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节约65%能耗的低温石油分析仪器

编辑:上海博立仪器设备有限公司  时间:2017-03-21

   作者《衷美林》 :高级工程师  毕业于清华大学自动控制专业.分别在航天部七0五所,春兰集团,上海石油仪器厂从事产品开发和技术管理工作(上海博立仪器设备有限公司<上海石油仪器厂>,上海,200331)


   摘  要  压缩机制冷本身功耗小于半导体制冷且无须通冷却水,但是由于为了控温,需要增加大功率加热装置,导致与半导体制冷功耗大致相等。本文介绍了一种节能的压缩机制冷仪器,通过使用电磁阀控制制冷功率,省去了电加热装置,节约了功耗并延长了仪器的使用寿命。


   关键词  节能 压缩机 制冷 石油仪器  石油分析仪器  油品仪器


   众所周知,早期做低温油品分析试验的冷浴,是用把干冰投入酒精的方法来制冷的。这在许多油品试验方法国家标准和行业标准的内容中仍然可以看到。也有个别实验室至今还在使用的。但是如今已没有厂家生产这种仪器了。原因是用这种方法控制冷浴温度既麻烦,又不准确。干冰也不好保存和运输。此外,有些小城市和地处偏僻的实验室无法得到干冰。


   目前大量使用的低温仪器多为半导体制冷和压缩机制冷。前者的优点是无振动、无噪声,并可以通过直接控制制冷电流来控制温度。缺点主要有三方面:一是能耗大,即能效比很低,一般半导体仪器的能效比都在0.5左右,也就是说如果消耗100瓦的输入功率,仅能产生50瓦左右的制冷输出功率。二是必须不停地用自来水对半导体发热端进行冷却,这样会浪费大量的水。三是由于各地水质不同,自来水在冷却循环管路中的时间长了,会结水垢堵塞管路,或其它断水故障造成水冷却失效而烧毁整个半导体制冷块。


   压缩机制冷的优点是能效比高,小功率压缩机制冷系统约为1.0左右,对于大功率压缩机制冷系统,能效比可达到1以上直至3或更高。也就是说消耗100瓦的输入功率,能产生100瓦或更大的制冷输出功率。但目前的压缩机制冷仪器都有一个共同的问题,就是温度控制问题。当冷浴温度下降到试验的设定温度后,必须在这个温度上稳定住。目前使用的方法是用一个恒定的制冷功率对冷浴制冷,同时用一个更大的受温控器控制的加热功率来抵消制冷功率,对温度进行稳定控制。就是说如果制冷功率为100瓦,受温控器控制的加热功率必须大于100瓦,才能抵消并控制住浴温,最终仪器消耗的功率会达到约200瓦。


   那么,能否仅用压缩机的开、停来控制温度呢?这是理论上的设想。实际上是行不通的。理想的情形是当冷浴温度下降到试验的设定温度后,压缩机立即停止运转,制冷立即停止。当温度回升时,压缩机立即启动,制冷系统立即进行制冷。而实际上压缩机启动运转后,还要经过一段时间,制冷系统才能建立起足够的压力差使制冷剂进行制冷。而压缩机停止运转后,制冷实际上并不立即停止,这同样是因为制冷系统已建立起来的压力差并不会立即消失。压缩机停止运转了,制冷系统却仍在制冷。这两个时间差足以使冷浴温度严重失控。另外,压缩机停止运转后,必须等制冷系统的压力差消失了,才能再次启动,否则会出现压缩机电机堵转的情况;另外压缩机启动时的电流是正常运转时的5至10倍,频繁启动会损坏压缩机。等等原因,使设想无法实现。


   在近几年,上海博立仪器设备有限公司的工程师首创了无需使用电加热抵消制冷就可以对冷浴浴温进行精确控制的方法,并获得国家专利。具体的方法是采用直接控制制冷剂流量的方式来精确控制浴温。由于不用大功率电加热设备,仪器能节约50%的能耗。一台可以达到零下80℃的台式四孔倾点(Pour Point)试验器的功耗只有不到500瓦,而一般家中常用的“热得快”的功率就有1000瓦。同时由于压缩机不需要总是处于满负荷的运转状态,压缩机的振动和噪声都很轻微,寿命也得以延长。


   下面结合压缩机机制冷系统的简图作进一步说明:


   上图是通常的压缩机制冷系统,压缩机将气态的制冷剂压缩成高压高温的气体,从压缩机排气口压出,在冷凝器中通过风机强制散热,制冷剂凝成液态。通过节流装置(一般为毛细管或膨胀阀)节流后的制冷剂进入蒸发器。由于蒸发器另一端直接通压缩机的吸气口,处于低压状态,蒸发器中的制冷剂在低压状态下蒸发,吸收大量汽化热,对冷浴进行制冷。为了将浴温稳定在设定的温度上,在冷浴中装有受温控器控制的电加热管,用来抵消制冷功率,一般情况下加热管的功率为制冷功率的1.5倍左右,否则不足以对冷浴的温度进行控制。因此仪器总的功率为制冷功率的2倍左右。


   另外由于冷浴内一般以乙醇(酒精)作为传热介质,一旦温控器发生故障导致加热管不停地加热,如果实验人员没有及时发现,将导致酒精燃烧引发火灾的严重后果。这种情况确实在某实验室发生过,幸好发现较早,及时将火扑灭。


   下图是节约能耗的压缩机制冷系统,与上述系统不同之处在于,进入蒸发器的液态制冷剂的量受电磁阀的控制,而电磁阀受温控器的控制。由于冷浴中蒸发器的制冷功率受到控制,因此无须在冷浴中再安装电加热设备。这样一来,仪器节省功耗和提高安全性的好处就显而易见了。


   另外由于在控温状态,压缩机吸入并进行压缩的制冷剂的量比降温时大为减少,因此压缩机的负荷也大大降低,仪器的振动和噪声明显减弱,已经接近半导体制冷仪器的状况。在实验室的仪器使用中,大量的时间是处于控温状态的。根据实际测量和估算,压缩机的寿命由此可以增加60%以上,而压缩机本身处于控温状态时的功耗约为额定功耗的75%。


   尽管实验室仪器本身的功耗比起大功耗电气设备来微不足道,但是对于一台使用寿命约为十年的柜式倾点仪器,以每天平均工作4小时计,总共至少可以节电10000度。


   以上文章在06年润滑技术学术会上发表.在06年<润滑与摩擦>杂志上发表


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