大型綜合氣候環(huán)境室空調制冷設計

大型綜合氣候環(huán)境室空調制冷設計提要介紹了某大型綜合氣候環(huán)境試驗室空調制冷設計概況，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對空調制冷系統進行優(yōu)化設計，選用正升壓式空氣制冷系統，以當地低溫深井水作為高溫試驗冷源，利用集散式計算機自控系統實現溫濕度和系統狀態(tài)參數的自動采集、處理和調控，使設計周期縮短，初投資減少。運行結果表明，系統達到設計要求。

關鍵詞環(huán)境試驗室氣候模擬空調制冷設計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、參數變化范圍大、溫濕度雙參數復雜曲線模擬、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，同時從室內大量吸氣、排煙，因此需要向室內補充新風，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)模室空調制冷系統的工作特點與常規(guī)空調制冷相差很大。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，其室內空氣的溫度參數通常不是恒定的，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，圍護結構的溫度場和放熱(吸熱)量在不斷變化。第三，試驗過程中隨著室溫的變化，制冷系統的工況和制冷量等性能參數也在不斷地變化，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，主要表現在：

①系統設備容量不能像恒溫空調那樣由一個冷(熱)負荷計算值來確定，而只能由一定的系統設備參數在給定環(huán)模室熱工條件下相互作用產生的降溫(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構和試件各部分溫度場的變化、制冷系統狀態(tài)和性能變化以及室內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。

②環(huán)模室圍護結構和試件蓄熱量的變化通常是影響設備容量的最主要因素，而室內外溫差引起的傳熱量則成為次要因素。在該環(huán)模室空調制冷的設計研究中，采用計算機模擬技術進行降溫(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值計算方法，進行環(huán)模室空氣制冷系統工況模擬計算、圍護結構和試件不穩(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)模室空調制冷系統進行了多方案多參數的優(yōu)化設計，確定了最佳設計方案和參數。4低溫制冷系統

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，并且由于系統工況變化大、間斷運行，因此低溫制冷系統是環(huán)模室最關鍵的一個工藝系統。該環(huán)模室低溫制冷系統采用新型正升壓式空氣制冷流程方案，系統基本流程見圖2。圖2低溫制冷流程原理圖該制冷系統具有下列特點：

①制冷劑為空氣，對環(huán)境無污染。對制冷系統氣密性要求較低，無需解決系統檢漏、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制冷系統流程設備比較簡單。制冷量調節(jié)控制方便，對低溫試驗不同工況的適應性強，容易實現室內排風換氣。

④采用一套空氣制冷系統，空壓機和渦輪機均為4臺并聯工作，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，系統投資和能耗大大減小。該系統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相比，使系統能耗和一次投資減小30%以上。

該系統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

大綜合室和小綜合室均設置了室內空氣處理系統和夾套空氣處理系統。室內空氣處理系統包括循環(huán)風機段、電加熱段、表冷段及干蒸汽加濕段，它主要負責室內高溫和濕熱環(huán)境模擬，并保證室內溫度均勻。該空氣處理機組是專門研制的，以適應高低溫環(huán)境。大綜合室室內空氣處理系統的最大風量為160000m3/h，風量分級調節(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)模室夾套內的空氣溫度與室內空氣溫度同步變化，以防止?jié)駸嵩囼灂r室內壁面結露。

由于當地的常年水溫不超過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，以保證干熱試驗時的低濕環(huán)境，采用轉輪除濕機除濕。為了達到大空間溫度均勻度的要求，大綜合室室內采用全孔板送風，頂送側下回。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實現室內溫度和系統狀態(tài)參數的自動采集、處理、記錄和調控。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。確保渦輪機安全運行是保證空氣制冷系統工作可靠性的關鍵，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月進行總聯調，正式投入使用已有3年多時間，進行了大量調試試驗［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。各系統工作正常、性能穩(wěn)定，自控系統工作可靠。低溫制冷系統最低送風溫度達到-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靜態(tài)模擬向多參數綜合動態(tài)模擬方向發(fā)展。綜合氣候環(huán)境模擬試驗室空調制冷系統的設計與常規(guī)空調制冷相比，在技術要求、系統形式、設計計算方法、自控調節(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。隨著科學技術的發(fā)展，新技術、新產品、新材料的出現使環(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、制冷方式和系統流程