōu)充注量。本測(cè)試大部分參考GB/T 10592-2008來(lái)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，將高低溫試驗(yàn)箱升溫至150 ℃并穩(wěn)定2小時(shí)再降至-70 ℃，來(lái)檢測(cè)其降溫速率。

從圖3可以看出，充注量為700 g時(shí)，高低溫試驗(yàn)箱的降溫速率明顯要低于750 g和800 g充注量的降溫速率。充注量為700g時(shí)，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度從150℃降至-70℃所用降溫時(shí)間約為103分鐘，而750 g和800 g充注量所用的降溫時(shí)間幾乎相同，分別為95分鐘和93分鐘，由此可見(jiàn)700 g充注量時(shí)試驗(yàn)箱降溫慢，750 g和800 g充注量時(shí)試驗(yàn)箱降溫快。而且圖3中可以看出在750 g和800 g充注量的降溫曲線中有一凹凸點(diǎn)，該點(diǎn)為單獨(dú)高溫級(jí)循環(huán)模式切換成復(fù)疊循環(huán)模式，而700 g充注量的降溫曲線則沒(méi)有，這是由于750 g和800 g充注量較合適，試驗(yàn)箱在降溫過(guò)程中先單獨(dú)開(kāi)啟高溫級(jí)循環(huán)模式，待箱內(nèi)溫度到達(dá)切換溫度條件時(shí)，其切換成復(fù)疊循環(huán)模式；由于700 g充注量較少，高低溫試驗(yàn)箱從降溫一開(kāi)始，就直接啟動(dòng)復(fù)疊循環(huán)模式，這樣會(huì)造成不必要的多耗能。

圖3　高溫級(jí)制冷劑不同充注量的降溫速率對(duì)比圖

由圖4可以看出，當(dāng)最終趨于穩(wěn)定時(shí)，700 g充注量的排氣壓力最高約為1.32 MPa，750 g充注量的排氣壓力次之約為1.31 MPa，800 g充注量的排氣壓力最低約為1.30 MPa，這三者的排氣壓力基本相近，而這三者的吸氣壓力也相近，均在0.15 MPa左右。

圖4　高溫級(jí)制冷劑不同充注量的壓縮機(jī)吸排氣壓力對(duì)比圖

從圖5可以看出當(dāng)最終系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時(shí)，三種充注量下的吸排氣溫度也趨于穩(wěn)定，700 g制冷劑充注量的吸排氣溫度最終分別約為-6.0 ℃和76.7 ℃，750 g制冷劑充注量的吸排氣溫度最終分別約為6.1 ℃和80.2 ℃，800 g制冷劑充注量的吸排氣溫度最終分別約為8.4 ℃和80.4 ℃。圖中三種充注量下，吸氣溫度在后期都有一個(gè)下降并趨于穩(wěn)定的過(guò)程，其中700 g制冷劑充注量的效果尤為明顯，這是因?yàn)榇藭r(shí)箱內(nèi)溫度在55 ℃左右，電磁閥SV1-6 的關(guān)閉對(duì)系統(tǒng)有一定的影響。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以知道700 g制冷劑充注量過(guò)低，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣溫度過(guò)低，因此制冷劑充注量為750 g和800 g較合適，但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)高溫級(jí)充注800 g制冷劑時(shí)，高溫級(jí)壓縮機(jī)在運(yùn)行很長(zhǎng)一段時(shí)間后，其表面會(huì)略有結(jié)霜，會(huì)對(duì)壓縮機(jī)性能造成損害，所以綜上分析，高溫級(jí)制冷劑充注量最后確定為750 g。

圖5　高溫級(jí)制冷劑不同充注量的壓縮機(jī)吸排氣溫度對(duì)比圖

3.2高低溫試驗(yàn)箱低溫級(jí)制冷劑充注實(shí)驗(yàn)［12］

通過(guò)理論研究、參考同類(lèi)高低溫試驗(yàn)箱制冷劑充注量給定范圍以及考慮本論文中試驗(yàn)箱的具體情況，本實(shí)驗(yàn)中低溫級(jí)制冷劑充注量分別選取350 g、400 g以及450 g。在這三種不同制冷劑充注量條件下，綜合高低溫試驗(yàn)箱整體的降溫速率和運(yùn)行狀態(tài)，選取一最優(yōu)充注量。測(cè)試部分繼續(xù)按照前面所描述的進(jìn)行，有所區(qū)別的是因?yàn)榇藭r(shí)已經(jīng)確定高溫級(jí)制冷劑的充注量為750 g，為了著重看清低溫級(jí)制冷劑充注量不同對(duì)試驗(yàn)箱整體性能的影響，主要關(guān)注復(fù)疊開(kāi)啟后整個(gè)箱體的降溫速率和運(yùn)行狀態(tài)，所以選取從箱內(nèi)從0 ℃開(kāi)始降溫至-70 ℃這一過(guò)程。

從圖6可以看出低溫級(jí)制冷劑充注量為400 g時(shí)其降溫速率明顯快于制冷劑充注量為350 g和450 g的。充注量為400g時(shí)，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度從0 ℃降至-70 ℃所用降溫時(shí)間約為41分鐘，而350 g和450 g充注量所用的降溫時(shí)間分別為54分鐘和52分鐘，由此可見(jiàn)低溫級(jí)制冷劑充注量的多少對(duì)試驗(yàn)箱整體的降溫速率影響很大。

圖6　低溫級(jí)制冷劑不同充注量的降溫速率對(duì)比圖

從圖7低溫級(jí)制冷劑不同充注量的吸排氣壓力對(duì)比圖中可以看出，制冷劑不同充注量對(duì)排氣壓力影響很大，對(duì)吸氣壓力影響很小。由圖可以得出當(dāng)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時(shí)，低溫級(jí)制冷劑充注量為450 g的排氣壓力高達(dá)1.46 MPa，而制冷劑充注量為400 g的排氣壓力為1.03 MPa，制冷劑充注量為350 g的排氣壓力為0.88 MPa。而制冷劑充注量450 g、400 g和350 g的吸氣壓力分別約為0.13 MPa、0.10 MPa和0.09 MPa，由此可見(jiàn)發(fā)現(xiàn)，制冷劑充注量的不同對(duì)壓縮機(jī)排氣壓力影響較大。

圖7　低溫級(jí)制冷劑不同充注量的壓縮機(jī)吸排氣壓力對(duì)比圖

從圖8可以看出，當(dāng)最終系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時(shí)，三種充注量下的吸排氣溫度也趨于穩(wěn)定，350 g制冷劑充注量的吸排氣溫度最終分別約為-47.0 ℃和95.0 ℃，400 g制冷劑充注量的吸排氣溫度最終分別約為-53.0 ℃和99.3 ℃，450 g制冷劑充注量的吸排氣溫度最終分別約為-75.3℃和100.3℃。

圖8　低溫級(jí)制冷劑不同充注量的壓縮機(jī)吸排氣溫度對(duì)比圖

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，450 g制冷劑充注量的排氣壓力過(guò)高，吸氣溫度過(guò)低，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)對(duì)壓縮機(jī)造成損害，而且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)充注量為450g時(shí)，壓縮機(jī)外殼嚴(yán)重結(jié)霜，這會(huì)對(duì)壓縮機(jī)性能有不利影響。350 g和400 g制冷劑充注量的壓縮機(jī)吸排氣溫度和壓力都相近，但是由圖7可以看出，400 g制冷劑充注量的降溫速率要明顯快于350 g，所以低溫級(jí)制冷劑充注量最終確定為400 g。

所以根據(jù)上述兩次實(shí)驗(yàn)確定，高低溫試驗(yàn)箱高溫級(jí)制冷劑R404A充注量確定為750 g，低溫級(jí)制冷劑R23充注量確定為400 g。

4　總結(jié)

制冷劑的充注量對(duì)高低溫試驗(yàn)箱的性能及運(yùn)行狀態(tài)有重大影響。本文對(duì)設(shè)計(jì)的一臺(tái)高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行了制冷劑充注量實(shí)驗(yàn)。高低溫試驗(yàn)箱高溫級(jí)和低溫級(jí)制冷劑充注實(shí)驗(yàn)分開(kāi)進(jìn)行。首先在不改變低溫級(jí)制冷劑量的情況下，改變高溫級(jí)制冷劑充注量，以滿足高低溫試驗(yàn)箱在較優(yōu)的狀態(tài)下運(yùn)行并得到高溫級(jí)制冷劑最優(yōu)充注量。然后再進(jìn)行低溫級(jí)的實(shí)驗(yàn)，將高溫級(jí)制冷劑充注量控制不變，改變低溫級(jí)制冷劑充注量來(lái)使試驗(yàn)箱有較好的運(yùn)行狀態(tài)并得到低溫級(jí)制冷劑最優(yōu)充注量。最終確定高低溫試驗(yàn)箱復(fù)疊系統(tǒng)高溫級(jí)制冷劑充注量為750 g，低溫級(jí)制冷劑充注量為400 g。

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Research on Best Refrigerant Charges in Refrigeration System of High and Low Temperature Test Chamber

LI Jia*， ZHANG Hua
（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

High and low temperature test chamber is suitable for the reliability test at high and low temperatures for industrial products. The research object is a high and low temperature test chamber. After completing the design of the refrigeration system， including the choose of refrigerant and the selection of the system components， the refrigerant charge experiments were processed and the optimal refrigerant charge for the chamber at the best operation state was obtained.

High and low temperature test chamber； Cascade refrigeration； Refrigerant charge

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.103

*李佳（1993-），女，碩士。研究方向：制冷與低溫。聯(lián)系地址：上海市楊浦區(qū)軍工路516號(hào)上海理工大學(xué)北校區(qū)8宿舍413，郵編：200093。聯(lián)系電話：15921356886。Email：820844099@qq.com。