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高溫制冷恒溫槽試制

2016-01-21 [4985]

低溫恒溫水槽廣泛用于石油、化工、電子儀表、物理、化學、生物工程、醫藥衛生、生命科學、輕工食品、物性測試及化學分析等研究部門，高等院校，企業質檢及生產部門，為用戶工作時提供一個熱冷受控，溫度均勻恒定的場源，對試驗樣品或生產的產品進行恒定溫度試驗或測試，也可作為直接加熱或制冷和輔助加熱或制冷的熱源或冷源。

低溫恒溫槽主要部件及運行原理：

1、低溫恒溫槽部件：壓縮機、冷凝器、蒸發器、風機、(內、外)循環水泵、不銹鋼內膽、加熱管、PID智能溫控表。

2、低溫恒溫槽內部運行原理：壓縮機運轉后經吸氣-壓縮-排氣-冷凝-節流-再低溫蒸發吸熱汽化。使槽內液體降至溫控表所設定的溫度。如溫控表設定溫度高于槽內溫度，溫控表內接觸器自動工作，給予固態繼電器電壓信號，固態繼電器導通，加熱管開始工作，在低溫恒溫槽工作時，可利用整機的進口和出口做機內水源內循環或者外循環，也可將機內水源外引，在低溫恒溫槽體外做第二恒溫場。

低溫恒溫槽的核心部件壓縮機正常運轉時，內部電機會產生熱量，這部分熱量主要依靠壓縮機吸氣口的低溫回氣帶走，當由于某種原因壓縮機熱量不能被帶走時，壓縮機主體的溫度會急劇上升達到某一溫度時，會觸發壓縮機過熱保護開關啟動，關閉壓縮機，嚴重情況下會損壞壓縮機，因此常規低溫恒溫槽為了保護壓縮機一般禁止在槽內溫度高于40℃。但也有部分用戶或者行業因為某種原因（1.高溫時能夠快速將至所設定的較低溫度；2.高溫時能夠有一定量的制冷量輸出）需要在高溫時開啟制冷壓縮機。本文試制產品即為上海交通大學定制恒溫槽，要求恒溫槽在5~99℃均可開啟制冷壓縮機，同時保證恒溫槽在20℃時制冷量為2KW。

上文提到壓縮機正常運行時產生的熱量主要有低溫的回氣來帶走，但是當恒溫槽內液體溫度較高時，壓縮機吸氣口的回氣將會有很大的過熱度（一般比槽內溫度低10℃左右），回氣將無法帶走壓縮機的熱量，此時就需要對制冷系統進行改進，將部分將要進入槽內盤管的制冷劑液體經過毛細管旁通至壓縮機的吸氣口處與高溫的回氣混合，以降低壓縮機吸氣口溫度，保證壓縮機溫度保持在合理范圍內。

由于不同槽內溫度壓縮機吸氣口溫度不盡相同，因此不同溫度點時的旁通制冷劑流量也不盡相同，下面進行理論計算。

首行理論計算的假設，假設1. 通過液槽內制冷劑單位時間質量流量為M₁，流出液槽時溫度為槽內溫度減10℃，與旁通的制冷劑混合后溫度為10℃；2. 旁通制冷劑節流后干度為0.6，旁通制冷劑單位時間質量流量為M₂，旁通制冷劑節流后溫度為-16℃，與槽內流出制冷劑混合后溫度為10℃；3. 溫度為T時的制冷劑焓值為H_T。

通過能量守恒原理可知使液槽內制冷劑降溫的能量等于使旁通制冷劑升溫的能量。則有下面等式：

水槽溫度40℃時，制冷劑流出槽內時為30℃

M₁（H₃₀-H₁₀）=M₂（H₁₀-） è

M₁（399.6-382）=M₂（382-245.4） è

M₂/M₁=0.13

說明此溫度點下，旁通噴液的流量只需為進入液槽內流量的0.13即可。

可據此依次計算出50℃時質量流量比為0.2，60℃時質量流量比為0.27。

恒溫槽隨著溫度槽內溫度較高時制冷量會相應增大，由于客戶僅要求制冷量大于2000W即可，此時多余的制冷量就需要依靠自帶加熱器抵消，考慮到防止整機功率過大以及節約能耗，機器在水槽內溫度較高時將通過調節流入槽內的制冷劑流量來調節制冷量。首先假設在槽內溫度為70℃時將流量降溫原來的2/3，在槽內溫度為90℃時將流量降溫原來的1/3。下面進行計算。

水槽溫度70℃時，制冷劑流出槽內時為60℃

（H₆₀-H₁₀）=M₂（H₁₀-） è

（427.5-382）=M₂（382-245.4） è

M₂/M₁=0.22

可據此依次計算出80℃時質量流量比為0.32，90℃時質量流量比為0.19。

通過以上計算暫將噴液毛細管定為三只，每只毛細管流量為進入液槽內毛細管流量的0.1，將進入液槽的毛細管同時也等分為3份，初步設想根據槽內溫度控制方式為:

1. 槽內溫度低于40℃時噴液毛細管不開啟、進入液槽的毛細管全部開啟；

2. 槽內溫度高于40℃小于50℃時噴液毛細管開啟一根、進入液槽的毛細管全部開啟；

3. 槽內溫度高于50℃小于60℃時噴液毛細管開啟兩根、進入液槽的毛細管全部開啟；

4. 槽內溫度高于60℃小于70℃時噴液毛細管開啟三根、進入液槽的毛細管全部開啟；

5. 槽內溫度高于70℃小于90℃時噴液毛細管開啟三根、進入液槽的毛細管開啟兩根；

6. 槽內溫度高于90℃時噴液毛細管開啟三根、進入液槽的毛細管開啟一根；（注：毛細管的開啟通過溫度開關控制與毛細管串聯電磁閥的通斷來實現，通過計算可知上述控制方式壓縮機吸氣口回氣溫度將在10℃上下波動，但足以帶走壓縮機熱量）

經過理論計算，本機進入實際試制階段，在樣機調試階段，通過測量壓縮機的各項運行參數都在合理范圍內，整機性能指標能滿足設計要求，樣機試制結束可以交付客戶使用。