大型綜合氣候環(huán)境室空調(diào)制冷設計

大型綜合氣候環(huán)境室空調(diào)制冷設計提要介紹了某大型綜合氣候環(huán)境試驗室空調(diào)制冷設計概況，針對該試驗室間歇運行、溫濕度變化范圍大(溫度-60～75℃，相對濕度95%～1%)，需要對多種室內(nèi)溫度和濕度變化曲線進行模擬等要求，采用計算機模擬技術(shù)對空調(diào)制冷系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，選用正升壓式空氣制冷系統(tǒng)，以當?shù)氐蜏厣罹鳛楦邷卦囼灷湓?，利用集散式計算機自控系統(tǒng)實現(xiàn)溫濕度和系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的自動采集、處理和調(diào)控，使設計周期縮短，初投資減少。運行結(jié)果表明，系統(tǒng)達到設計要求。

關鍵詞環(huán)境試驗室氣候模擬空調(diào)制冷設計Airconditioningandrefrigerationdesign

ofalargemulti-purposeenvironmentaltestchamberAbstractOutlinesthedesignmadeaccordingtothespecialrequirementsofthechamber-intermittentoperating,abroadrangeofexperimentconditions(-60～75℃,95%～1%RH)andsimulationofdiversetemperatureandhumiditycurves.Appliescomputersimulationtechniquestotheoptimisingdesignoftherefrigeratingandairconditioningsystem.Adoptsapositiverisingpressureairrefrigeratingsystem.Useslowtemperaturewellwaterasthecoldsourceofhightemperatureexperiment.Appliessupervisorycomputercontrolsystemtoacquisition,processandcontrolofthestateparametersofthesystem.Thesetechnologicalmeasuresmakethedesignefficientandreducethefirstinvestment.Theoperationresultsshowthatthesystemparametersmeetwiththedesignrequirements.

Keywordsenvironmentaltestchamber,climatesimulating,airconditioning,refrigeration,design1概況

某大型綜合氣候環(huán)境模擬試驗室(以下簡稱環(huán)模室)是我國目前規(guī)模最大的綜合性氣候環(huán)境模擬試驗設施，可進行車輛、機械裝備、電子設備、光學儀器等大中型地面設備的溫濕度環(huán)境試驗。1989年6月完成施工圖設計，1996年11月通過了驗收并正式投入使用。該建筑物主要由大、小綜合室和高低溫室3個試驗室、附屬設備和技術(shù)用房組成，每個試驗室均有溫閘間，總建筑面積為4380m2。其外景見圖1。大綜合室有效容積為1300m3，室內(nèi)有效高度為8m；小綜合室有效容積為126m3，高低溫室有效容積為480m3。它能夠按照世界上先進的環(huán)境試驗標準進行各溫濕度氣候環(huán)境條件的模擬。大、小綜合室可進行低溫、高溫、濕熱交變等溫濕度環(huán)境試驗，室溫變化范圍為-60～75℃，相對濕度變化范圍為95%～1%。大綜合室還可進行大型車輛低溫冷啟動試驗。該環(huán)模室的建成標志著我國環(huán)境模擬試驗手段達到國際先進水平。圖1環(huán)模室外景該環(huán)模室具有容積大、參數(shù)變化范圍大、溫濕度雙參數(shù)復雜曲線模擬、綜合性強、功能全、動態(tài)試驗等特點。為了確保車輛環(huán)境試驗考核的真實性和有效性，要求該環(huán)模室能夠進行大型車輛低溫啟動的動態(tài)試驗。由于在低溫條件下，發(fā)動機啟動發(fā)出大量熱，同時從室內(nèi)大量吸氣、排煙，因此需要向室內(nèi)補充新風，這給低溫制冷設計帶來很大困難。2主要試驗類型

.恒定低溫試驗

.低溫日循環(huán)試驗(模擬一天24h室外溫度的變化曲線)

.車輛低溫冷啟動試驗

.恒定高溫試驗

.高溫日循環(huán)試驗

.恒定濕熱試驗

.濕熱交變試驗(溫度和濕度按不同曲線同時變化)3設計計算

環(huán)模室空調(diào)制冷系統(tǒng)的工作特點與常規(guī)空調(diào)制冷相差很大。第一，它為間歇運行，而且運行的時間較短，一次試驗持續(xù)的時間通常只有3～5d，而停機時間較長。第二，其室內(nèi)空氣的溫度參數(shù)通常不是恒定的，而是要求按一定曲線變化。試驗過程由降溫、恒溫和升溫3個階段組成，交替進行。因此整個試驗中(包括恒溫階段)其傳熱過程均為非穩(wěn)態(tài)傳熱，圍護結(jié)構(gòu)的溫度場和放熱(吸熱)量在不斷變化。第三，試驗過程中隨著室溫的變化，制冷系統(tǒng)的工況和制冷量等性能參數(shù)也在不斷地變化，也是個不穩(wěn)定熱力過程。所以環(huán)模室的設計計算方法與以往采用的設計計算方法也大不相同，主要表現(xiàn)在：

①系統(tǒng)設備容量不能像恒溫空調(diào)那樣由一個冷(熱)負荷計算值來確定，而只能由一定的系統(tǒng)設備參數(shù)在給定環(huán)模室熱工條件下相互作用產(chǎn)生的降溫(升溫)曲線的模擬方法來確定。降溫曲線的計算必須綜合考慮圍護結(jié)構(gòu)和試件各部分溫度場的變化、制冷系統(tǒng)狀態(tài)和性能變化以及室內(nèi)氣流組織和溫度場的變化情況，因此其計算十分復雜，采注用手工計算無法完成，它是設計計算工作的難點所在。以往在大型環(huán)模室的設計中只能采用建立小型環(huán)模室進行模擬試驗的方法確定設計參數(shù)。

②環(huán)模室圍護結(jié)構(gòu)和試件蓄熱量的變化通常是影響設備容量的最主要因素，而室內(nèi)外溫差引起的傳熱量則成為次要因素。在該環(huán)模室空調(diào)制冷的設計研究中，采用計算機模擬技術(shù)進行降溫(升溫)曲線計算。開發(fā)成功環(huán)模室空氣制冷計算機仿真軟件，該軟件采用有限差分數(shù)值計算方法，進行環(huán)模室空氣制冷系統(tǒng)工況模擬計算、圍護結(jié)構(gòu)和試件不穩(wěn)定傳熱計算及降溫(升溫)曲線的模擬計算。采用該模擬軟件對環(huán)模室空調(diào)制冷系統(tǒng)進行了多方案多參數(shù)的優(yōu)化設計，確定了最佳設計方案和參數(shù)。4低溫制冷系統(tǒng)

低溫試驗是最常用、投資多、能耗大的環(huán)境試驗項目。由于該環(huán)模室要求制冷溫度低、降溫速度快、制冷量大，并且由于系統(tǒng)工況變化大、間斷運行，因此低溫制冷系統(tǒng)是環(huán)模室最關鍵的一個工藝系統(tǒng)。該環(huán)模室低溫制冷系統(tǒng)采用新型正升壓式空氣制冷流程方案，系統(tǒng)基本流程見圖2。圖2低溫制冷流程原理圖該制冷系統(tǒng)具有下列特點：

①制冷劑為空氣，對環(huán)境無污染。對制冷系統(tǒng)氣密性要求較低，無需解決系統(tǒng)檢漏、制冷劑購買、保存和充灌等問題，因此操作維護簡單，費用低。這對于長期停機短期工作的環(huán)模室更為重要。

②低溫制冷性能好，可達到較低的溫度。制冷劑為空氣，直接進入室內(nèi)降溫，無需設置直接蒸發(fā)器等換熱設備，因此環(huán)模室無效空間大大減小，降溫速度快，試驗時間縮短，運行能耗減少。

③制冷系統(tǒng)流程設備比較簡單。制冷量調(diào)節(jié)控制方便，對低溫試驗不同工況的適應性強，容易實現(xiàn)室內(nèi)排風換氣。

④采用一套空氣制冷系統(tǒng)，空壓機和渦輪機均為4臺并聯(lián)工作，供大小不同的3個環(huán)模室和3個溫閘間的低溫制冷。提高了系統(tǒng)設備的利用率、備份能力和運行效率，使投資大幅度減少。

⑤采用新型正升壓式流程方案，系統(tǒng)投資和能耗大大減小。該系統(tǒng)渦輪機組既是膨脹制冷機，又是空氣壓縮機，它回收了渦輪膨脹功，與以往采用的環(huán)模室風扇式空氣制冷系統(tǒng)相比，使系統(tǒng)能耗和一次投資減小30%以上。

該系統(tǒng)采用的無油潤滑空壓機，單臺供氣量為48m3/min，供氣壓力為0.45MPa，渦輪軸承供氣小空壓機采用無油潤滑空壓機，供氣壓力為0.8MPa。渦輪機采用4臺專門研制的靜壓空氣軸承正升壓式渦輪膨脹機，單臺的風量為2900m3/h，設計轉(zhuǎn)速為47000r/min，壓氣機增壓比為1.5。水冷器和回冷器采用鋁制高效板翅式換熱器。干燥器采用硅膠和分子篩吸附劑，采用無熱再生方式，使供氣露點達到-50℃。系統(tǒng)低溫供氣溫度可達到-100℃，其低溫管道采用玻璃鋼風管，并用聚氨酯泡沫塑料保溫。5空氣處理系統(tǒng)

大綜合室和小綜合室均設置了室內(nèi)空氣處理系統(tǒng)和夾套空氣處理系統(tǒng)。室內(nèi)空氣處理系統(tǒng)包括循環(huán)風機段、電加熱段、表冷段及干蒸汽加濕段，它主要負責室內(nèi)高溫和濕熱環(huán)境模擬，并保證室內(nèi)溫度均勻。該空氣處理機組是專門研制的，以適應高低溫環(huán)境。大綜合室室內(nèi)空氣處理系統(tǒng)的最大風量為160000m3/h，風量分級調(diào)節(jié)，電加熱器功率為276kW，最大加濕量為900kg/h。夾套空氣處理系統(tǒng)包括循環(huán)風機段、電加熱段、表冷段。大綜合室夾套空氣處理系統(tǒng)的最大風量為90000m3/h，電加熱器功率為240kW。其主要作用是保證環(huán)模室夾套內(nèi)的空氣溫度與室內(nèi)空氣溫度同步變化，以防止?jié)駸嵩囼灂r室內(nèi)壁面結(jié)露。

由于當?shù)氐某Ｄ晁疁夭怀^10℃，而環(huán)境試驗時間較短，因此采用循環(huán)冷卻水為主、深井水為輔，作為空氣處理系統(tǒng)表冷器的冷源，省去了冷凍站，充分利用自然冷源，使投資和能耗大幅度減少。蒸汽源為電蒸汽發(fā)生器。設置除濕補氣系統(tǒng)，以保證干熱試驗時的低濕環(huán)境，采用轉(zhuǎn)輪除濕機除濕。為了達到大空間溫度均勻度的要求，大綜合室室內(nèi)采用全孔板送風，頂送側(cè)下回。6自動控制

該環(huán)模室自動化程度較高，采用集散式計算機自控系統(tǒng)實現(xiàn)室內(nèi)溫度和系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的自動采集、處理、記錄和調(diào)控。試驗曲線可通過計算機設定和修改，因此適應性強。低溫恒溫試驗采用調(diào)節(jié)渦輪膨脹機出口閥來控制室溫，在進行低溫日循環(huán)曲線試驗的同時采用電加熱器進行微調(diào)。確保渦輪機安全運行是保證空氣制冷系統(tǒng)工作可靠性的關鍵，因此設置了一些自動保護功能。7運行情況

該環(huán)模室于1995年8月～1996年1月進行總聯(lián)調(diào)，正式投入使用已有3年多時間，進行了大量調(diào)試試驗［1］和一些大型車輛和機械設備的環(huán)境試驗。實測結(jié)果表明，該環(huán)模室最低溫度達到了-70℃，最高溫度達到了75℃。大綜合室從15℃降到-55℃的空載降溫時間為7.5h，60t試件滿載降溫時間為14.5h。室溫由15℃升到70℃，空載升溫時間為1.5h，滿載升溫時間為5h，均優(yōu)于設計要求。低溫、高溫和濕熱的各試驗曲線的溫濕度波動值、室內(nèi)溫度不均勻度等指標均滿足設計要求。主室與溫閘間可以同時進行兩種不同溫度的低溫恒溫試驗。各系統(tǒng)工作正常、性能穩(wěn)定，自控系統(tǒng)工作可靠。低溫制冷系統(tǒng)最低送風溫度達到-106℃，滿足各項低溫試驗的制冷量要求。該環(huán)模室能按國際上各種先進的環(huán)境試驗標準進行溫濕度氣候環(huán)境條件的模擬。該環(huán)模室的設計被評為1998年全軍優(yōu)秀工程設計一等獎。8結(jié)語

氣候環(huán)境試驗對提高車輛、機械、航空、電子設備等工業(yè)產(chǎn)品的工作可靠性具有重要的意義，因此環(huán)境模擬試驗室的建設越來越受到重視。環(huán)境模擬試驗也已從單參數(shù)靜態(tài)模擬向多參數(shù)綜合動態(tài)模擬方向發(fā)展。綜合氣候環(huán)境模擬試驗室空調(diào)制冷系統(tǒng)的設計與常規(guī)空調(diào)制冷相比，在技術(shù)要求、系統(tǒng)形式、設計計算方法、自控調(diào)節(jié)方法等方面均相差較大。其設計工作復雜，具有許多特殊性。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)、新產(chǎn)品、新材料的出現(xiàn)使環(huán)模室的設計發(fā)生了許多新的變化。在該大型環(huán)模室的設計中，在設計計算方法、制冷方式和系統(tǒng)流程