水浴实验制冷工况下的水温控制*

2012-11-11王宏

河南工学院学报 2012年6期

王宏

（河南机电高等专科学校，河南新乡 453000）

水浴实验中水温控制是整个实验的关键环节［1－2］，本市一家企业开发的水浴实验台，水温范围5～25℃，控制精度要求在0.5℃以内。其中加热工况下采用电加热器，由于电加热管蓄热较小，即使采用温控器，也可以收到良好效果;但在制冷工况下，放置在水槽底部的蒸发盘管，蒸发温度小于0摄氏度，制冷时盘管外结冰，具有较大的蓄冷量，当设备达到设定温度停机时，冰层逐渐融化，水温还要逐渐降低1～2℃，温度处于失控状态。针对此问题，提出了改进方案，并进行改造调试，取得了良好的控温效果。

1 系统组成

制冷系统组成［3－4］由国内某品牌分体式房间空调器KF－22室外机与设置在实验水槽内的蒸发盘管组成。室外机内含有压缩机、冷凝器、毛细管等制冷系统必要部件，只需匹配合适的蒸发器即可组成完整的制冷系统。另外，水槽内设置小型射流水泵，使水槽内的水能通过循环流动，增强水侧换热效果。系统组成如图1所示。

2 改进方案分析

2.1 使用载冷剂系统间接冷却

设置在水槽内的制冷盘管使用载冷剂冷却水槽内的水，采用间接冷却方式，将载冷剂(低于0℃时可用乙二醇水溶液)与制冷装置的壳管式蒸发器进行热交换，通过控制载冷剂的温度不低于0℃，使水槽盘管表面避免出现结冰，在设定温度下停机，就可以将蒸发器的蓄冷量隔离在水槽外，保证水槽内水温稳定，改后的系统如图2所示。

本方案控温效果好，但要增加水泵与壳管式换热器等，系统复杂，另外制冷系统采用间接冷却，制冷装置效率降低。对于本实验台，水槽尺寸(1250mm×410mm×290mm)及容水量(约100公斤)较小，需要的制冷量较小，制冷系统不宜复杂。

2.2 改进控温方法

在制冷装置方面采用自动化控温设备，或在水温控制方面采用修正调节参数等措施。水温的控制参数设定高于要求值0.5℃，即要求5℃时，制冷装置在5.5℃就停机，这样在盘管外冰层蓄冷的作用下，水温继续下降1℃到4.5℃。这要求蓄冷量与水槽水容量比相对要小，影响水温不大于1℃才可行。实际设计的水槽容积有限，换热盘管表面积不易减少，本方案实行受到限制。

采用制冷自动控制部件控制盘管表面温度，使其不低于0℃，避免出现结冰现象，可以采用制冷系统中增加蒸发压力调节阀等部件来实现。增加蒸发压力调节阀，会降低制冷运行效率，控制盘管表面温度，减少换热温差，延长降温时间，反映在装置上，制冷降温的总体效果将较差。

提高系统配置等级，采用变频空调器室外机，通过测定水槽盘管表面温度与水体温度，以及水体温度变化率，实现 PI或 PID 调节方式［5－6］，避免停机时盘管表面大量结冰现象，稳定停机后水温。此方法不能直接使用变频空调控制模式，在软硬件方面需要大量工作。

2.3 采用热力融霜方式消除蓄冷量

在低温冷库制冷系统中往往采用热力融霜的方式除去蒸发器表面的凝结霜层，因此可考虑采用热气除去蒸发盘管表面的冰层，减少冰层蓄冷对水槽内水温的干扰。

3 具体技术措施

水浴装置中制冷系统主要由房间空调器室外机与蒸发盘管组成，房间空调器室外机集成了制冷系统中的压缩机、冷凝器、节流机构及控制部件等，只需合理配置蒸发盘管即可形成完整的制冷系统，造价低;减少压缩机、冷凝器、节流机构之间的配置的工作，简单易行。

对室外机简单改造就可实现“热气除冰”效果。但是，热气不能直接采用压缩机排气，排气温度在70℃ ～120℃范围内，温度高，带到水槽的热量多，不易控制。由于制冷降温到设定值时，制冷压缩机停机，但冷凝器上部制冷剂温度还在30℃ ～50℃之间，停机时冷凝器与蒸发盘管存在较大的压力差，这时将冷凝器上部的气体引到蒸发盘管内进行除冰。具体技术措施是在冷凝器上部三分之一处设旁通管到蒸发盘管，旁通管上设常开电磁阀。当制冷工作时，电磁阀关闭;当压缩机停机时，该阀打开，将冷凝器上部的热气旁通到蒸发盘管内，消除冰层的蓄冷量，减少水温的波动。改进后的系统如图3所示。