1、S t a n d a r d标准检测制冷热回收式中低温恒温槽循环系统设计及制作陈雪清1 童蕾1 黎泽明2( 1 广东机电职业技术学院广东广州5 】0 5 1 5 ；2 广州天河兰石技术开发有限公司广东广州5 10 6 4 0 )摘要：制冷热回收式中低温恒温槽循环系统为用户工作时提供一个热冷受控、温度均匀恒定的场源，是一个二合一多功能系统，既可校核测温装置，也可对外输出恒温液体的热源冷源。采用热回收、射流、闭环控制等技术实现了比一般循环器、恒温恒湿机组最高节能2 0 的目的。与环境没有热交换，噪声低。为高精度自动恒温调节提供参考。关键词：恒温环境；温度校核；温度调节；节能；热回收。一-_oo，
2、_I- -D e s i g na n dD r O d U c t i o na tt n e 代t r I g e r l t e dh e a tr e c o v e r Yt y p em e d i u ma n dl o w - 。t e m p e r a t u r ec o n s t a n tt e m p e r a t u r et h e r m os c i e n t i f i cc o o l i n gs y s t e mC H E NX u e q i n 9 1T O N GL e i lL IZ e r o i n 9 2( 1 G u a n
3、g d o n gM e c M n i c a IAE l e c t r i c a lC o l l e g eG u a n g z h o u510 515 ；2 G z L a n sE x p e r i m e n t a lT e c h n o l o g yC o ，L t d G u a n g z h o u510 6 4 0 )A b s t r a c t ：T h er e f r i g e r a t e dh e a tr e c o v e r y t y p em e d i u ma n dl o w t e m p e r a t u r ec o
4、 n s t a n tt e m p e r a t u r et h e r m os c i e n t i f i cc o o l i n gs y s t e mp r o v i d eam e d i u ma n dl o w t e m p e r a t u r er e g u l a t i o n ，c o n s t a n tt e m p e r a t u r eu n i f o r ms o u r c ef o ru s e r ，i sac o m b i n e dm u l t i f u n c t i o n a ls y s t e m ，
5、n o to n l yu s ef o rv e r i f yt h et e m p e r a t u r eo ft e m p e r a t u r em e a s u r i n gd e v i c e ，b u ta l s ou s ef o rp r o v i d eac o n s t a n tt e m p e r a t u r eu n i f o r ms o u r c e W i t hh e a tr e c o v e r y ，j e t ，c l o s e d l o o pc o n t r o lt e c h n o l o g yt
6、 or e a l i z et h em o s te n e r g ys a v i n gr a t eo ft h er e f r i g e r a t e dh e a tr e c o v e r yt y p em e d i u ma n dl o w t e m p e r a t u r ec o n s t a n tt e m p e r a t u r et h e r m os c i e n t i f i cc o o l i n gs y s t e mi s2 0 m o r et h a nt h ec o n v e n t i o n a lt
7、h e r m os c i e n t i f i cb a t ha n dc o n s t a n t - t e m p e r a t u r e h u m i d i t yu n i t N oh e a te x c h a n g ew i t ht h ee n v i r o n m e n t 1 0 Wn o i s e P r o v i d ear e f e f e n c ef o rh i g hp r e c i s i o na u t o m a t i cc o n s t a n tt e m p e r a t u r er e g u l
8、a t i o n K e y w o r d s ：C o n s t a n tt e m p e r a t u r e ；T e m p e r a t u r ev e r i f i c a t i o n ；T e m p e r a t u r er e g u l a t i o n ；E n e r g ys a v i n g ；H e a tr e c o v e r y1 引。i制冷空调产品出厂前必须经过一系列严格检查，只有各项指标都符合国家标准才能投放市场。为此，厂家必须建立一套严格、精确、高效的检测系统。标准的电器性能实验室”3 1 ( 如：焓差实验室、冰箱性能实
9、验室、换热器性能实验室)用人工方法模拟一种或多种被试产品工作环境，用来检验产品工作时的性能、研制开发新产品，3 6家电科技不仅加快了产品研制和生产的速度，而且还可以节约试验费用。但是，建设一个标准的电器性能实验室所需要的场地比较大，投入的设备仪器成本比较高，一般的企业及科研院所都难以承担。鉴于上述情况，开发一款单工位的小型电器性能实验室，供科研、教学及中小企业做性能实验使用，成为现阶段急需解决的问题。广泛用于石油、化工、电子仪表、物理、化学、生物工程、医药卫生、生命科学、轻工食品、物性测试及化学分析等研究部门，高等院校，企业质检及生产部门的恒温槽1 4 4 1 可通过软管与其他设备相连，作为恒
10、温源配套使用，或在机内水槽进行恒温实验，常用电阻丝加热、压缩机制冷的方法，辅以P I D 微机自整定精确温度控制方式，将恒温槽的温度稳定在所需要的设定温度上。调查显示，国内生产的恒温槽精度不高，国万方数据外进口的恒温槽虽然精度较高，但是价格昂贵，且由于存在高功率密度的加热( 冷却) 元件，使温度场均匀性难于保证。我们回收利用制冷过程中的冷凝热调节恒温槽循环器内传热液体的温度，可有效减少电加热器的耗电量。采用先进的旋流射流搅拌技术提供稳定、均匀的温度场，加快传热液体升降温度的速度和加长温度稳定的时间，缩短精密控温过程的时间，实现节能的目标。本文设计并介绍了一个既可校核测温装置，也可对外输出恒温液
11、体的热源冷源的制冷热回收式中低温恒温槽循环系统。2 系统设计2 1 设计思想制冷热回收式中低温恒温槽循环系统( 简称循环器) 回收利用制冷过程的冷凝热来调节恒温槽循环器内传热液体的温度，节省加热器的耗电量。循环器内设有旋流射水器，采用射流搅拌的方式，避免了机械搅拌，节省电能，降广低噪声。射水器采用立体射流搅拌，实现垂直方向和水平方向同时进行的立体搅拌，使得恒温槽内水温更均匀，加快传热液体升降温度的速度并加长温度稳定的时间，缩短精密控温过程的时间，实现节能，如图1 所示( 获得发明专利授权) 。循环器采用单片微处理器+ P L C 控制技术、自整定P I D 调节，控温精度高、波动度小。在L a
12、 b V I E W 平台上开发循环器测控系统，实现数据的实时采集、保存以及数据分析等功能。循环器测控系统如图2 所示。制冷热回收式中低温恒温槽循环系统按功能不同分为恒温水循环系统和中低温恒温槽( 简称恒温槽) 两个系统模式，工作温度范围设定为- 3 0 9 0 。C 。恒温水循环系统为环境实验室提供恒定温度的冷源热源。根据维持温度恒定的方法不同，分为三个运行工况，即：利用冷水恒温、利用热水恒温、利用电加热器恒温。中低温恒温槽用于计量环境实验室用热电偶和铂电阻，采用酒精和水为恒温介质，可提供低于或高于0 C 的恒温液体，两个运行工况分别为低温恒温缸* 麟。蛐西P 手动日彘蕈问一回翰罹悄节一晶毛
13、艚M里! 型鲨垫旦坚蔓! 堡望塑塑堡堑塑墨竺堡里里4 乓 a )罾f 诵!L 逝I 望! 堕堑墨墨堕翌堂要里里S t a n d a r d标准工况和中温恒温工况。2 2 系统节能设计2 2 1 循环器系统的节能现有的恒温循环槽是采用风冷式制冷机+ 电加热的结构，如图3 ( a ) 所示，在制冷的时候会向环境排放大量的冷凝热。循环器系统采用水冷却方式回收了这部分冷凝废热，回收的热水用于调节恒温槽内液体温度，节省了电能，如图3 ( b )所示。在循环器中增设射水器，替代常用的机械搅拌，使水温均匀，不仅节省了调温时间和电能，同时也降低了噪声，如图3 ( c ) 所示。2 2 2 恒温水箱温度均匀技
14、术射水器采用立体射流搅拌，实现垂直方向和水平方向同时进行的立体搅拌，使得恒温槽内水温更均匀，加快传热液体升降温度的速度和加长温度稳定的时间。射水器由上下两个环腔和十个与之连接的射水管组成，如图4 所示( 获得实用新型专利授权) 。上下两个环腔连通可以平衡水压，使射水器出液均匀。射水管上开了三组射水孔，三组射水孔非等距布置在射水管上。每组射、Yl恒酬-1IJ 璺! 兰三! ! ! 竺! ! 堂堑垄塑堡! 墨型丝墨竺甑圄L 叫铲备拦-图4 射水器结构示意图3 7主，。、万方数据S t a n d a r d标准检测水孔有两个射水孔，两个射水孔分别布置在射水管两侧，两个射水孔出液方向成1 8 0 。
15、夹角。射水孔出液方向朝下与射水管成3 0 。夹角。射水器采用射流搅拌方式，避免了机械搅拌，节省电能，减低噪声。2 3 结构系统及测控系统设计2 3 1 硬件设计制冷热回收式中低温恒温槽循环系统由压缩机、四通阀、制热盘管、电磁阀、毛细管、制冷盘管l 、制冷盘管2 、辅助换热器、热水箱、恒温水箱、冷水箱、电加热器、射水器、电动调节阀、水泵、手动阀、测控系统等组成，如图l 、2 所示( 获得实用新型专利授权) 。循环器控制系统采用三菱F X 3 u 一8 0 M T 型P L C 及单片机作为控制器，3 8家电科技选用电动流量调节阀、压缩机、风机为执行部件，选用铂电阻为传感设备，控制方法采用P I
16、D算法，是一种数字控制系统，如图5 所示。2 3 2 软件设计应用L a b V I E W 编制测控软件，实现数据的实时采集、存储、处理和分析。主程序由串口设置、数据提取、数据分析处理、数据写入等功能块组成。程序前面板通过t a bc o n t a i n e r 可以方便地实现系统原理f l a s h 展示、实时数据显示、工况切换，如图6 所示。控制程序完成如下功能：( 1 ) 热水温度设定范围2 5 7 0 C ，制冷温度设定范围一3 0 3 0 。C 。( 2 ) 利用温度传感器构成温度闭环系统，通过对恒温水箱水温检测值与人工设定值的比较，采用P I D 控制技术分别调整冷、热水阀
17、的开闭范围，对恒温水箱水温进行自动控制，具有以下4 个运行控制模式( 见图7 ) 。a ) 恒温水的温度调节范围为0 。C 至常温( 广州地区全年平均温度为1 2 2 2 ) 时，利用冷水恒温。开启压缩机，将冷水箱内水降温，加热热水箱内的水。主要由冷水箱向恒温水箱供冷降温，热水箱内热水输出作温度微调节，提高恒温水箱内水温的调节精度，达到目标温度后送往用户使用，从用户侧吸热后回来的水主要靠冷水降温，维持温度恒定。b ) 恒温水的温度调节范围为常温( 广州地区全年平均温度为1 2 2 2 C ) 至热水箱最高出万方数据水温度( 5 0 7 0 C ) 时，利用热水恒温。开启压缩机，将冷水箱内水降温
18、，加热热水箱内的水。主要由热水箱向恒温水箱供热升温，冷水箱内冷水输出作温度微调节，提高恒温水箱内水温的调节精度，达到目标温度后送往用户使用，从用户侧放热降温后回来的水主要靠热水升温，维持温度恒定。c ) 恒温水的温度调节范围为热水箱最高出水温度( 5 0 7 0 。C ) 至9 0 。C 时，利用电加热器恒温。开启压缩机，将冷水箱内水降温，加热热水箱内的水。由热水箱向恒温水箱供热，然后通过电加热器将水温调节到目标温度，冷水箱内冷水输出作温度微调节，提高恒温水箱内水温的调节精度，达到目标温度后送往用户使用。从用户侧放热降温后回来的水主要靠电加热升温，维持温度恒定。d ) 低温工况时，恒温液体温度
19、低于O C ，采用酒精作为恒温介质( 4 0 左右的酒精的冰点为一3 0 ) 。压缩机启动，通过制冷盘管1 冷却恒温水箱内的酒精，当酒精温度接近目标温度时，压缩机停机，利用制冷盘管l 的余热降温，用P I D微机控制压缩机和电加热器的开停，从而实现温度的精准控制( 控制精度为0 1 ) 。3 制冷热回收式中低温恒温槽循环系统制作制冷热回收式中低温恒温槽循环系统样机目前应用在相变蓄能维护结构性能研究实验台。实验台的模拟测试房间主体为一个1 5 m X1 5 m 1 5 m 的建筑模型。按空调单位面积的热负荷估算方法，模拟测试房间需要的热量为2 0 0 2 0 0 0 W 。设定房间温度调节范围为
20、3 0 9 0 ，进入房间的循环水流速为l O L m i n 。根据房间需求，参考空气源热泵热水器选型准则匹配循环器，主要设备见表l 。制作的样机见图8 。系统与一般循环器、恒温恒湿机组比较，在利用热水恒温工况时采用回收冷凝热代替电加热来加热恒温水箱内的水，节省了这个工况区间的电能，在系统运行工况内采用回收冷凝热代替电加热来平衡热负荷，调节恒温，节省了电能。以每个恒定温度供实验用水时间相同为基础，节能S t a n d a r d标准_ 堕L 一塾望“! 旦jtL j 茎多擞= ：。r ：一：。1 i ? 一：j 二7 ，Z ? - i ，、加热盘管制冷盘管电动调节阀电磁阀电加热管四通阀毛细
21、管热水箱冷水箱恒温水箱辅助换热器1自制螺旋盘管不锈钢2自制螺旋盘管不锈钢2Z D L P行程1 6 m m ，可调范围5 0D N l5 P N O6 M P a4D A N F O S S2亚泰龙热控功率1 5 0 W1自制翅片式品牌，篓功能自主发明校核测温元件提供恒温环境L A B O F P 8 9 一M E艾尔斯派，G R D 2 5 D W S校核测温元件提供恒温环境制冷量C 2 0 。C l1 4 2 6 W1 1 0 0 W2 5 0 0 W使l压缩机功率2 5 W6 9 0 W娈广 磊菊r 广j i 丽T j i 丽F r = 数l堡墨变塑竺望! ! !二电加热功率2 5 0
22、W3 0 0 W压缩机有有有加热盘管有有有制冷盘管有有有冷、热水泵有无无电子膨胀阀有有电加热管有有篚竺塑塑互至至三王兰有有无无二土二圭二二王二圭二互岳|一3 0 - 0 C制冷十回收热水制冷。电加热制冷行J0 C 至常温制冷4 - r a 收热水制冷+ 电加热制冷方陌藕甄藉丽丽丽丽卞面丽两丽F 广再丽酾万丁丽r 一：! I 垫查塑墨童堂变墨垦三! 旦! l堕坚垫兰：皇塑垫皇塑垫：型鲨垫墨：皇塑垫节能效率估算6-2CI00 1 0 效率估算见表2 。4 结论将科研成果转化为工程应用技术，采用冷凝热回收，提高系统的整体利用效率，与一般循环器、恒温恒湿机组比较，最大节能率达2 0 。与环境没有热交换
23、，噪声低。采用先进的旋流射流搅拌技术，实现立体搅拌，获得更均匀、更稳定的温度场，温度波动不大于0 1 。C h 。利用温差补偿原理，有效地提高了恒温浴的恒温精度，采用芯片+ P L C 控制技术，自整定P I D 调节，完成快速降温和精密恒温的功能，从而实现对恒温槽的精密自动恒温。采用热回收技术扩展了空气源热泵热水系统的应用领域，为成长型中小微企业、科研院校提高生产实验条件提供有益的探索。X参考文献 1 o e 7 7 2 52 0 0 4 中国2 0 0 4 2 G B1 2 0 2 1 2 - 2 0 0 8 家用电枸薛氍攫限触直及能源效率等级) 中国，2 0 0 8 3 d O 2 1 1 9 9 9 空气冷却器与空气加热器性能试验方法) 中国，1 9 9 9uA B O 觥循珊删 5 陆叶盛超精密装备恒温气浴关键技术研究哈尔滨工业大学硕士学位论文2 0 1 3 6 一种热回收式恒温槽循环设备及其恒温方法 P 中国发明专利：2 0 1 4 1 0 3 7 9 8 2 9 7 7 一种旋流射水器 P 中国：2 0 1 5 2 0 0 9 5 4 2 02 8 水箱以及包括该水箱的热泵热水器和恒温槽循环系统 P 中国：2 0 1 5 2 0 0 9 8 6 3 7 0万方数据
