大型氣候環境實驗室冷媒的分析選擇

張惠，劉海燕，李喜明，吳敬濤，馬建軍

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

大型氣候環境實驗室冷媒的分析選擇

張惠，劉海燕，李喜明，吳敬濤，馬建軍

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

目的選擇適用于大型氣候環境實驗室制冷系統的制冷劑和載冷系統的載冷劑。方法通過對氣候環境實驗室制冷系統和載冷系統的特性分析，提出制冷劑和載冷劑的選用原則。對常用制冷劑和載冷劑的物性分別進行對比分析，綜合考慮環保性、制冷內循環特性、循環風系統和空氣補償系統對冷媒的要求等因素優選制冷劑和載冷劑。結果復疊制冷機組的高、低溫段制冷劑分別選用R507和R23，中高溫載冷劑選用AS-6，低溫載冷劑選用AST-30。結論提出的冷媒介質選擇方案適用于大型氣候環境實驗室。

制冷劑；載冷劑；氣候環境實驗室；循環風系統；空氣處理系統

氣候環境是導致飛機故障的主要因素，氣候環境試驗已經成為飛機在進行復雜氣象條件試飛之前必須要進行的一項地面驗證試驗[1]。氣候環境試驗用于評估飛行器武器系統在各種環境或極端自然環境條件下的有效性，且可預估其可承受的風險水平[2]。由于室外進行氣候環境試驗周期長、成本高，而且環境條件不可控，所以建立飛機氣候環境實驗室進行室內試驗勢在必行。氣候環境實驗室能夠模擬高溫、低溫、淋雨、降雪、太陽輻照、地面霧等多種氣候環境，且能模擬飛機發動機啟動或運行過程中遭遇的低溫、高溫、濕熱等氣候環境[3]。

氣候環境實驗室的溫度范圍為-55～74℃，由于實驗室所需要的試驗溫度范圍寬，不同試驗工況負荷變化很大，要求制冷系統的制冷量能在較大溫度范圍內調節，考慮到實驗室的安裝及設計等要求，選擇復疊式制冷系統[4]與載冷系統聯合運行的制冷方式。

制冷系統中的制冷劑通過自身熱力狀態變化，實現制冷。載冷系統中的載冷劑作為氣候實驗室能量輸送的載體，在整個能量傳遞過程中起著舉足輕重的作用[5]。制冷劑和載冷劑的物理性質和化學性質涉及到環保性、設備對安裝空間的要求、系統的配置和運行的動力需求、初始投資成本等問題，并與制冷系統和載冷系統的方案密切相關，因此對制冷劑和載冷劑的選擇顯得尤為重要。制冷劑和載冷劑的制冷劑和載冷劑的選擇是一個需要綜合考慮多方因素的權衡過程。結合氣候實驗室的建設背景，分析不同制冷劑和載冷劑的物理及化學特性，選擇出適合大型氣候實驗室的冷媒方案。

1 總體制冷方案簡介

氣候環境實驗室選用復疊制冷系統與載冷系統聯合運行來實現實驗室的低溫需求，復疊制冷系統有2個初步的運行模式，每個模式要求運行的制冷機組及制冷劑不同。復疊制冷機組高溫級的蒸發溫度設計最低值為-40℃，可提供-35℃以上的載冷劑，將循環風冷卻到-30℃以上，用于實現-25℃以上的實驗室溫度；復疊制冷機組低溫級的蒸發溫度最低值為-70℃，用于實現-55℃的最低實驗室溫度。

制冷劑的選擇包含高溫段制冷劑和低溫段制冷劑的選擇。載冷劑的選擇包括中高溫載冷劑和低溫載冷劑。冷媒的選擇除需依據制冷劑和載冷劑的物理性能和化學性能，考慮兩者的匹配性、初始投資成本、運行效率等因素外，還必須緊密結合制冷系統總體方案進行權衡。

2 制冷劑的選擇

2.1 需要考慮的因素

制冷劑在制冷中循環流動，通過自身熱力狀態的不斷變化與載冷劑發生能量交換，載冷劑向空氣傳遞冷量，實現制冷。選擇制冷劑需要考慮的因素如下[6]：

1）冷凝壓力不能太高，蒸發壓力在常壓以上，壓力比適中；臨界溫度高，標準沸點低；絕熱指數要小，導熱系數要高，黏度和密度要小，傳熱性好，流動性好；單位制冷量大，循環的性能系數好。

2）化學穩定性和熱穩定性要好，在制冷循環中不分解、不變質，無毒、不燃燒、不爆炸；對設備腐蝕性小。

3）臭氧層的衰減指數ODP和溫室效應指數要小。

4）價格便宜，易于獲得。

2.2 常用制冷劑

兩級復疊制冷機組通常由高溫級和低溫級兩部分組成。用高/中沸點的制冷劑循環承擔高溫區段的制冷，用低沸點的制冷劑循環承擔低溫區段的制冷。高溫段制冷劑的蒸發和低溫段制冷劑的冷凝通過蒸發冷凝器實現。

在中低溫商用制冷系統中，目前應用較多的高溫級制冷劑有R22、R404A、R507、氨、丙烷以及丙烯等，低溫段制冷劑有R13、R23、R508、乙烯、乙烷以及甲烷等。

R22，R404A，R507，R13，R23，R508等屬于氟利昂類制冷劑，通過人工合成方法制取[6]。乙烯、乙烷、甲烷、丙烷、丙烯屬于CH類制冷劑，氨與CH類制冷劑都屬于天然制冷劑。

天然制冷劑與合成的氟利昂制冷劑都有各自的優缺點，分析結果見表1。氟利昂制冷劑在制冷與空調裝置中廣泛使用。氨通常在大型工業制冷中使用，CH類化合物的使用范圍較小。

2.3 選擇權衡

實驗室的復疊制冷系統高溫級最低蒸發溫度為-40℃，低溫級最低蒸發溫度為-70℃。氨的標準沸點為-33.3℃，毒性大，易燃，所以實驗室不選擇氨作為高溫級制冷劑。由于碳氫化合物的燃爆性很強，考慮到在實驗室進行發動機開車試驗，會有明火以及高溫，所以排除使用碳氫化合物。因此，用在氣候環境實驗室的制冷劑只能從氟利昂類中進行選擇。

表1 不同類型制冷劑的優缺點分析Table 1 Advantages and disadvantages of different refrigerants

R404A屬于三元近共沸混合制冷劑[7]，其滑移溫度為0.677℃，且換熱性能不及R507好，所以中溫制冷劑考慮R22或者R507。由于R23的最低蒸發溫度為-82℃，且-70℃時，蒸發壓力為193 kPa，可以保證系統在微正壓下運行，因此選擇R23作為低溫制冷劑。

根據氣候實驗室溫度指標，通過與國際知名制冷設備供應商進行技術交流，認為實驗室制冷劑較合適的選擇組合是R22/R23或者R507/R23，兩種組合都能保證-55℃的溫度指標。R22/R23或者R507/R23復疊制冷系統均可實現-80℃以上溫度，能覆蓋該實驗室的低溫范圍。

R22與R507基本的物性參數見表2，通過比較兩者的物性參數，分析得出選擇R22或者R507作為中溫制冷劑的優缺點如下所述。

1）安全性。在復疊制冷機組中，高溫級制冷劑的最低蒸發溫度為-40℃，此時R22的蒸發壓力為105.23 KPa，R507的蒸發壓力為138.66 KPa。采用R507制冷系統的壓縮機功耗小。

2）標準沸點。根據表2，R22的標準沸點為-40.81℃，R507的標準沸點為-47.1℃，考慮到復疊制冷機組的高溫級最低蒸發溫度為-40℃，采用R507能夠有更大的余量。

3）效率性。文獻[8]指出，在相同的壓縮機及相同運行工況下，R507機組的制冷量比R22機組大。在環境溫度較低時，R507A機組的效率比R22略高。

4）經濟性。目前性能最好的中低溫制冷劑是R22，而且市場價格便宜。

5）環保性。根據表2，R22的ODP值為0.055，對大氣臭氧層有破壞作用，屬于《蒙特利爾協議定書》規定的要淘汰物質，中國目前也正在加快淘汰R22。

經過R22與R507的綜合比較分析，采用R507/R23復疊制冷系統可保證實驗室溫度指標，而且安全性高、效率高，在環保性能方面可以接受，但是經濟性略差。蒸汽壓縮式制冷系統隨著使用年限的增長，制冷能力會有不同程度的衰減。因此該實驗室在制冷系統設計時應考慮部分裕量，以確保實驗室在設計壽命期間能保證-55℃溫度指標。因此，實驗室采用R507/R23復疊制冷系統是合適的。

表2 R22與R507的基本物性[9—10]Table 2 Basic properties of R22 and R507

3 載冷劑的選擇

3.1 運行方式

當在氣候環境實驗室中進行飛機發動機開車試驗時，需消耗大量冷/熱空氣，同時還產生大量高溫氣體，這會導致室內溫度急劇上升，因此需及時向室內補充冷/熱空氣，使室內溫度處于恒定狀態。如采用直接制冷或直接蒸汽加熱室外空氣進行補氣，滿足不了實驗室在短時間內處理大量空氣所需要的冷量或熱量，需要采用載冷劑來進行蓄冷或者蓄熱。為了便于控制，所以在氣候環境實驗室的循環風處理單元、發動機開車空氣補償單元中都采用載冷劑來向空氣傳遞冷量或者熱量[11—13]。

載冷劑在實驗室的循環風系統[14]（AHU）和發動機開車空氣補償系統（JMAU）中的運行如圖1所示，功能見表3。實驗室的循環風通道采用并聯方式，載冷劑在A通道和B通道運行方式相同。當試驗要求室內工況溫度為-25℃以上，且實驗室進行負溫試驗（實驗室試驗溫度低于外界環境溫度）時，載冷劑A將復疊制冷系統高溫級R507的冷量輸送到循環風處理單元（AHU）或發動機開車空氣補償單元（JMAU）的制冷換熱器，用于冷卻循環風或補償空氣。實驗室進行正溫試驗（實驗室試驗溫度高于外界環境溫度）時，將蒸汽熱量輸送到AHU或JMAU中的加熱換熱器，用于加熱環境室送風或補償空氣。在室內要求工況溫度為-55～-25℃時，載冷劑B將復疊制冷系統低溫級R23的冷量輸送到循環風處理單元（AHU）或發動機開車空氣補償單元（JMAU）中的制冷換熱器，用于冷卻環境室送風或補償空氣。

圖1 載冷劑在循環風處理單元和發動機開車補氣單元中的運行Fig.1 The flow of the secondary-refrigerants in AHU and JMAU

表3 載冷劑在實驗室AHU和JMAU中的功能Table 3 The function of the secondary-refrigerants in AHU and JMAU

3.2 氣候實驗室選擇載冷劑需要考慮的因素

載冷劑以液態在蒸發器與用冷場所的冷卻器之間循環，通過顯熱傳輸冷量。載冷劑的選擇將會影響換熱器的選型以及泵的大小。

根據氣候實驗室的載冷劑運行方式，氣候實驗室選用兩種載冷劑，與復疊機組的制冷劑進行熱交換的中高溫載冷劑A和低溫載冷劑B。氣候實驗室選用的載冷劑應具備如下性質[15]。

1）由于實驗室要進行發動機開車點火試驗，尾噴管溫度高達300℃以上，而且有明火，所以載冷劑選擇無閃點型。

2）載冷劑的凝固溫度至少比制冷劑的蒸發溫度低4～8℃，氣候實驗室的復疊制冷機組高溫級的蒸發溫度為-40℃，所以中高溫載冷劑A的凝固溫度應低于-45℃。載冷劑A在進行載熱時，需要承受的最高溫度為95℃，所以載冷劑A的沸點應該高于100℃。氣候實驗室的復疊制冷機組低溫級的蒸發溫度為-70℃，所以低溫載冷劑B的凝固溫度應低于-74℃。

3）實驗室的試驗工況較多，所需要的溫度不盡相同，載冷劑在不同使用溫度工況下，導熱系數要大，黏度要小，比熱容要大。高低溫交變時，載冷劑的物性不發生變化。

4）化學性質穩定，無毒、不燃、不爆，價格低廉，易于獲得。

3.3 氣候實驗室載冷劑的選擇

根據中溫載冷劑A的選擇要求，中溫載冷劑在AS-6，HC-40以及RH-8之間進行選擇。這三種載冷劑均無閃點，AS-6的冰點為-55℃，使用溫度范圍為-50～100℃；HC-40的冰點為-40℃，使用溫度范圍為-40～218℃；RH-8的冰點為-62℃，使用溫度范圍為-60～115 ℃。AS-6，HC-40，RH-8在使用溫度-40～80℃的物性參數見表4?？梢钥闯?，在-40℃時，RH-8的黏度比較大，管內流動阻力很大，增加泵的功耗，所以排除RH-8。HC-40冰點為-40℃，在實驗室工況為-25℃，要求的載冷劑冰點在-44℃以下，而且HC-40采購比較復雜，價格昂貴。綜合分析，選擇AS-6作為中高溫載冷劑。

低溫載冷劑B在二氯甲烷或者AST-30（改性的二氯甲烷）之間進行選擇，二氯甲烷與AST-30的物性參數比較見表5。在相同溫度下，二氯甲烷與AST-30的黏度、密度、導熱系數、比熱相差不大，但是二氯甲烷中的微量水，在極低溫度下會析出，在蒸發器表面形成一層冰膜，導致熱量換不出來，制冷劑效率低下。AST-30中添加防水劑、穩定劑，可以防止二氯甲烷吸水后的冰堵現象，所以選擇AST-30為低溫載冷劑。

表4 AS-6，HC-40，RH-8的基本物性參數的比較Table 4 Comparison of basic properties of AS-6,HC-40 and RH-8

表5 二氯甲烷與AST-30的物性參數的比較Table 5 Comparison of properties of methane chloride and AST-30

4 結論

文中主要對大型氣候環境實驗室制冷系統的制冷劑和載冷系統的載冷劑進行了選擇分析。大型氣候環境實驗室采用R507作為中溫制冷劑，R23作為低溫制冷劑。采用這兩種制冷劑的復疊制冷系統制冷效率高，能夠滿足實驗室在不同試驗溫度下的冷量需求，實現實驗室的溫度指標。

氣候環境實驗室選用的載冷劑有中高溫載冷劑為AS-6，低溫載冷劑為AST-30。這兩種載冷劑可以滿足實驗室循環風系統的載冷需求也可以滿足實驗室發動機開車空氣補償系統對蓄冷的需求。AST-30可以避免換熱器的冰堵現象，而且這兩種載冷劑黏度小、比熱大、導熱系數大，根據載冷劑的性質可以設計合理的換熱器。

文中的選擇分析對同類大型氣候環境實驗室制冷系統的制冷劑和載冷劑的選擇具有一定的指導意義。

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Analysis and Selection of Refrigerants Used in the Large Climatic Environmental Test Facility

ZHANG Hui，LIU Hai-yan，LI Xi-ming，WU Jing-tao，MA Jian-jun
（Aircraft Strength Research Institute of China，Xi′an 710065，China）

ObjectiveTo select the refrigerants and secondary-refrigerants suitable for the large climatic environmental test facility.MethodsThe selection principle of the refrigerants and secondary-refrigerants was proposed based on the analysis of characteristics of cooling systems in climatic environmental test facility.The properties of common refrigerants and secondary-refrigerants were comparatively analyzed,and the optimization of the refrigerants scheme was conducted considering the environmental friendliness,the refrigeration inner-circulating characteristics,the requirements of the cycle air system and the makeup air system.ResultsR507 and R23 were selected as the refrigerants for the high-and low-temperature sections of the cascade system,respectively,AS-6 was selected as the medium- and high-temperature secondary-refrigerant,while AST-30 was selected as the low-temperature secondary-refrigerant.ConclusionThe scheme of the refrigerants proposed in this paper was applicable to the large climatic environmental facility.

refrigerants；secondary-refrigerants；climatic environmental test facility；cycle air system；makeup air system

2014-12-05；

2015-01-14

2014-12-05；

2015-01-14

張惠（1988—），女，湖北天門人，碩士，助理工程師，主要研究方向為氣候環境試驗。

Biography：ZHANG Hui（1988—），Female，from Tianmen，Hubei，Master，Assistant engineer，Research focus：climate environment test.

10.7643/issn.1672-9242.2015.02.022

TJ05

A

1672－9242（2015）02－0104-06