1、I10L/-10低温冷却液循环器摘 要低温冷却液循环泵又称低温箱，它有一个小型化的，独立的制冷系统和载冷剂循环系统两部分组成。其中，制冷系统采用蒸汽压缩式制冷，使制冷剂发生气液相变，吸收载冷剂氯化钙(CaCl2)水溶液所放出的热量。载冷剂由于被冷却使其温度降低，利用其低温来对一些实验用品进行保温和降温。根据设计的不同，温度能达到不同的要求。本设计主要关注的是制冷剂的选择和制冷系统中各部件的设计及选取。由于现如今“温室效应 ”和臭氧层破坏等环境问题的日益严重，采用环保型制冷剂已是迫在眉睫，本文中选取R407C 作为制冷剂。制冷器件的选择包括全封闭活塞式压缩机的选型与校核，风冷冷凝器的设计，套管式
2、蒸发器的设计，热力膨胀阀的选型以及其他辅助设备的选取等。关键词：低温冷却/制冷技术/热力计算/蒸发器/冷凝器II10L/-10 Low-temperature cooling liquid circulating pumpABSTRACTLow-temperature cooling liquid circulating pump is similar to a low-temperature box,It contains two parts that are a smaller ,independent refrigeration system and a cooling agent ci
3、rculatory system. Among this device, refrigeration system makes use of vapor compression refrigeration, the system makes the refrigerant change from gas to liquid ,and the refrigerant absorps energy that are released by the containing cooling agent (CaCl2). So the containing cooling agents temperatu
4、re was cooled by the refrigeration. Now wo can make use of the lower temperature to cool some experiments or suffer the cooling energy from losing. According to the design of different requirements,we can achieve different temperature.During this design ,I think that the main concern are the choice
5、of refrigerant and cooling systems and the various parts of the cooling systems. However, as a result of the “greenhouse effect” and ozone depletion, more and more poople put theirs attention to theserious environmental problems, so it is imminent to make use of the environment-friendly refrigerant.
6、 In the paper I select R407C as a refrigerant. Besides,The choice of refrigeration devices included closed-piston compressor, design of air-cooledcondenser, casing-evaporator designing, the selection of thermal expansion valve and other auxiliary equipments.KEYWORDS:Cryogenic/cooling/Refrigeration/t
7、echnology/Thermodynamic calculation Evaporator/Condenser 11. 绪论1.1 低温冷却液循环泵介绍随着改革开放30 年的深入进行，我国的制冷技术也有了突飞猛进的快速发展。在高新技术飞速发展的二十一世纪，低温与超低温的实验和冷藏对许多行业和部门已成为必不可少的手段。例如，在生物制药厂、医院、高等院校及科研院所的实验室中进行低温生物、生化实验研究或产品小试，血浆、脏器和生物制品的保存，远洋制品、电子元件、化工材料、建筑材料等特殊材料的超低温实验及储存等 1。低温箱是用于低温冷藏的主要设备，我国对于低温实验的设备需求量很大，但是使用的低温箱多从
8、国外进口，主要原因是他们的产品性能稳定、可靠性高、体积小并且能达到很低的温度，还容易操作。反观我国生产的同类产品体积不仅庞大并且可靠性也不高，制冷温度和精度也都达不到要求。目前国内进行低温实验一般采用消耗制冷剂法，如进行-60-80实验时大多以丙酮为冷媒，在其中加入干冰来制冷降温。消耗制冷剂法常用的制冷剂还有液氮、液氦、液氢等，采用这种方法制冷剂的消耗量比较大，而且温度不容易保证。低温冷却液循环泵是近几年问世的一种低温实验设备，它结合了低温冷却器和循环泵的功能，能够连续的、低成本的获得所需的低温。这类产品大多数采用风冷式全封闭压缩机组制冷及微机智能控制系统,提供低温循环冷却水(液) 流或低温恒
9、温水(液) 流,以满足用冷却水及低温液体去降温或恒温仪器,如旋转蒸发器、发酵罐、电子显微镜、低温化学反应釜、电子能谱仪、质谱仪、密度仪、冷冻干燥仪、真空镀膜仪、反应釜等。也可把多种容积直接在槽内低温恒温实验。它的特点主要有以下几个 2：（1）采用了全封闭压缩机组制冷，可以有效的防止制冷剂的泄露。微机智能控制制冷系统自动开启，制冷系统具有延时、过热、过电流等多重保护装置。（2）循环泵可将槽内冷却液输出冷却产品，或在恒温机外实验容器中建立第二恒温场。（3）所有操作均可在微机智能控制仪上按动触摸软键完成，操作简单，方便。随着我国教育、科研、医疗和制药事业的不断发展，对低温实验设备的需求量也不断增加。
10、本文针对-20 温区的需求，对低温冷却循环泵进行设计。着重关注的是对制冷各器件的设计及选取。21.2 设计要求（1）制冷温度： -10（2）制冷量： 1kW（3）储液容器： 10L（4）温度精度： 1（5）使用环境温度： 035（6）使用环境相对湿度：85%（7）电源： 3 380V 50Hz（8）名义工况： 室外空气干球温度32，出水温度-10 ，回水温度-5（9）冷却方式： 强制对流风冷（10）冷却剂： HCFC类或HFC类（11）安全保护： 高压，低压，断水，冻结1.3 制冷系统的选择制冷系统的重要性对于产品不言而喻。选择一个合适的制冷系统不仅能使产品更容易的达到制冷要求，而且还能有效地
11、降低成本和消耗，有利于节能减排。因此，我们要针对产品的要求，选择合适的制冷系统。从课题的设计要求并综合了各方面因素来看，现我拟采用最简单的制冷循环系统，即单级压缩制冷循环。原因主要有以下几个：（1）根据经验可知，单级压缩制冷所能达到的温度大约为0至-40 3。（2）设计要求的制冷温度为-20，此温度并不算高，用普通的中温制冷剂即可达到要求。（3）在单级压缩制冷系统中，制冷器件数量少，易设计及选取，更有利于节约成本。（4）系统组成简单，布置结构紧凑，体积更小。综合以上因素考虑，选定本设计产品采用单级压缩制冷系统。32. 制冷机的选择及热力性质计算如果说制冷系统是一个产品的灵魂，那么制冷剂就是它流
12、动的血液。毋庸置疑，选择一种合适的制冷剂对产品的性能影响重大。制冷剂在整个制冷系统中起着纽带作用，地位是不可替代的，制冷系统通过制冷剂状态的变化与外界发生热交换，进行热量传递，从而达到制冷的目的。2.1 制冷剂的分类目前，制冷剂大概有以下几种类型，无机物氨制冷剂、氟利昂制冷剂（如：R11、 R22、 R23 等） 、共沸制冷剂（如：R507、R502）和非共沸制冷剂（如：R407C、R410A ）等 4。氨作为一种无机物制冷剂，历史上曾被广泛使用，但是由于氨泄漏所引起的危害，一度被禁止使用。直到最近，由于环保型制冷剂的发展，才又一次开始使用。氨制冷剂多用于大型冷库系统中。氟利昂是迄今为止应用最
13、为广泛的制冷剂，虽然它有着优越的热力学性能，但是随着环境问题的恶化，它有被逐渐代替的趋势。共沸和非共沸制冷剂是近年兴起的环保型制冷剂。不同于单一的制冷剂，它是有几种不同的制冷剂按照不同的配比所混合而得到的。由于混合型制冷剂有着和单一制冷剂迥然不同的热力学性能，它已经开始作为一种环保节能的制冷剂进入人们的视野。特别是非共沸制冷剂，它是有几种不同沸点的制冷剂混合而成。由于高，低沸点的不同，非共沸制冷剂存在有“温度滑移” 的现象。这样当使用冷却水冷却时，更容易实现“洛伦兹循环 ”，从而有利于提高制冷系数和节能性能。2.2 制冷机的选用原则由于制冷剂有着许多不同的种类，因而，在选取制冷剂的时候，我们应
14、采用“具体问题，具体分析” 的方法，针对不同的设计要求，选取相应的制冷剂类型。现将选取原则大致陈述于下 5：（1）制冷剂必须是环境可接受物质，并且价廉易获得。应对环境无破坏作用或破坏作用轻微。（2）应有良好的化学稳定性和热稳定性，不燃烧、不爆炸、无毒，不腐蚀常用的工程材料、与润滑油不起化学反应，在使用温度下不分解、不变性。4（3）有合适的饱和蒸气压。希望在使用条件下蒸发压力最好不低于大气压，以避免空气漏入制冷系统内部，还希望冷凝压力不太高，通常应低于2.5MPa ，以免压缩机和冷凝器等设备过于庞大，同时冷凝压力与蒸发压力之比不过大，以免压缩终温过高，压缩机的输气系数过低，冷凝压力与蒸发压力之差
15、也希望尽可能的小，以降低对压缩机强度的要求。（4）临界温度要高。临界温度是指制冷剂可以加压液化的最高温度，临界温度低的制冷剂在常温或普通低温下有可能不会液化，此时将需要温度很低的冷却介质，且由于当制冷剂在节流前的温度接近临界温度时，制冷剂的气化潜热很小，节流损失就会很大，循环的经济性将很差，因此希望制冷剂的临界温度比环境温度高的多。（5）粘度和密度要小，目的是减小制冷剂的流动阻力。（6）凝固温度要低，以免制冷剂在蒸发温度下凝固。（7）绝热指数要小，可使压缩过程耗功减少，降低压缩终温。（8）导热系数要高，这样可提高换热器的传热系数，减小传热面积，降低材料消耗。（9）气化潜热要大，可获得较大的单位
16、制冷量，同时节流后的干度较小。（10）液体比热要小，这样在节流时液体降温放出的热量少，节流产生的闪发蒸气量小，节流损失较小。2.3 初选制冷剂根据以上制冷剂的分类和选用原则来看，并考虑到各方面因素，现拟选用非共沸制冷剂，原因有以下几条：（1）根据当前发展趋势来看，非共沸混合制冷剂已经开始被越来越多的国家和企业所接受。（2）非共沸制冷剂充分考虑到了安全，性能和环境要求之间的平衡。更容易实现变温工况下的“ 洛伦兹”循环。（3）从以往低温冷却液循环泵的制冷剂来看，采用R22 作为制冷剂的占大多数，但是考虑到蒙特利尔协议的规定，R22 制冷剂终究是要被淘汰的，非共沸制冷剂中的R407C 和R410A
17、作为R22 的替代品，有着和R22 所几乎一样完美的热力学性能，能长久的替代R22。因而从长远来看，现在选用非共沸制冷剂更有利于降低5成本。故现在选定采用非共沸制冷剂中的R407C和R410A ，然后再对这两种制冷剂进行对比选取。R410A 和R407C 的简单介绍如下：R410A 是一种两元非共沸混合制冷剂，由 R32 和R125 混合而成，是作为R22的替代物提出来的。虽然在一定的温度下它的饱和蒸汽压力比R22和R407C均要高一些，但它的其他性能比R22 要优越一些，它的容积制冷量在低温工况时比R22 还要高约60% ，制冷系数也比R22 高约5%，但R410A不能直接替换R22的制冷系
18、统。在使用R410A时要对压缩机进行重新设计，并且由于 R410A的饱和压力高，设备及管路材料应都相应加强，压缩机结构也应作出相应的调整。R407C 是一种三元非共沸混合制冷剂，由R32、R125和R134A 混合而成，它也是作为R22 的替代物而提出的。在标准大气压下，其泡点温度为-43.4，露点温度为-36.1 ，与R22 沸点比较接近。在低温工况时，虽然R407C 的制冷系数比R22 略低一点，但它的容积制冷量却比R22 要高的多。因此，将 R407C 用于替代R22 的制冷系统时，只要将润滑油和制冷剂改换就可以了，而不需要更换制冷压缩机，这是R407C 作为R22 替代物的最大优点 6
19、。从以上的介绍来看，这两种非共沸制冷剂都可以作为R22 的替代品，它们有着各自不同的优特点，但究竟哪一种更好一些呢，这就要对R407C 和R410A 的热力学性质进行计算比较。2.3.1 初步确定制冷工况根据设计要求可知，该低温冷却液循环泵的最高环境使用温度为35，采用强制对流风冷式，室外空气干球温度即冷凝器进风温度为32。由于一般情况下，冷凝温度与进风口温度之差为15左右 7。在此可初步选定冷凝温度为50 。其中，为了保证制冷系统能有更大的制冷量，制冷剂可以有一定的过冷度，现取为5。从设计要求的制冷温度-10来看，应使蒸发温度比制冷温度稍低一些，一般为35。 但是考虑到该装置要使用载冷剂，要
20、求回水温度-5 ，出水温度为-10 ，并且为了防止制冷剂的“ 液击 ”现象，要求应有一定的过热度。综合这几方面的因素，拟定蒸发温度为-17，有效过热 3。故制冷工况如下：蒸发温度-17 ，有效过热 3。冷凝温度50，过冷5。62.3.2 制冷机热力学性能计算在第二部分“ 制冷系统的选择 ”中，我们确定采用单级压缩制冷系统。但是并没有探讨是否采用回热器进行过热。现探讨如下：当使用回热器时，虽然有利于节能，利用了回热，但是考虑到，此时制冷剂的排气温度过高（可高达140） ，不利于润滑油的稳定性，并且造成冷凝压力升高等因素，故针对此小型制冷设备不采用回热器 8。综上可知，该制冷系统采用单级压缩制冷循
21、环，没有回热器。其制冷剂热力学性能计算的压焓图如下：图1 制冷剂热力学计算压焓图表1 R407C 的各点状态状态点 /tMPap/kgJh/kgmv/30 -27 0.159 395.381 -24 0.159 397.78 0.1432 92.64 1.988 478.392s 78.62 1.988 462.274 45 1.988 260.75 3-1094.单位制冷量： （2-kgJhq /03.175.278.39410 71）单位理论功： （2-kgJhws /49.678.32.46120 2）单位实际功： （2-s /1.0.9.123）单位冷凝功： （2-kgJhwk /64
22、.275.3.4782 4）循环质流量： （2-sgqQm/9.03.1705）实际输气量： （2-hmsvmvs /7.3/014.3.298.1 6）单位容积制冷量： （2-310/543.7mkJvq7）压缩机实际功率： （2-kWqwpms 58.0129.768038）冷凝器实际功率： （2-Qkmk .64.39）实际制冷系数： （2-7.16.800siswqp10）表2 R410A 的各点状态状态点 /tMPa/kgJh/kgmv/30 -27 0.304 411.321 -24 0.304 413.92 0.08598单位制冷量： （2-kgJhq /24.1386.2759
23、.41310 11）单位理论功： （2-ws /.8.12012）单位实际功： （2-kgJhs /95.2.437.912 13）单位冷凝功： （2-wk /1.68.4214）循环质流量： （2-sgqQm/234.7.18015）实际输气量： （2-hmsvmvs /24./06.859.0234.7 331 16）单位容积制冷量： （2-310/6859.mkJvq17）压缩机实际功率： （2-kWqwpms 62.01234.718）冷凝器实际功率： （2-Qkmk .9319）实际制冷系数： （2-61.95.24380siswqp20）2.3.3 比较确定制冷剂2 104.13 3.063 482.682s 90.04 3.063 482.684 45 3.063 275.68
