流变仪液冷装置的设计研究

饶建华 程 鹏 徐许林

(1中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院 武汉 430074) (2湖北九州数控机床责任有限公司 孝感 432000)

流变仪液冷装置的设计研究

饶建华1程 鹏1徐许林2

(1中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院 武汉 430074) (2湖北九州数控机床责任有限公司 孝感 432000)

针对高温高压流变仪特点，设计了一种液冷装置，以解决流变仪外围机械部分的过热问题。该冷却装置采用了蒸汽压缩式制冷，以R410A为冷却工质，实现将流变仪的多余热量带离至室外，并运用温度传感器和变频器对各关键处温度、冷却液和制冷剂流量进行调节和控制。该系统有节能、可靠性高、结构紧凑、维护方便和换热效率高等优点。

流变仪 液冷装置 节能

1 引 言

流变仪是用于地球壳幔深部岩石流变学研究的重要仪器[1]。该设备在使用过程中通常是长时间处于一种高温高压的工作环境，故其运行时会产生大量的余热。为了避免对流变仪高温环境周边的机械部件产生较大的温升，按照流变仪本身的要求，需要使用一种高粘度矿物油作为冷却液对其进行冷却。

流变仪液冷装置是流变仪中高温容器冷却子系统，从原理上来说，它提供一定温度、压力、流量的冷却液，对流变仪容器外围机械部件进行降温冷却，为流变仪的长时间连续工作创造一个良好、稳定的外部环境；从结构上来说，液冷装置一般是由制冷循环系统和冷却液循环系统组成。现有液冷装置的冷却液多为水或低粘度油液，液体输送装置为叶片泵[2]，而流变仪高温容器要求使用高粘度矿物油，所以现有液冷装置很难正常工作。针对流变仪连续工作长达数十小时的工况，本文设计了一种用于冷却流变仪的液冷装置，采用蒸汽压缩式制冷方式，液冷装置通过管道连接完成和流变仪的液体工质循环，进而实现流变仪热量的直接室外带离[3]。

2 装置设计

2.1 设计指标

液冷装置主要指标如表1所示。

表1 液冷装置主要技术指标Table 1 Main technical indicators

2.2 系统设计方案及原理

为将热量直接带离至室外，同时降低室内占地面积和对室内产生的噪音，将液冷装置模块化处理，分为室内机部分和室外机部分，液冷装置通过快速接头与流变仪连接，可以实现快速接驳并且无任何泄漏。图1为流变仪液冷装置的设计方案原理图，其原理为：气态制冷剂被压缩机吸入后，压缩成高温高压状态的气体，并进入冷凝器在风扇的作用下向空气放热，成为高压状态的液体，再经过电子膨胀阀节流后成为低压低温的液态，最后经过蒸发器进行相变交换，吸收冷却液中的热量后，重新成为气态制冷剂再次进入压缩机，至此完成了制冷的一个循环。冷却液在齿轮泵的抽吸作用下由油箱流向流变仪的冷却通道，对流变仪外围机械部分实现降温的作用，同时流变仪的多余热量被冷却液带走，冷却液的热量由通过板式换热器的制冷剂带走，被冷却的冷却液通过液压软管流回油箱，如此反复，达到给流变仪外围机械部分降温冷却的目的。考虑到能效比、冷却效果和环保因素，本装置使用了当今变频空调行业中主流的R410A冷媒作为制冷剂对冷却液进行冷却处理[4]。

图1 流变仪液冷装置原理图Fig.1 Diagram of liquid cooling device of deformation apparatus

2.3 系统关键点设计

由于流变仪能承受的最高压力为0.5 MPa，为更好地监控系统的冷却液压力，在出液端安装了压力表；出液和回液管路上分别设置手动调节阀，实现紧急情况下的切断回路操作。

本装置采用半导体温度传感器采集液冷装置中7个关键点的温度，可以保证在设计指标规定的环境温度范围内实现供液温度的连续调节。

为了减少沿程损失和减小室内机的体积，将冷凝器设计在室外机，整个冷媒回路都安装在室外，通过液压软管将室内机、室外机与流变仪连接起来。

3 系统热力学计算与设计选型

3.1 冷却液泵选型方案

按照流变仪的要求，冷却液为46#矿物油，而进入流变仪的最佳油液温度需要控制在20—25 ℃之间，矿物油在该工况下运动粘度高达100—120 mm2/s，在粘度适用性、体积和经济性上考虑，采用齿轮泵较为合适。以制冷装置制冷量为3.8 kW和冷却油经过蒸发器的温度降为10 ℃计算，所需的油液流量为14.9 L/min。选取允许最大流量为15 L/min的齿轮泵，其装有手动调压阀，可将出口压力调至0.5 MPa以下。

3.2 热负荷计算

系统运行时制冷输出能力应包括以下几点，如表2所示。

表2 制冷能力Table 2 Table of cooling capacity

3.3 压缩机选型方案

选型时取室外温度40 ℃为机组设计的环境温度指标，此时对应的冷凝温度Tc=40 ℃+15 ℃=55 ℃[5]，蒸发温度Te=8 ℃，过冷度及过热度均取5 ℃。在软件中对压缩机的参数进行模拟运算如图2所示[6]。

图2 制冷剂热力循环压焓图Fig.2 P-h diagram of thermodynamic cycle

通过上述运行参数进行压缩机选型，经分析和比较，选用一种直流变频压缩机，该压缩机名义工况下制冷量为3.8 kW，能够满足设计要求。

3.4 冷凝器的选型方案

冷凝器是制冷装置中主要的热交换设备，制冷剂在管内冷凝，空气在管外流动，带走制冷剂放出的热量。本装置采用1.5 HP室外机用翅片管式冷凝器，冷却方式为风冷，铜管为7 mm的R410A制冷剂标准铜管。风机采用外转子式风机，转子带动风叶在定子外转动，电机安装在叶轮中间，对电机自身达到了最大的冷却效果。

3.5 节流元件选型方案

节流元件使用电子膨胀阀，它安装于蒸发器的制冷剂入口处，通过调节换热器末端的过热度变化来控制阀门流量，过热度最佳值为5—8℃范围内以控制制冷量并防止出现蒸发器面积利用不足和敲缸现象。根据本系统压缩机的1.5HP的制冷容量，本设计中采用DPF1.65C电子膨胀阀，该电子膨胀阀通过控制器驱动步进电机转动，从而带动针阀上升下降以控制阀体的开度，以调节蒸发器供液量，达到配合变频压缩机的排气量，调节蒸发器过热度的目的，阀体从全闭到全开的步数为480个脉冲，当超过0—480步的范围时，阀体内部的止动滑环会阻止针阀的移动，使阀体开度控制在0—480步的范围内。阀体的最高工作压差可达到4.2 MPa，能够满足R410A制冷剂制冷系统的要求。

3.6 蒸发器的选型及安装方案

3.6.1 蒸发器的选型

蒸发器作为冷却系统中冷却液和R410A制冷剂进行热交换的部件，其换热效率高低直接影响到整个系统的制冷能力的强弱。本设计采用法国哈格诺公司生产的钎焊板式换热器作为系统的蒸发器，板式换热器较其他种类换热器(套管式、管壳式等)相比，具有体积小、平均换热温差大、流动阻力小等优点。

标准工况下，要使进入流变仪的油液温度T1=20 ℃，即流出蒸发器的油液温度应等于20 ℃，根据蒸发温度一般应低于制冷温度10 ℃以上的标准，制冷剂蒸发温度定为T3=8℃，过热度ΔT=5 ℃，即制冷剂过热温度T4=T3+ΔT= 13 ℃，为了保证换热器中足够的换热温差，设计进入换热器的油温为T2=35 ℃，计算得换热器中的换热平均温差ΔTm=18.5 ℃，进一步根据换热器产品参数计算得到换热器蒸发面积A=0.98 m2。

根据以上计算选用一种钎焊板式换热器，其基本参数如表3所示。

3.6.2 蒸发器的安装方案

传统的分体式冷却装置的蒸发器安装在室内，从空间和结构方面的因素考虑，本设计将蒸发器安装在室外机，使冷媒回路最短，同时节省了室内面积。整体装配方案如图4所示。

表3 换热器设计参数Table 3 Design parameters of heat exchanger

图4 蒸发器的安装方案1.风机;2.油液入口快速接头A;3.油液出口快速接头B;4.电子膨胀阀;5.蒸发器; 6.蒸发器保护罩;7.冷媒管路;8.冷凝器。Fig.4 Installation scheme of evaporator

3.7 装置整体设计

按照本方案设计的流变仪液冷装置整体结构如图5所示，整个系统分为室内机和室外机，其与流变仪通过液压软管连接起来，维护方便，室内占地面积小，实物图如图6所示。

图5 液冷装置的整体结构1.室外机;2.室内机;3.连接管C;4.连接管A;5.连接管B; 6.流变仪。Fig.5 Overall structure of liquid cooling device

图6 液冷装置的实物图Fig.6 Assembly diagram of liquid cooling device

4 实验性能

在已经搭建的硬件实验平台上主要针对流变仪液冷装置中的主要指标参数即油箱温度和回油温度，进行了实验测试。分别设置3 000 W和1 500 W热负载对液冷装置进行了冷却液冷却实验，设置油箱油温目标值为20 ℃，对装置进行连续的实验测试。如图7所示，为3 000 W热负载实验过程中的装置内油箱温度即冷却液出液温度以及进液温度的实际测量值。从图中可以得出在液冷装置运行的过程中可以快速将油箱温度控制至目标温度，同时液冷装置将油箱油温控制至目标温度后可以稳定控温，油箱温度和回液温度虽然有相应的波动，但在实验过程中稳定后油箱温度即供液温度的波动是较小的，波动量在±1 ℃以内。图8为1 500 W热负载实验过程中油箱温度和回油温度的变化曲线，同样可以快速稳定油箱油温至目标温度，同时油箱油温的波动较小，在±1 ℃以内。以上结果表明液冷装置的运行状况良好。

图7 3 000 W热负载时关键温度实测值Fig.7 Measured values of the major temperature at thermal load of 3 000 W

图8 1 500 W热负载关键温度实测值Fig.8 Measured values of the major temperature at thermal load of 1 500 W

5 总 结

研制了流变仪液冷装置，将液冷装置分为室外机和室内机，将蒸发器安装在室外，与冷凝器和风机组成室外机，使冷媒回路大大缩短，可以直接将热量带离至室外，提高了能源利用效率，同时改善了实验室内的环境。装置在各关键点设置温度传感器以便调节制冷量等运行参数。

该流变仪液冷装置具有能源利用率高、有室内占地面积小、噪音低和可靠性高等优点，弥补了传统的液冷装置在冷却流变仪时能源浪费的不足，有效解决了流变仪长时间运行的余热对外围机械部分的破坏问题。

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Liu Qiang,Jin Zhenmin.Piston-cylinder apparatus for high pressure and temperature experiments and its application in crust-mantle dynamics research[J].Geological Science and Technology Information, 2006,25(5):8-14.

2 张蒙孟.高精度油冷却机控制系统的研究与设计[D].杭州:杭州电子科技大学,2014.

Zhang Mengmeng.Research and Design of High Precision Oil-cooled Machine Controller System[D].Hangzhou: Hangzhou Dianzi University,2014.

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6 Zhao Lei, Zaheeruddin M. Dynamic simulation and analysis of a water chiller refrigeration system [J].Applied Thermal Engineering,2005(25):2258-2271.

Development of liquid cooling device of deformation apparatus

Rao Jianhua1Cheng Peng1Xu Xulin2

(1Faculty of Mechanical and Electronic Information, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China) (2Hubei Jiuzhou CNC Machine Tool Co.,Ltd, Xiaogan 432000, China)

According to the features of high temperature and high pressure deformation apparatus, a liquid cooling device was presented to solve the problem of overheat in peripheral mechanical part of deformation apparatus. The device transferred the excess heat to outdoor based on a vapor compression refrigeration cycle with refrigerant of R410. Temperature of each key point and the flow rate of coolant and refrigerant could be adjusted and controlled by various temperature sensors and inverter. The device presents the characteristics of energy-saving, high-reliability, compact structure, easy maintenance and high heat exchange efficiency.

deformation apparatus; liquid cooling device; energy saving

2015-11-30；

2016-02-19

国家自然科学基金委员会资助项目(41227001)。

饶建华，男，54岁，教授。

TB657

A

1000-6516(2016)01-0038-05