节能型高精度恒温恒湿试验箱的实验研究

恒温恒湿试验箱属于工艺性空调,用于电子工业、仪器仪表、印刷、邮电、通讯、计算机房等对空气温、湿度精度要求较高的场合。由于目前常规恒温恒湿试验箱是采用制冷系统降温除湿后, 再利用电加热进行再热升温, 因此重复耗能严重, 被认为是高能耗的空调产品。在能源日益短缺的今天, 节能成为恒温恒湿试验箱亟待解决的重大课题。

1、常规恒温恒湿试验箱的工作原理

如图 1 所示, 常规恒温恒湿试验箱的工作原理是: 先通过制冷系统的降温除湿, 将空气处理到低温低湿状态, 再通过电加热器, 提高出风温度, 以实现对室温精确控制的需要; 另外还配有电极或蒸汽加湿器, 进行等温加湿, 以实现对室内相对湿度精确控制的需要。

可见, 为了满足温湿度精确控制的要求, 常规恒温恒湿试验箱必须采用制冷系统将空气进行降温除湿预处理, 达到比送风温度更低的温度和湿度后, 再利用电加热和加湿器进行补偿升温和补偿加湿, 这样, 不但能量重复消耗严重, 而且水资源也有一定程度的流失。

另外, 由于常规恒温恒湿试验箱大都是采用能量不可调节的压缩机,并且控制上采用简单的双位式控制方式, 即通过压缩机、电加热器和加湿器的启停来实现对温湿度的控制。因此, 即使采用大风量小温差、电加热器采用多级调节甚至无级调节等措施, 控制回风型恒温恒湿试验箱一般只能实现回风温度±0.5℃, 回风相对湿度±5%的控制精度; 而控制出风型的恒温恒湿试验箱, 则一般也只能实现出风温度±1℃, 出风相对湿度±10%的控制精度。

因此, 无论是能耗指标还是控制精度, 常规的恒温恒湿试验箱都越来越难以满足社会对节能的要求和高精密工艺性行业对温湿度要求。

2、节能型高精度恒温恒湿试验箱的工作原理

针对目前恒温恒湿试验箱的高能耗低精度的缺陷, 本文提出了一种节能型高精度恒温恒湿试验箱, 其工作原理如图 2 所示。与常规的恒温恒湿试验箱不同的是: 节能型高精度恒温恒湿试验箱采用可进行能量调节的变容量压缩机, 采用风冷再热冷凝器取代电加热器作为再热补偿部件, 并采用冷媒三通比例调节阀作为再热量的调节机构, 增加了一些必要的系统电磁阀和单向阀, 控制上采用 PLC 控制器和 PID 控制方案。

下面对节能型高精度恒温恒湿试验箱所采用的一系列节能技术进行原理性介绍:

(1) 采用可进行能量调节的变容量压缩机目前, 可进行能量调节的变容量压缩机主要有数码涡旋压缩机、变频压缩机、无级调载压缩机等几种类型。节能型高精度恒温恒湿试验箱所设计采用的是谷轮公司的数码涡旋压缩机。

与其他变容量压缩机相比, 数码涡旋压缩机具有更宽广的制冷制热容量调节范围(10%～100%) 、更精确的容量控制和室温控制、更优良的除湿性能、部分负荷时具有更高的能效比、低噪音与低振动、无电磁干扰、极佳的回油特性、系统简单可靠等技术特点, 是目前技术水平最高的变容量压缩机。

(2) 采用风冷再热冷凝器取代电加热器制冷系统的冷凝器会放出大量的冷凝热, 通常这些冷凝热量将作为废热排放到外界。而采用风冷冷凝器作为再热部件, 就可以回收制冷系统排放的冷凝热量, 对空气进行补偿升温, 从而无需消耗额外的加热能量。这是一种非常节能的热回收方案, 目前在除湿机上应用较多, 但由于对温度的控制精度差, 在恒温恒湿试验箱上一直难以得到应用。

(3) 采用冷媒三通比例调节阀调节再热量由于冷凝热量为制冷量和压缩机输入功率的总和, 对于一般空调器来说, 如果全部回收冷凝热, 可以使空气温度升高 10～20℃, 而恒温恒湿试验箱经其制冷系统降温处理后的空气温度一般为 10～15℃, 如果再经风冷再热冷凝器补偿升温, 空气出风温度可达 20～30℃。这样, 如果采用并联连接的风冷再热冷凝器与水冷冷凝器双位切换温控方式, 必然存在着温控精度差的

问题, 并进而影响湿度的控制。因此, 如果恒温恒湿试验箱配风冷再热冷凝器, 必须对冷凝热的回收量进行控制和调配。

采用冷媒三通比例调节阀, 则可以实现制冷剂流量在并联连接的风冷再热冷凝器与水冷冷凝器两个支路之间的0～100%的比例分配,从而实现对流经风冷再热冷凝器的制冷剂流量亦即再热量的精确控制, 使得采用风冷再热冷凝器取代电加热器的节能方案应用于恒温恒湿试验箱成为可能。

(4) 采用 PLC 控制器和 PID 控制方案 应用 PLC 控制器, 采用露点控制法, 并以湿度优先控制为原则, 通过数码涡旋压缩机的无级加载和卸载, 对出风露点温度进行精确控制。数码涡旋压缩机不停机卸载的运行特性可以大幅度地减少压缩机启停次数, 而且, 在部分工况下, 湿度可以得到精确控制, 加湿器运行时间减少, 系统更节能。应用 PID 控制方案, 通过冷媒三通比例调节阀对流经风冷再热冷凝器制冷剂流量的精确调配, 实现对出风温度的精确控制。

综上所述, 采用一系列的先进节能技术的新型恒温恒湿试验箱, 理论上应该实现节能和精确控制温湿度的目标。

3、节能型高精度恒温恒湿试验箱的实验研究

采用申菱公司的常规水冷恒温恒湿试验箱 H14 为研究对象, 改造为如图 2 所示系统的节能型高精度恒温恒湿试验箱 JH14, 机组的设计参数如下表 1:

(1) 名义制冷工况测试在保持室内侧空气进口状态干球/湿球温度 23℃/17℃,冷却水进水/出水温度 30℃/35℃,常规恒温恒湿试验箱H14 不开启电加热器和加湿器、节能型恒温恒湿试验箱 JH14 的冷媒三通比例调节阀的风冷再热冷凝器侧开度设定为 0%的情况下, 进行压缩机满载运行的名义制冷工况测试, 测试结果如上表 2 所示。

可见, 在压缩机满载运行状态下, 且不进行加热加湿时, 节能型JH14 恒温恒湿试验箱和常规 H14 恒温恒湿试验箱相比, 制冷量稍大, 但功率也有所增大, 能效比却稍低, 总体来说相差不大, 说明在满载运行状态下, 数码涡旋压缩机和普通涡旋压缩机相比并无优势。

(2)调温调湿性能测试在保持室内侧空气进口状态干球/湿球温度 23℃/17℃,冷却水进水/出水温度 30℃/35℃,设定 30～80%的不同出风相对湿度情况下, 以每 1℃为温度设定步长, 进行 15～30℃的调温性能测试。由于出风温度、相对湿度和功率存在不同程度的波动, 因此,每个测试工况的出风温度、相对湿度和功率的数据采集, 除了记录机组运行稳定 20 分钟内的平均值外, 还按最高值和最低值各采集 1 点,以检测出风温湿度的控制精度和功率的波动范围。

图 3 为 H14 和 JH14 的机组的功率波动和平均消耗功率与设定出风温度的关系曲线, 可见, 与常规恒温恒湿试验箱 H14 相比, 虽然节能型恒温恒湿试验箱 JH14 因其数码涡旋压缩机在部分负荷时的周期性加卸载的运行特性造成功率有较大的波动, 但从整体来看, 由于数码压缩机可卸载运行和采用了冷凝热回收技术, 因此, 在所有测试工况下都有更好的节能表现, 尤其是高温低湿出风工况, 节能型恒温恒湿试验箱JH14 的节能优势明显。

图 4～7 为实际出风温湿度与设定出风温湿度的关系曲线和偏差曲线, 可见, 与常规恒温恒湿试验箱 H14 出风温度±1.5℃, 出风相对湿度±10%的控制精度相比, 节能型恒温恒湿试验箱 JH14 的出风温湿度波动更小, 无论是在温度还是湿度的控制上, 都具有更高的精度, 基本可以实现温度精度±0.5℃, 湿度精度±5%的高精度控制。这表明采用冷媒三通比例调节阀控制冷凝再热量和 PID 控制方案是提高机组的温湿度控制精度的有效手段。

4、结论

结合数码涡旋压缩机、冷凝热回收技术、冷媒三通比例调节阀、PID 控制方案等先进的节能技术及控制方案, 研制出一种节能型高精度恒温恒湿试验箱。通过对我司普通恒温恒湿试验箱 H14 和经改进的节能型高精度恒温恒湿试验箱样机 JH14 的实验研究和对比, 证明了这种新型的恒温恒湿试验箱, 虽然在满载运行的工况下与常规恒温恒湿试验箱相比并无优势, 但在变工况的运行时, 有更好的节能效果, 尤其是高温低湿出风工况, 其节能优势更为明显; 而且, 这种新型的恒温恒湿试验箱无论是在温度还是湿度的控制上, 都具有更高的精度。