饒建華 程 鵬 徐許林

(1中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院 武漢 430074) (2湖北九州數(shù)控機(jī)床責(zé)任有限公司 孝感 432000)

流變儀液冷裝置的設(shè)計(jì)研究

饒建華1程 鵬1徐許林2

(1中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院 武漢 430074) (2湖北九州數(shù)控機(jī)床責(zé)任有限公司 孝感 432000)

針對(duì)高溫高壓流變儀特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種液冷裝置，以解決流變儀外圍機(jī)械部分的過熱問題。該冷卻裝置采用了蒸汽壓縮式制冷，以R410A為冷卻工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)將流變儀的多余熱量帶離至室外，并運(yùn)用溫度傳感器和變頻器對(duì)各關(guān)鍵處溫度、冷卻液和制冷劑流量進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。該系統(tǒng)有節(jié)能、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便和換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。

流變儀 液冷裝置 節(jié)能

1 引 言

流變儀是用于地球殼幔深部巖石流變學(xué)研究的重要儀器[1]。該設(shè)備在使用過程中通常是長(zhǎng)時(shí)間處于一種高溫高壓的工作環(huán)境，故其運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的余熱。為了避免對(duì)流變儀高溫環(huán)境周邊的機(jī)械部件產(chǎn)生較大的溫升，按照流變儀本身的要求，需要使用一種高粘度礦物油作為冷卻液對(duì)其進(jìn)行冷卻。

流變儀液冷裝置是流變儀中高溫容器冷卻子系統(tǒng)，從原理上來說，它提供一定溫度、壓力、流量的冷卻液，對(duì)流變儀容器外圍機(jī)械部件進(jìn)行降溫冷卻，為流變儀的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作創(chuàng)造一個(gè)良好、穩(wěn)定的外部環(huán)境；從結(jié)構(gòu)上來說，液冷裝置一般是由制冷循環(huán)系統(tǒng)和冷卻液循環(huán)系統(tǒng)組成?，F(xiàn)有液冷裝置的冷卻液多為水或低粘度油液，液體輸送裝置為葉片泵[2]，而流變儀高溫容器要求使用高粘度礦物油，所以現(xiàn)有液冷裝置很難正常工作。針對(duì)流變儀連續(xù)工作長(zhǎng)達(dá)數(shù)十小時(shí)的工況，本文設(shè)計(jì)了一種用于冷卻流變儀的液冷裝置，采用蒸汽壓縮式制冷方式，液冷裝置通過管道連接完成和流變儀的液體工質(zhì)循環(huán)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流變儀熱量的直接室外帶離[3]。

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

液冷裝置主要指標(biāo)如表1所示。

表1 液冷裝置主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及原理

為將熱量直接帶離至室外，同時(shí)降低室內(nèi)占地面積和對(duì)室內(nèi)產(chǎn)生的噪音，將液冷裝置模塊化處理，分為室內(nèi)機(jī)部分和室外機(jī)部分，液冷裝置通過快速接頭與流變儀連接，可以實(shí)現(xiàn)快速接駁并且無任何泄漏。圖1為流變儀液冷裝置的設(shè)計(jì)方案原理圖，其原理為：氣態(tài)制冷劑被壓縮機(jī)吸入后，壓縮成高溫高壓狀態(tài)的氣體，并進(jìn)入冷凝器在風(fēng)扇的作用下向空氣放熱，成為高壓狀態(tài)的液體，再經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流后成為低壓低溫的液態(tài)，最后經(jīng)過蒸發(fā)器進(jìn)行相變交換，吸收冷卻液中的熱量后，重新成為氣態(tài)制冷劑再次進(jìn)入壓縮機(jī)，至此完成了制冷的一個(gè)循環(huán)。冷卻液在齒輪泵的抽吸作用下由油箱流向流變儀的冷卻通道，對(duì)流變儀外圍機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)降溫的作用，同時(shí)流變儀的多余熱量被冷卻液帶走，冷卻液的熱量由通過板式換熱器的制冷劑帶走，被冷卻的冷卻液通過液壓軟管流回油箱，如此反復(fù)，達(dá)到給流變儀外圍機(jī)械部分降溫冷卻的目的。考慮到能效比、冷卻效果和環(huán)保因素，本裝置使用了當(dāng)今變頻空調(diào)行業(yè)中主流的R410A冷媒作為制冷劑對(duì)冷卻液進(jìn)行冷卻處理[4]。

圖1 流變儀液冷裝置原理圖Fig.1 Diagram of liquid cooling device of deformation apparatus

2.3 系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于流變儀能承受的最高壓力為0.5 MPa，為更好地監(jiān)控系統(tǒng)的冷卻液壓力，在出液端安裝了壓力表；出液和回液管路上分別設(shè)置手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)緊急情況下的切斷回路操作。

本裝置采用半導(dǎo)體溫度傳感器采集液冷裝置中7個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度，可以保證在設(shè)計(jì)指標(biāo)規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)供液溫度的連續(xù)調(diào)節(jié)。

為了減少沿程損失和減小室內(nèi)機(jī)的體積，將冷凝器設(shè)計(jì)在室外機(jī)，整個(gè)冷媒回路都安裝在室外，通過液壓軟管將室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)與流變儀連接起來。

3 系統(tǒng)熱力學(xué)計(jì)算與設(shè)計(jì)選型

3.1 冷卻液泵選型方案

按照流變儀的要求，冷卻液為46#礦物油，而進(jìn)入流變儀的最佳油液溫度需要控制在20—25 ℃之間，礦物油在該工況下運(yùn)動(dòng)粘度高達(dá)100—120 mm2/s，在粘度適用性、體積和經(jīng)濟(jì)性上考慮，采用齒輪泵較為合適。以制冷裝置制冷量為3.8 kW和冷卻油經(jīng)過蒸發(fā)器的溫度降為10 ℃計(jì)算，所需的油液流量為14.9 L/min。選取允許最大流量為15 L/min的齒輪泵，其裝有手動(dòng)調(diào)壓閥，可將出口壓力調(diào)至0.5 MPa以下。

3.2 熱負(fù)荷計(jì)算

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)制冷輸出能力應(yīng)包括以下幾點(diǎn)，如表2所示。

表2 制冷能力Table 2 Table of cooling capacity

3.3 壓縮機(jī)選型方案

選型時(shí)取室外溫度40 ℃為機(jī)組設(shè)計(jì)的環(huán)境溫度指標(biāo)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的冷凝溫度Tc=40 ℃+15 ℃=55 ℃[5]，蒸發(fā)溫度Te=8 ℃，過冷度及過熱度均取5 ℃。在軟件中對(duì)壓縮機(jī)的參數(shù)進(jìn)行模擬運(yùn)算如圖2所示[6]。

圖2 制冷劑熱力循環(huán)壓焓圖Fig.2 P-h diagram of thermodynamic cycle

通過上述運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行壓縮機(jī)選型，經(jīng)分析和比較，選用一種直流變頻壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)名義工況下制冷量為3.8 kW，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 冷凝器的選型方案

冷凝器是制冷裝置中主要的熱交換設(shè)備，制冷劑在管內(nèi)冷凝，空氣在管外流動(dòng)，帶走制冷劑放出的熱量。本裝置采用1.5 HP室外機(jī)用翅片管式冷凝器，冷卻方式為風(fēng)冷，銅管為7 mm的R410A制冷劑標(biāo)準(zhǔn)銅管。風(fēng)機(jī)采用外轉(zhuǎn)子式風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)風(fēng)葉在定子外轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)安裝在葉輪中間，對(duì)電機(jī)自身達(dá)到了最大的冷卻效果。

3.5 節(jié)流元件選型方案

節(jié)流元件使用電子膨脹閥，它安裝于蒸發(fā)器的制冷劑入口處，通過調(diào)節(jié)換熱器末端的過熱度變化來控制閥門流量，過熱度最佳值為5—8℃范圍內(nèi)以控制制冷量并防止出現(xiàn)蒸發(fā)器面積利用不足和敲缸現(xiàn)象。根據(jù)本系統(tǒng)壓縮機(jī)的1.5HP的制冷容量，本設(shè)計(jì)中采用DPF1.65C電子膨脹閥，該電子膨脹閥通過控制器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)針閥上升下降以控制閥體的開度，以調(diào)節(jié)蒸發(fā)器供液量，達(dá)到配合變頻壓縮機(jī)的排氣量，調(diào)節(jié)蒸發(fā)器過熱度的目的，閥體從全閉到全開的步數(shù)為480個(gè)脈沖，當(dāng)超過0—480步的范圍時(shí)，閥體內(nèi)部的止動(dòng)滑環(huán)會(huì)阻止針閥的移動(dòng)，使閥體開度控制在0—480步的范圍內(nèi)。閥體的最高工作壓差可達(dá)到4.2 MPa，能夠滿足R410A制冷劑制冷系統(tǒng)的要求。

3.6 蒸發(fā)器的選型及安裝方案

3.6.1 蒸發(fā)器的選型

蒸發(fā)器作為冷卻系統(tǒng)中冷卻液和R410A制冷劑進(jìn)行熱交換的部件，其換熱效率高低直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的制冷能力的強(qiáng)弱。本設(shè)計(jì)采用法國(guó)哈格諾公司生產(chǎn)的釬焊板式換熱器作為系統(tǒng)的蒸發(fā)器，板式換熱器較其他種類換熱器(套管式、管殼式等)相比，具有體積小、平均換熱溫差大、流動(dòng)阻力小等優(yōu)點(diǎn)。

標(biāo)準(zhǔn)工況下，要使進(jìn)入流變儀的油液溫度T1=20 ℃，即流出蒸發(fā)器的油液溫度應(yīng)等于20 ℃，根據(jù)蒸發(fā)溫度一般應(yīng)低于制冷溫度10 ℃以上的標(biāo)準(zhǔn)，制冷劑蒸發(fā)溫度定為T3=8℃，過熱度ΔT=5 ℃，即制冷劑過熱溫度T4=T3+ΔT= 13 ℃，為了保證換熱器中足夠的換熱溫差，設(shè)計(jì)進(jìn)入換熱器的油溫為T2=35 ℃，計(jì)算得換熱器中的換熱平均溫差ΔTm=18.5 ℃，進(jìn)一步根據(jù)換熱器產(chǎn)品參數(shù)計(jì)算得到換熱器蒸發(fā)面積A=0.98 m2。

根據(jù)以上計(jì)算選用一種釬焊板式換熱器，其基本參數(shù)如表3所示。

3.6.2 蒸發(fā)器的安裝方案

傳統(tǒng)的分體式冷卻裝置的蒸發(fā)器安裝在室內(nèi)，從空間和結(jié)構(gòu)方面的因素考慮，本設(shè)計(jì)將蒸發(fā)器安裝在室外機(jī)，使冷媒回路最短，同時(shí)節(jié)省了室內(nèi)面積。整體裝配方案如圖4所示。

表3 換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Design parameters of heat exchanger

圖4 蒸發(fā)器的安裝方案1.風(fēng)機(jī);2.油液入口快速接頭A;3.油液出口快速接頭B;4.電子膨脹閥;5.蒸發(fā)器; 6.蒸發(fā)器保護(hù)罩;7.冷媒管路;8.冷凝器。Fig.4 Installation scheme of evaporator

3.7 裝置整體設(shè)計(jì)

按照本方案設(shè)計(jì)的流變儀液冷裝置整體結(jié)構(gòu)如圖5所示，整個(gè)系統(tǒng)分為室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)，其與流變儀通過液壓軟管連接起來，維護(hù)方便，室內(nèi)占地面積小，實(shí)物圖如圖6所示。

圖5 液冷裝置的整體結(jié)構(gòu)1.室外機(jī);2.室內(nèi)機(jī);3.連接管C;4.連接管A;5.連接管B; 6.流變儀。Fig.5 Overall structure of liquid cooling device

圖6 液冷裝置的實(shí)物圖Fig.6 Assembly diagram of liquid cooling device

4 實(shí)驗(yàn)性能

在已經(jīng)搭建的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上主要針對(duì)流變儀液冷裝置中的主要指標(biāo)參數(shù)即油箱溫度和回油溫度，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。分別設(shè)置3 000 W和1 500 W熱負(fù)載對(duì)液冷裝置進(jìn)行了冷卻液冷卻實(shí)驗(yàn)，設(shè)置油箱油溫目標(biāo)值為20 ℃，對(duì)裝置進(jìn)行連續(xù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。如圖7所示，為3 000 W熱負(fù)載實(shí)驗(yàn)過程中的裝置內(nèi)油箱溫度即冷卻液出液溫度以及進(jìn)液溫度的實(shí)際測(cè)量值。從圖中可以得出在液冷裝置運(yùn)行的過程中可以快速將油箱溫度控制至目標(biāo)溫度，同時(shí)液冷裝置將油箱油溫控制至目標(biāo)溫度后可以穩(wěn)定控溫，油箱溫度和回液溫度雖然有相應(yīng)的波動(dòng)，但在實(shí)驗(yàn)過程中穩(wěn)定后油箱溫度即供液溫度的波動(dòng)是較小的，波動(dòng)量在±1 ℃以內(nèi)。圖8為1 500 W熱負(fù)載實(shí)驗(yàn)過程中油箱溫度和回油溫度的變化曲線，同樣可以快速穩(wěn)定油箱油溫至目標(biāo)溫度，同時(shí)油箱油溫的波動(dòng)較小，在±1 ℃以內(nèi)。以上結(jié)果表明液冷裝置的運(yùn)行狀況良好。

圖7 3 000 W熱負(fù)載時(shí)關(guān)鍵溫度實(shí)測(cè)值Fig.7 Measured values of the major temperature at thermal load of 3 000 W

圖8 1 500 W熱負(fù)載關(guān)鍵溫度實(shí)測(cè)值Fig.8 Measured values of the major temperature at thermal load of 1 500 W

5 總 結(jié)

研制了流變儀液冷裝置，將液冷裝置分為室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)，將蒸發(fā)器安裝在室外，與冷凝器和風(fēng)機(jī)組成室外機(jī)，使冷媒回路大大縮短，可以直接將熱量帶離至室外，提高了能源利用效率，同時(shí)改善了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)境。裝置在各關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置溫度傳感器以便調(diào)節(jié)制冷量等運(yùn)行參數(shù)。

該流變儀液冷裝置具有能源利用率高、有室內(nèi)占地面積小、噪音低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的液冷裝置在冷卻流變儀時(shí)能源浪費(fèi)的不足，有效解決了流變儀長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的余熱對(duì)外圍機(jī)械部分的破壞問題。

1 劉 強(qiáng),金振民.Piston Cylinder高溫高壓實(shí)驗(yàn)裝置及在殼幔動(dòng)力學(xué)研究中的應(yīng)用[J].地質(zhì)科技情報(bào),2006,25(5):8-14.

Liu Qiang,Jin Zhenmin.Piston-cylinder apparatus for high pressure and temperature experiments and its application in crust-mantle dynamics research[J].Geological Science and Technology Information, 2006,25(5):8-14.

2 張蒙孟.高精度油冷卻機(jī)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].杭州:杭州電子科技大學(xué),2014.

Zhang Mengmeng.Research and Design of High Precision Oil-cooled Machine Controller System[D].Hangzhou: Hangzhou Dianzi University,2014.

3 吳業(yè)正.小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)[D].青島:山東科技大學(xué),2006.

Wu Yezheng. Design Guidelines for Small refrigeration device[D].Qingdao: Shandong University of Science and Technology,2006.

4 喻首賢.R410A變頻房間空調(diào)器穩(wěn)態(tài)特性研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2007.

Yu Shouxian. Study on Steady Performance of R410A DC Inverter Room Air-Conditioners[D].Changsha: Central South University,2007.

5 商萍君,陳利軍.冷凝溫度和蒸發(fā)溫度變化時(shí)往復(fù)壓縮機(jī)的變工況特性[J].2008,103 (27):68-71.

Shang Junping,Chen Lijun. Effect of Condensing & Evaporating Temperature on the Varying Operative Rating of Compressor[J].2008, 103 (27):68-71.

6 Zhao Lei, Zaheeruddin M. Dynamic simulation and analysis of a water chiller refrigeration system [J].Applied Thermal Engineering,2005(25):2258-2271.

Development of liquid cooling device of deformation apparatus

Rao Jianhua1Cheng Peng1Xu Xulin2

(1Faculty of Mechanical and Electronic Information, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China) (2Hubei Jiuzhou CNC Machine Tool Co.,Ltd, Xiaogan 432000, China)

According to the features of high temperature and high pressure deformation apparatus, a liquid cooling device was presented to solve the problem of overheat in peripheral mechanical part of deformation apparatus. The device transferred the excess heat to outdoor based on a vapor compression refrigeration cycle with refrigerant of R410. Temperature of each key point and the flow rate of coolant and refrigerant could be adjusted and controlled by various temperature sensors and inverter. The device presents the characteristics of energy-saving, high-reliability, compact structure, easy maintenance and high heat exchange efficiency.

deformation apparatus; liquid cooling device; energy saving

2015-11-30；

2016-02-19

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)資助項(xiàng)目(41227001)。

饒建華，男，54歲，教授。

TB657

A

1000-6516(2016)01-0038-05