摘要：目的是為綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室集中冷源選擇適用、合理的載冷劑方案。方法是通過(guò)對(duì)試驗(yàn)室制冷進(jìn)行分析，制定試瞼宣制冷系統(tǒng)方案。對(duì)戟冷劑運(yùn)行原理進(jìn)行分析，得到綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室栽冷劑使用工況和需要考慮的因素。最后綜合分析和對(duì)比常用栽冷劑的物性參數(shù)，總結(jié)出適用于綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室集中冷源的載冷劑方案。結(jié)果中溫杋鉏的戟冷劑選擇 Dynalene HC50。結(jié)論選擇的載劑適用于綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室集中冷源載冷劑系統(tǒng)的使用工況，方案合理。

隨著我國(guó)武器裝備的快速發(fā)展，各軍工行業(yè)對(duì)地面車輛的需求迫切，不同功能、不同任務(wù)需求的地面車輛大量研制，武器裝備的研制周期明顯縮短，裝備環(huán)境適應(yīng)性和可靠性越來(lái)越高，氣候環(huán)境模擬試驗(yàn)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在武器研制過(guò)程中的地位也越來(lái)越高。環(huán)境模擬試驗(yàn)是考核產(chǎn)品耐環(huán)境能力的主要手段，通過(guò)選擇和設(shè)置一些環(huán)境條件，盡可能真實(shí)地再現(xiàn)產(chǎn)品在任務(wù)環(huán)境中的一些環(huán)境因素及使用方式，從而確定產(chǎn)品能否在預(yù)期使用環(huán)境中能夠有效可靠的工作，最終確定產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力近幾年，隨著各種新型裝備的研制，航天、兵器、總后等多家單位先后建成了環(huán)境模擬試驗(yàn)室民用汽車領(lǐng)域也建設(shè)了很多小型環(huán)境模擬試驗(yàn)艙和環(huán)境模擬試驗(yàn)室。因此為考核地面車輛和裝備而建立能夠模擬低溫、高溫、濕熱、高原、降水降雪、砂塵等多種環(huán)境因素的綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室。整個(gè)試驗(yàn)室由集中冷源供應(yīng)試驗(yàn)室降溫所需的冷量，并由載冷劑系統(tǒng)進(jìn)行輸送，文中即討論適用于綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室的載冷劑方案。

綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)箱

1、試驗(yàn)室制冷需求分析

綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室由四個(gè)互相獨(dú)立的環(huán)境模擬單元組成，可以進(jìn)行大型武器裝備、地面車輛和工程機(jī)械在綜合環(huán)境下的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。四個(gè)單元包括高原環(huán)境模擬試驗(yàn)單元、綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)單元、砂塵模擬試驗(yàn)單元、降水模擬試驗(yàn)單元。其中高原環(huán)境模擬試驗(yàn)單元可以進(jìn)行高溫、低溫環(huán)境下車輛動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)，其環(huán)境溫度范圍為-45℃～70℃；綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)單元可以進(jìn)行高溫、低溫、濕熱、太陽(yáng)輻射條件下的車輛靜態(tài)貯存和工作試驗(yàn)，其環(huán)境溫度范圍為-60℃～70℃；砂塵模擬試驗(yàn)單元可以進(jìn)行吹砂、吹塵試驗(yàn)，其環(huán)境溫度范圍為20℃～70℃；降水模擬試驗(yàn)單元可以進(jìn)行降雨、降雪、積冰、凍雨試驗(yàn)，其環(huán)境溫度范圍為-20℃～70℃。四個(gè)單元相互獨(dú)立，共用一套制冷系統(tǒng)作為集中冷源向。因文中主要對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行分析，這里只關(guān)注各試驗(yàn)單元低溫極值。為適應(yīng)不同試驗(yàn)單元不同溫度范圍的制冷需要，將各單元試驗(yàn)溫度范圍劃分為常溫段(20℃～70℃)、中溫段(-45℃～20℃)和低溫段(-60℃～45℃)，三個(gè)溫度段分別配備制冷系統(tǒng)提供冷源。

2、制冷系統(tǒng)方案的制定

2.1 制冷系統(tǒng)方案

綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室的試驗(yàn)溫度范圍為-60℃～70℃，試驗(yàn)溫度范圍寬，且四個(gè)試驗(yàn)單元試驗(yàn)溫度范圍不同，不同試驗(yàn)工況對(duì)制冷系統(tǒng)負(fù)荷的需求相差很大，考慮到僅有綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)單元的試驗(yàn)溫度范圍覆蓋低溫段，且試驗(yàn)頻次較低，如果選擇一套制冷機(jī)組同時(shí)覆蓋低溫段和中溫段，對(duì)制冷機(jī)組的要求很高。復(fù)疊制冷系統(tǒng)轉(zhuǎn)為超低溫制冷需求設(shè)計(jì)，低溫和高溫兩個(gè)制冷循環(huán)可以保證系統(tǒng)長(zhǎng)期高效穩(wěn)定運(yùn)行；雙級(jí)制冷系統(tǒng)應(yīng)用于低溫制冷工況，特別是-55℃～-40℃蒸發(fā)溫度段，具有較大優(yōu)勢(shì)，比復(fù)疊制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)潔易于控制，占地面積小比單級(jí)系統(tǒng)制冷效率高，運(yùn)行成本低。

因此選擇采用一套復(fù)疊制冷機(jī)組和一套雙級(jí)制冷機(jī)組分別用于低溫段和中溫段。其中復(fù)疊制冷機(jī)組高溫級(jí)制冷劑選擇R507，低溫級(jí)制冷劑選擇R23，制冷壓縮機(jī)選擇螺杄壓縮機(jī)，R23低溫時(shí)飽和壓力較高，R507高溫時(shí)飽和壓力低。這兩種制冷劑配組組成復(fù)疊系統(tǒng)，能使低溫和高溫兩個(gè)制冷循環(huán)運(yùn)行于合適的工作條件，冷凝壓力蒸發(fā)壓力比適中，保證系統(tǒng)能長(zhǎng)期高效穩(wěn)定提供低溫制冷能力。雙級(jí)制冷機(jī)組制冷劑選擇R507，制冷壓縮機(jī)選擇螺桿壓縮機(jī)。復(fù)疊制冷機(jī)組用于綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)單元進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)冷卻循環(huán)空氣，試驗(yàn)環(huán)境溫度最低為-60℃。雙極制冷機(jī)組用于高原環(huán)境模擬試驗(yàn)單元、綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)單元進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)，冷卻循環(huán)空氣，試驗(yàn)環(huán)境溫度最低為-45℃；同時(shí)用于淋雨模擬試驗(yàn)單元進(jìn)行積冰、凍雨試驗(yàn)時(shí)，冷卻循環(huán)空氣，試驗(yàn)環(huán)度最低為-20℃在確定了制冷機(jī)組的選擇方案后，需要考慮制冷機(jī)組的制冷方式，常見(jiàn)的制冷方式包括直接制冷和間接制冷兩種。

直接制冷方式下，制冷劑通過(guò)位于循環(huán)風(fēng)道內(nèi)的蒸發(fā)器直接冷卻循環(huán)風(fēng)，達(dá)到降低試驗(yàn)間內(nèi)溫度的目的；間接制冷則是通過(guò)載冷劑系統(tǒng)與制冷劑進(jìn)行換熱，輸送冷量至循環(huán)風(fēng)道內(nèi)的換熱器與循環(huán)風(fēng)進(jìn)行換熱，達(dá)到間接降低試驗(yàn)間內(nèi)溫度的目的。在高原環(huán)境模擬試驗(yàn)單元中，配備有轉(zhuǎn)鼓測(cè)功機(jī)和履帶測(cè)功機(jī)，可以進(jìn)行最大1200kW輪式、履帶車輛的全負(fù)荷加載試驗(yàn)。在綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)單元和淋雨模擬試驗(yàn)單元中也會(huì)進(jìn)行怠速或空載高轉(zhuǎn)速工作試驗(yàn)，這要求制冷系統(tǒng)具備較快的冷量調(diào)節(jié)能力，以處理試驗(yàn)中迅速產(chǎn)生的熱負(fù)荷對(duì)環(huán)境溫度的影響，同時(shí)還要保證環(huán)境試驗(yàn)中對(duì)溫度均勻性的嚴(yán)苛要求。如果使用直接制冷對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，無(wú)法滿足短時(shí)間內(nèi)試驗(yàn)間熱負(fù)荷增加帶來(lái)的冷量需求，且蒸發(fā)器面積過(guò)大導(dǎo)致的溫度不均勻，會(huì)直接影響到試驗(yàn)室內(nèi)溫度的均勻性，因此中溫段制冷機(jī)組采用載冷劑系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冷量的蓄冷，易于實(shí)現(xiàn)溫度控制。

低溫段制冷機(jī)組主要用于綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)單元進(jìn)行低溫貯存試驗(yàn)時(shí)的制冷需求。進(jìn)行低溫貯存試驗(yàn)時(shí)，被試件處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，本身不產(chǎn)生熱負(fù)荷，對(duì)環(huán)境溫度影響很小，因此低溫段制冷機(jī)組可以采用直接制冷或間接制冷的方式，選擇何種制冷方式主要取決于載冷劑的選擇。

2.2 載冷劑運(yùn)行原理分析

載冷劑系統(tǒng)運(yùn)行的原理如圖1所示，載冷劑管道連接主制冷系統(tǒng)出入口和空氣熱交換器，形成載冷劑二次回路，二次回路中載冷劑通過(guò)載冷劑換熱器與制冷系統(tǒng)一次回路中的制冷劑進(jìn)行換熱，通過(guò)比例調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)載冷劑定流量，變溫度控制，保證試驗(yàn)間內(nèi)環(huán)境溫度穩(wěn)定下降。管道加熱器用于加熱二次回路中載冷劑，用于高溫、高濕試驗(yàn)或平衡低溫試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度。這就要求載冷劑可以滿足低溫段和中溫段制冷需求的同時(shí)滿足高溫試驗(yàn)加熱的需求。

3、載冷劑的選擇

3.1 考慮的因素

根據(jù)綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和制冷方式，需選擇兩種載冷劑分別用于低溫段復(fù)疊制冷系統(tǒng)和中溫段雙級(jí)制冷系統(tǒng)。用于環(huán)境試驗(yàn)室的載冷劑系統(tǒng)不同于工業(yè)用制冷系統(tǒng)載冷劑，需考慮以下因素：

（1）綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室各單元均需要進(jìn)行被試車輛的怠速或高轉(zhuǎn)速空載工作試驗(yàn)，特別是高原環(huán)境模擬試驗(yàn)單元需要進(jìn)行全負(fù)荷加載試驗(yàn)。被試車輛排煙口溫度高達(dá)600℃～800℃，且尾氣中伴隨明火，因此載冷劑需考慮可燃性，選擇高閃點(diǎn)或無(wú)閃點(diǎn)型。

（2）環(huán)境試驗(yàn)室內(nèi)因試驗(yàn)需要常有試驗(yàn)測(cè)試人員進(jìn)出，為保證人員安全，載冷劑應(yīng)選擇安全、無(wú)毒或微毒型。

（3）載冷劑物性參數(shù)對(duì)載冷劑泵和空氣換熱器的設(shè)計(jì)選型影響很大，定壓比熱大、運(yùn)動(dòng)黏度小、導(dǎo)熱系數(shù)大的載冷劑有利于載冷劑泵和空氣換熱器的經(jīng)濟(jì)選型，降低購(gòu)置成本和運(yùn)行成本。

（4）根據(jù)制冷系統(tǒng)和氣流組織設(shè)計(jì)要求，在進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)，載冷劑出液溫度應(yīng)比循環(huán)風(fēng)出風(fēng)溫度低5℃，循環(huán)風(fēng)出風(fēng)口溫度比設(shè)計(jì)環(huán)境溫度低5℃，因此用于低溫段的載冷劑冰點(diǎn)應(yīng)低于-70℃，用于中溫段的載冷劑冰點(diǎn)應(yīng)低于55℃，才能載冷劑系統(tǒng)正常工作。同理，在進(jìn)行高溫試驗(yàn)時(shí)，載冷劑出液溫度應(yīng)高于設(shè)計(jì)環(huán)境溫度10℃，中溫段載冷劑既用于中溫段制冷，同時(shí)用于高溫試驗(yàn)升溫，因此中溫載冷劑沸點(diǎn)應(yīng)高于80℃。

3.2 載冷劑的對(duì)比

綜合載冷劑選擇需考慮因素，結(jié)合試驗(yàn)室使用現(xiàn)狀，確定二氯甲烷、陶氏化學(xué) Dowtherm-J、Dynalene HE-LO和 Dynalene HC-50四種載冷劑。各載冷劑使用溫度范圍見(jiàn)表1。

由表1可知，適用于低溫段載冷劑包括二氯甲烷、陶氏化學(xué) Dowtherm-和 Dynalene HF-LC；適用于中溫段載冷劑包括陶氏化學(xué) Dowtherm-JDynalene HF-LO和 Dynalene hc-50。

由表2可知，低溫段載冷劑中二氯甲烷無(wú)閃點(diǎn)，但遇高濃度氧氣混合，強(qiáng)加熱下會(huì)產(chǎn)生爆炸，且二氯甲烷在高溫下易分解為劇毒光氣，對(duì)試驗(yàn)人員危害較大。二氯甲烷雖不參與高溫升溫工作，但在高溫試驗(yàn)時(shí)，低溫段空氣換熱器中存在的二氯甲烷易受熱分解。

中溫段載冷劑應(yīng)無(wú)閃點(diǎn)或高閃點(diǎn)，除 Dynalene HC-50為水基載冷劑外， Dynalene HF-LO和陶氏化學(xué) Dowtherm-J均為油基載冷劑，閃點(diǎn)較低。當(dāng)遇到高溫氣體或明火時(shí)，如出現(xiàn)載冷劑泄漏，會(huì)引起燃燒或爆炸，因此中溫段載冷劑應(yīng)首先考慮Dynalene hc-50。

由圖2和圖3所示，在進(jìn)行低溫段試驗(yàn)時(shí)，Dynalene HF-LO的定壓比熱比二氯甲烷大64%。由此可以得出，在同等熱負(fù)荷條件下， Dynalene H-LO的質(zhì)量流量可以比二氯甲烷減少約37%。

由于 Dynalene HE-LO的運(yùn)動(dòng)黏度是二氯甲烷的120倍，綜合質(zhì)量流量和運(yùn)動(dòng)黏度，根據(jù)局部阻力和沿程阻力，計(jì)算得到 Dynalene HF-LO載冷劑泵的功率消耗約為二氯甲烷載冷劑泵的80%，陶氏化學(xué) Dowtherm-J載冷劑泵的功率消耗約為二氯甲烷載冷劑泵的30%。

在進(jìn)行中溫段試驗(yàn)時(shí)， Dynalene HC-50的定壓比熱比 Dynalene HE-LO高20%-30%，同等熱負(fù)荷條件下， Dynalene Hc-50載冷劑質(zhì)量流量可以比Dynalene HF-LO減少17%23%由于 Dynalene HC-50的運(yùn)動(dòng)黏度比 Dynalene HE-LO高約10%40%，綜合質(zhì)量流量和運(yùn)動(dòng)黏度，根據(jù)局部阻力和沿程阻力，計(jì)算得到 Dynalene HF-LO載冷劑泵的功率消耗與 Dynalene HC-50載冷劑泵的功率消耗接近，陶氏化學(xué) Dowthern-J載冷劑泵的功率消耗最低。

換熱器主要用于載冷劑與試驗(yàn)室內(nèi)循環(huán)空氣進(jìn)行換熱，換熱器的面積與載冷劑的導(dǎo)熱系數(shù)之間相關(guān)。由圖4可知， Dynalene HF-LO的導(dǎo)熱系數(shù)約是 Dynalene HC-50的25%，約是二氯甲烷的67%，約是陶氏化學(xué) Dowtherm-J的86%。故為達(dá)到相同的制冷量， Dynalene HE-LO的換熱器面積約比 Dynalene HO-50的大25%，比二氯甲烷的大10%，與陶氏化學(xué) Dowtherm-相當(dāng)。

通過(guò)上述分析可知，中溫段載冷劑中 Dynalene HC-50和陶氏化學(xué) Dowtherm-J的性能要明顯優(yōu)于Dynalene HF-LO，且考慮 Dynalene HC-50為水基載冷劑，無(wú)閃點(diǎn)，具有更好的安全性，中溫段載冷劑選擇 Dynalene HC-50。低溫段載冷劑中陶氏化學(xué)Dowtherm-J、 Dynalene HE-LO和二氯甲烷性能相似，因三種載冷劑中陶氏化學(xué) Dowtherm-J Dynalene HE-LO均有閃點(diǎn)，泄漏遇明火易發(fā)生爆燃，二氯甲烷具有毒性，又如前文所述，低溫段直接制冷或間接制冷均能滿足環(huán)境試驗(yàn)室要求，綜合考慮運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)際使用情況，低溫段采用直接冷卻方式。

4、結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)綜合氣候環(huán)境模擬試驗(yàn)室制冷需求進(jìn)行分析，制定了制冷系統(tǒng)方案，確定了低溫段采用復(fù)疊制冷系統(tǒng)，中溫段采用雙級(jí)制冷系統(tǒng)的形式。通過(guò)分析載冷劑系統(tǒng)運(yùn)行原理，對(duì)比載冷劑在環(huán)境試驗(yàn)室使用時(shí)應(yīng)考慮的主要因素，得出了中溫段載冷劑選擇 Dynalene ho-50，低溫段選擇直接冷卻的制冷方式。 Dynalene HC50無(wú)毒，無(wú)閃點(diǎn)，性參數(shù)優(yōu)良，能夠保證載冷劑泵和空氣換熱器的經(jīng)濟(jì)選型，滿足中溫段制冷和加熱使用需求。低溫段選擇直接制冷方式，保證了試驗(yàn)室安全穩(wěn)定運(yùn)行該載冷劑方案選擇分析研究對(duì)于同類型大型綜合氣候環(huán)境模擬試驗(yàn)室的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義，為類似載冷劑的選擇提供了參考。