大型综合气候环境室空调制冷设计

大型综合气候环境室空调制冷设计提要介绍了某大型综合气候环境试验室空调制冷设计概况，针对该试验室间歇运行、温湿度变化范围大(温度-60～75℃，相对湿度95%～1%)，需要对多种室内温度和湿度变化曲线进行模拟等要求，采用计算机模拟技术对空调制冷系统进行优化设计，选用正升压式空气制冷系统，以当地低温深井水作为高温试验冷源，利用集散式计算机自控系统实现温湿度和系统状态参数的自动采集、处理和调控，使设计周期缩短，初投资减少。运行结果表明，系统达到设计要求。

关键词环境试验室气候模拟空调制冷设计Airconditioningandrefrigerationdesign

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

Keywordsenvironmentaltestchamber,climatesimulating,airconditioning,refrigeration,design1概况

某大型综合气候环境模拟试验室(以下简称环模室)是我国目前规模最大的综合性气候环境模拟试验设施，可进行车辆、机械装备、电子设备、光学仪器等大中型地面设备的温湿度环境试验。1989年6月完成施工图设计，1996年11月通过了验收并正式投入使用。该建筑物主要由大、小综合室和高低温室3个试验室、附属设备和技术用房组成，每个试验室均有温闸间，总建筑面积为4380m2。其外景见图1。大综合室有效容积为1300m3，室内有效高度为8m；小综合室有效容积为126m3，高低温室有效容积为480m3。它能够按照世界上先进的环境试验标准进行各温湿度气候环境条件的模拟。大、小综合室可进行低温、高温、湿热交变等温湿度环境试验，室温变化范围为-60～75℃，相对湿度变化范围为95%～1%。大综合室还可进行大型车辆低温冷启动试验。该环模室的建成标志着我国环境模拟试验手段达到国际先进水平。图1环模室外景该环模室具有容积大、参数变化范围大、温湿度双参数复杂曲线模拟、综合性强、功能全、动态试验等特点。为了确保车辆环境试验考核的真实性和有效性，要求该环模室能够进行大型车辆低温启动的动态试验。由于在低温条件下，发动机启动发出大量热，同时从室内大量吸气、排烟，因此需要向室内补充新风，这给低温制冷设计带来很大困难。2主要试验类型

.恒定低温试验

.低温日循环试验(模拟一天24h室外温度的变化曲线)

.车辆低温冷启动试验

.恒定高温试验

.高温日循环试验

.恒定湿热试验

.湿热交变试验(温度和湿度按不同曲线同时变化)3设计计算

环模室空调制冷系统的工作特点与常规空调制冷相差很大。第一，它为间歇运行，而且运行的时间较短，一次试验持续的时间通常只有3～5d，而停机时间较长。第二，其室内空气的温度参数通常不是恒定的，而是要求按一定曲线变化。试验过程由降温、恒温和升温3个阶段组成，交替进行。因此整个试验中(包括恒温阶段)其传热过程均为非稳态传热，围护结构的温度场和放热(吸热)量在不断变化。第三，试验过程中随着室温的变化，制冷系统的工况和制冷量等性能参数也在不断地变化，也是个不稳定热力过程。所以环模室的设计计算方法与以往采用的设计计算方法也大不相同，主要表现在：

①系统设备容量不能像恒温空调那样由一个冷(热)负荷计算值来确定，而只能由一定的系统设备参数在给定环模室热工条件下相互作用产生的降温(升温)曲线的模拟方法来确定。降温曲线的计算必须综合考虑围护结构和试件各部分温度场的变化、制冷系统状态和性能变化以及室内气流组织和温度场的变化情况，因此其计算十分复杂，采注用手工计算无法完成，它是设计计算工作的难点所在。以往在大型环模室的设计中只能采用建立小型环模室进行模拟试验的方法确定设计参数。

②环模室围护结构和试件蓄热量的变化通常是影响设备容量的最主要因素，而室内外温差引起的传热量则成为次要因素。在该环模室空调制冷的设计研究中，采用计算机模拟技术进行降温(升温)曲线计算。开发成功环模室空气制冷计算机仿真软件，该软件采用有限差分数值计算方法，进行环模室空气制冷系统工况模拟计算、围护结构和试件不稳定传热计算及降温(升温)曲线的模拟计算。采用该模拟软件对环模室空调制冷系统进行了多方案多参数的优化设计，确定了最佳设计方案和参数。4低温制冷系统

低温试验是最常用、投资多、能耗大的环境试验项目。由于该环模室要求制冷温度低、降温速度快、制冷量大，并且由于系统工况变化大、间断运行，因此低温制冷系统是环模室最关键的一个工艺系统。该环模室低温制冷系统采用新型正升压式空气制冷流程方案，系统基本流程见图2。图2低温制冷流程原理图该制冷系统具有下列特点：

①制冷剂为空气，对环境无污染。对制冷系统气密性要求较低，无需解决系统检漏、制冷剂购买、保存和充灌等问题，因此操作维护简单，费用低。这对于长期停机短期工作的环模室更为重要。

②低温制冷性能好，可达到较低的温度。制冷剂为空气，直接进入室内降温，无需设置直接蒸发器等换热设备，因此环模室无效空间大大减小，降温速度快，试验时间缩短，运行能耗减少。

③制冷系统流程设备比较简单。制冷量调节控制方便，对低温试验不同工况的适应性强，容易实现室内排风换气。

④采用一套空气制冷系统，空压机和涡轮机均为4台并联工作，供大小不同的3个环模室和3个温闸间的低温制冷。提高了系统设备的利用率、备份能力和运行效率，使投资大幅度减少。

⑤采用新型正升压式流程方案，系统投资和能耗大大减小。该系统涡轮机组既是膨胀制冷机，又是空气压缩机，它回收了涡轮膨胀功，与以往采用的环模室风扇式空气制冷系统相比，使系统能耗和一次投资减小30%以上。

该系统采用的无油润滑空压机，单台供气量为48m3/min，供气压力为0.45MPa，涡轮轴承供气小空压机采用无油润滑空压机，供气压力为0.8MPa。涡轮机采用4台专门研制的静压空气轴承正升压式涡轮膨胀机，单台的风量为2900m3/h，设计转速为47000r/min，压气机增压比为1.5。水冷器和回冷器采用铝制高效板翅式换热器。干燥器采用硅胶和分子筛吸附剂，采用无热再生方式，使供气露点达到-50℃。系统低温供气温度可达到-100℃，其低温管道采用玻璃钢风管，并用聚氨酯泡沫塑料保温。5空气处理系统

大综合室和小综合室均设置了室内空气处理系统和夹套空气处理系统。室内空气处理系统包括循环风机段、电加热段、表冷段及干蒸汽加湿段，它主要负责室内高温和湿热环境模拟，并保证室内温度均匀。该空气处理机组是专门研制的，以适应高低温环境。大综合室室内空气处理系统的最大风量为160000m3/h，风量分级调节，电加热器功率为276kW，最大加湿量为900kg/h。夹套空气处理系统包括循环风机段、电加热段、表冷段。大综合室夹套空气处理系统的最大风量为90000m3/h，电加热器功率为240kW。其主要作用是保证环模室夹套内的空气温度与室内空气温度同步变化，以防止湿热试验时室内壁面结露。

由于当地的常年水温不超过10℃，而环境试验时间较短，因此采用循环冷却水为主、深井水为辅，作为空气处理系统表冷器的冷源，省去了冷冻站，充分利用自然冷源，使投资和能耗大幅度减少。蒸汽源为电蒸汽发生器。设置除湿补气系统，以保证干热试验时的低湿环境，采用转轮除湿机除湿。为了达到大空间温度均匀度的要求，大综合室室内采用全孔板送风，顶送侧下回。6自动控制

该环模室自动化程度较高，采用集散式计算机自控系统实现室内温度和系统状态参数的自动采集、处理、记录和调控。试验曲线可通过计算机设定和修改，因此适应性强。低温恒温试验采用调节涡轮膨胀机出口阀来控制室温，在进行低温日循环曲线试验的同时采用电加热器进行微调。确保涡轮机安全运行是保证空气制冷系统工作可靠性的关键，因此设置了一些自动保护功能。7运行情况

该环模室于1995年8月～1996年1月进行总联调，正式投入使用已有3年多时间，进行了大量调试试验［1］和一些大型车辆和机械设备的环境试验。实测结果表明，该环模室最低温度达到了-70℃，最高温度达到了75℃。大综合室从15℃降到-55℃的空载降温时间为7.5h，60t试件满载降温时间为14.5h。室温由15℃升到70℃，空载升温时间为1.5h，满载升温时间为5h，均优于设计要求。低温、高温和湿热的各试验曲线的温湿度波动值、室内温度不均匀度等指标均满足设计要求。主室与温闸间可以同时进行两种不同温度的低温恒温试验。各系统工作正常、性能稳定，自控系统工作可靠。低温制冷系统最低送风温度达到-106℃，满足各项低温试验的制冷量要求。该环模室能按国际上各种先进的环境试验标准进行温湿度气候环境条件的模拟。该环模室的设计被评为1998年全军优秀工程设计一等奖。8结语

气候环境试验对提高车辆、机械、航空、电子设备等工业产品的工作可靠性具有重要的意义，因此环境模拟试验室的建设越来越受到重视。环境模拟试验也已从单参数静态模拟向多参数综合动态模拟方向发展。综合气候环境模拟试验室空调制冷系统的设计与常规空调制冷相比，在技术要求、系统形式、设计计算方法、自控调节方法等方面均相差较大。其设计工作复杂，具有许多特殊性。随着科学技术的发展，新技术、新产品、新材料的出现使环模室的设计发生了许多新的变化。在该大型环模室的设计中，在设计计算方法、制冷方式和系统流程