CN110006118A - 一种大型综合气候实验室空气处理系统 - Google Patents

Abstract

本申请属于气候环境适应性分析与试验技术领域领域，特别涉及一种大型综合气候实验室空气处理系统，包括：全温度双通道空气处理机组，包括两个独立且相同的通道，每个通道内串联布置有变频离心风机、结霜换热器、中温换热器以及低温换热器；转轮除湿机，用于对流入通道内的空气进行除湿；融霜吹扫机组，用于使得室外空气依次通过结霜换热器、中温换热器以及低温换热器，以对换热器进行融霜；载冷剂子系统，用于将液态载冷剂进行冷却或加热后输送至所述结霜换热器、中温换热器以及低温换热器。本申请的大型综合气候实验室空气处理系统能够节省空间和投资成本，冗余度和可靠性高，并且配置灵活、控制精度高。

Description

一种大型综合气候实验室空气处理系统

技术领域

本申请属于气候环境适应性分析与试验技术领域领域，特别涉及一种大型综合气候实验室空气处理系统。

背景技术

大型综合气候实验室可模拟极端低温、高温、湿热、降雪、太阳辐照、积冰冻雨、淋雨、冻雾等地球表面的气候环境，其尺寸可满足大型设备或整机的气候试验需求。对于模拟的气候环境，温度和湿度是最基本的环境因素，对温度和湿度进行调节的空气处理系统是实验室环境模拟的核心之一。

美国空军1947年5月在佛罗里达州格林空军基地建成了目前世界上最大最先进的麦金利气候实验室，其主环境室有效尺寸为宽76.2m，深61m，中间高度22.8m，附加一个18.3m×26.0m的小环境室用于容纳超大型飞机如C-5飞机的尾部，可实现实验室温度-55℃～+74℃和湿度10％～95％(2℃～+74℃)。实验室的空气处理系统非常庞大，该系统有8个回风通道，其中6个冷回通道，2个热风通道，每个通道内配置一台离心风机和一台换热器，单台风机风量为37m3/s，换热器种类为：冷风通道为R22制冷剂蒸发器，热风通道为蒸汽加热器。配有三台大型天然气锅炉，每小时可产生11.4t的蒸汽用于空气加湿或加湿，除湿则采用降低蒸发器表面温度以降低露点温度的方式除湿。处理好的空气进入总的通风道，并通过布置在实验室天花板中的管道和24个散流器返回到实验室中，调节室内温度。由于建设年代久远且经过多次升级，实验室集成度不高，空气处理系统占地面积是环境室面积的近2倍。实验室采用制冷剂直接蒸发冷却空气，相应需要复杂的制冷剂管道和大量制冷剂，超低温下R22在蒸发压力非常低造成制冷系统负压运行，影响安全，2017年6月空调系统发生爆炸事故。

韩国ADD综合气候实验室2008年2月启用，实验室面积比麦金利实验室主环境室的1/4还小，环境室的尺寸为宽32m，深42m，高15m，实验室温度-54℃～+54℃，湿度10％RH～100％RH(20℃～54℃)。该实验室空气处理系统采用载冷剂间接制冷的方式冷却空气，载冷剂为HC-30，采用蒸汽换热器对空气加热及蒸汽加湿器对空气加湿，另采用转轮除湿机组对空气除湿，送风方式采用集中式送风，气流组织不可分区控制。

国内汽车、兵器、高铁、电力等行业建立了一些气候实验室，但规模都不大，体积很少超过1000m3，且都不是复杂综合环境实验室，空气处理系统设计、安装和操作较简单。

空气处理系统是大型综合气候实验室环境模拟系统的核心之一，其应满足各种气候试验工况下的温度和湿度调节要求，并应具备良好的可控性、可靠性、安全性和可维护性，并且投资小、占用建设空间少。而国内未建设过大型综合气候实验室，缺乏该方面的设计和建设经验，照搬国外现有的技术方案会导致投资成本巨大且风险不可预估。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种大型综合气候实验室空气处理系统。

本申请公开了一种大型综合气候实验室空气处理系统，包括：

全温度双通道空气处理机组，所述全温度双通道空气处理机组包括保温箱体，所述保温箱体内包括两个独立且相同的通道，每个通道内串联布置有变频离心风机、结霜换热器、中温换热器以及低温换热器，其中，室内空气经每个通道内的所述变频离心风机驱动，依次经过结霜换热器、中温换热器以及低温换热器进行冷却或加热后，再送入室内，从而对室内空气温度进行调节；

转轮除湿机，所述转轮除湿机设置在所述全温度双通道空气处理机组的通道入口处，用于对流入通道内的空气进行除湿；

融霜吹扫机组，所述融霜吹扫机组包括轴流风机，通过风管与所述全温度双通道空气处理机组连接，用于使得室外空气依次通过结霜换热器、中温换热器以及低温换热器，以对换热器进行融霜；

载冷剂子系统，所述载冷剂子系统用于将液态载冷剂进行冷却或加热后输送至所述结霜换热器、中温换热器以及低温换热器。

根据本申请的至少一个实施方式，所述的大型综合气候实验室空气处理系统还包括：

载冷剂辅助子系统，所述载冷剂辅助子系统与所述载冷剂子系统连接，用于对所述结霜换热器、中温换热器以及低温换热器中的液态载冷剂进行排空或充注，或对所述结霜换热器、中温换热器以及低温换热器进行融霜处理。

根据本申请的至少一个实施方式，所述载冷剂子系统包括：

中温载冷剂子系统，所述中温载冷剂子系统将中温液态载冷剂进行冷却或加热后输送至所述结霜换热器以及中温换热器，其中，所述中温液态载冷剂用于-25℃～+74℃试验温度；

低温载冷剂子系统，所述低温载冷剂子系统将低温液态载冷剂进行冷却或加热后输送至所述低温换热器，其中，所述低温液态载冷剂用于-55℃～-25℃试验温度。

根据本申请的至少一个实施方式，所述中温载冷剂子系统包括：

中温一次循环系统，所述中温一次循环系统用于驱动中温液态载冷剂经过冷源冷却或热源加热，其中，所述冷源为中温蒸发器和/或冷却水板换，热源为蒸汽加热板换；

中温二次循环系统，所述中温二次循环系统用于将所述中温一次循环系统中冷却或加热后的中温液态载冷剂输送至所述结霜换热器以及中温换热器，还用于对输送至所述结霜换热器以及中温换热器的中温液态载冷剂的流量及温度进行调节，以及在所述中温一次循环系统停机时，通过管道电加热器对所述结霜换热器以及中温换热器的中温液态载冷剂进行加热；其中

所述载冷剂辅助子系统包括中温载冷剂辅助子系统，所述中温载冷剂辅助子系统连接所述中温一次循环系统以及所述结霜换热器和中温换热器，实现所述结霜换热器和中温换热器的排空、充注、融霜，以及在所述中温二次循环系统故障时作为中温备用二次循环系统。

根据本申请的至少一个实施方式，中温一次循环系统中设有旁路及循环泵，通过调节循环泵的频率和开启数量，以调节进入冷源或热源的载冷剂流量。

根据本申请的至少一个实施方式，中温二次循环系统设有旁路及循环泵，通过调节循环泵的频率和开启数量，以调节进入结霜换热器以及中温换热器的载冷剂流量，以及联动调节旁路上的旁通阀和中温二次循环系统主路上的回液阀，从而以混温方式调节进入结霜换热器以及中温换热器的载冷剂温度。

根据本申请的至少一个实施方式，所述的大型综合气候实验室空气处理系统还包括：

中温管道定压装置，所述中温管道定压装置包括储液罐，所述储液罐与所述中温一次循环系统接通，通过向所述储液罐充注或排出氮气实现向所述中温一次循环系统充液或排液，以维持管道内压力。

根据本申请的至少一个实施方式，所述低温载冷剂子系统包括：

低温一次循环系统，所述低温一次循环系统用于驱动低温液态载冷剂经过冷源冷却，其中，所述冷源为低温蒸发器和/或中温蒸发器；

低温二次循环系统，所述低温二次循环系统用于将所述低温一次循环系统中冷却后的低温液态载冷剂输送至所述低温换热器，还用于对输送至所述低温换热器的低温液态载冷剂的流量及温度进行调节，以及在所述低温一次循环系统停机时，通过管道电加热器对所述低温换热器的低温液态载冷剂进行加热；其中

所述载冷剂辅助子系统包括低温载冷剂辅助子系统，所述低温载冷剂辅助子系统连接所述低温一次循环系统以及所述低温换热器，实现所述低温换热器的排空、充注、融霜，以及在所述低温二次循环系统故障时作为低温备用二次循环系统。

根据本申请的至少一个实施方式，低温一次循环系统中设有旁路及循环泵，通过调节循环泵的频率和开启数量，以调节进入冷源或热源的载冷剂流量。

根据本申请的至少一个实施方式，低温二次循环系统设有旁路及循环泵，通过调节循环泵的频率和开启数量，以调节进入低温换热器的载冷剂流量，以及联动调节旁路上的旁通阀和低温二次循环系统主路上的回液阀，从而以混温方式调节进入低温换热器的载冷剂温度。

根据本申请的至少一个实施方式，所述的大型综合气候实验室空气处理系统还包括：

低温管道定压装置，所述低温管道定压装置包括储液罐，所述储液罐与所述低温一次循环系统接通，通过将低温一次循环系统中的低温载冷剂抽到储液罐或将储液罐中的低温载冷剂抽到低温一次循环系统，以维持管道内压力。

根据本申请的至少一个实施方式，所述的大型综合气候实验室空气处理系统还包括：

积液包，在高于所述结霜换热器、中温换热器以及低温换热器的位置以及低于所述结霜换热器、中温换热器以及低温换热器的位置均安装有所述积液包，所述积液包内部上端装有液位开关，用于指示所述结霜换热器、中温换热器以及低温换热器的充注完成或排空完成。

根据本申请的至少一个实施方式，所述的大型综合气候实验室空气处理系统还包括：

干蒸汽加湿器，所述干蒸汽加湿器设置在所述全温度双通道空气处理机组的两个通道出口汇合处的总送风管内，用于将空气加湿后送入室内。

根据本申请的至少一个实施方式，所述融霜吹扫机组通过风管分别与所述全温度双通道空气处理机组的两个通道连接，能够分别对单个通道中的结霜换热器、中温换热器以及低温换热器进行融霜。

根据本申请的至少一个实施方式，所述结霜换热器为变翅片间距结构翅片管式换热器，从迎风面至背风面翅片间距依次为24mm、12mm和6mm。

根据本申请的至少一个实施方式，所述保温箱体采用200mm厚PIR聚氨酯保温板制作。

根据本申请的至少一个实施方式，所述中温液态载冷剂包括HC-40或LM-8；所述低温液态载冷剂包括二氯甲烷。

本申请至少存在以下有益技术效果：

本申请的大型综合气候实验室空气处理系统至少具备如下有益效果：

1、节省空间和投资成本，冗余度和可靠性高：比常规设计减小了50％的建设空间且可应对复杂工况；双通道的设计保证了一个通道故障或停机时，机组仍具有工作能力；

2、配置灵活：全温度双通道空气处理机组可根据实验室大小和功能灵活配置，并可独立运行和控制，对实验室气流组织分区调节，使温度场、湿度场、速度场满足不同环境试验要求；

3、控制精度高，安全环保：采用液态载冷剂作为冷源/热源和空气之间的中间媒介，实现冷量/热量长距离输送和分配，避免使用大量制冷剂或蒸汽，将制冷系统和蒸汽系统限制在安全区域，降低系统安全风险。

附图说明

图1是本申请大型综合气候实验室空气处理系统总体结构示意图；

图2是本申请大型综合气候实验室空气处理系统各结构示意图中部分部件的注释图；

图3是本申请大型综合气候实验室空气处理系统中的中温载冷剂管道定压装置结构示意图；

图4是本申请大型综合气候实验室空气处理系统中的低温载冷剂管道定压装置结构示意图；

图5是本申请大型综合气候实验室空气处理系统中的载冷剂辅助子系统结构示意图；

图6是中载冷剂辅助子系统结构进行排空操作时的结构示意图；

图7是中载冷剂辅助子系统结构进行充注操作及作为备用二次循环系统时的结构示意图；

图8是中载冷剂辅助子系统结构进行融霜操作时的结构示意图；

图9是低载冷剂辅助子系统结构进行排空操作时的结构示意图；

图10是低载冷剂辅助子系统结构进行充注操作及作为备用二次循环系统时的结构示意图；

图11是低载冷剂辅助子系统结构进行融霜操作时的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1-图11对本申请的大型综合气候实验室空气处理系统做进一步详细说明。

本申请公开了一种大型综合气候实验室空气处理系统，可以包括全温度双通道空气处理机组、转轮除湿机、融霜吹扫机组、载冷剂子系统和载冷剂辅助子系统。

其中，全温度双通道空气处理机组优选采用200mm厚PIR聚氨酯保温板制作保温箱体，箱体内包括两个独立且相同的通道，每个通道内串联布置变频离心风机、结霜换热器、中温换热器、低温换热器；另外，通道中还可以安装有相应的主风阀、吹扫风阀，参见附图1和图5中F1～F8(其中，F1～F4位于一个通道中，F5～F8位于另一个通道中)。室内空气经变频离心风机驱动，依次经过三个换热器(即结霜换热器、中温换热器以及低温换热器)进行冷却或加热后，再送入室内，对室内空气温度进行调节。另外，全温度双通道空气处理机组的数量可根据实验室的大小和功能灵活配置。

进一步地，本实施例中，优选结霜换热器为变翅片间距结构翅片管式换热器，从迎风面至背风面翅片间距依次为24mm、12mm和6mm，用于对来流低温高湿气流预除湿，以降低后续中温换热器和低温换热器结霜速率，保证换热能力。

进一步地，转轮除湿机用于设置在全温度双通道空气处理机组的通道入口处，用于对流入通道内(即流入室内)的空气进行除湿并保持室内压力高于外界。其中，转轮除湿机入口处可接入室内或室外空气；室内空气经过转轮除湿机露点温度降低至-40℃，然后低露点空气进入全温度双通道空气处理机组与回风混合，用于对室内空气除湿；室外空气经旁路进入转轮除湿机一并经过除湿后进入全温度双通道空气处理机组，用于保持室内压力相对外界始终保持15Pa～25Pa的微正压，防止室外空气泄漏进室内，影响试验环境。

进一步地，还可以在两个通道出口汇合处的总送风管内布置至少一台干蒸汽加湿器，从而将空气加湿后送入室内，对室内空气进行加湿，干蒸汽加湿器与转轮除湿机联合运行对室内空气湿度进行调节。

融霜吹扫机组可以包括一台轴流风机、风管，与全温度双通道空气处理机组通过风管连接，将室外空气送入结霜换热器的前面，使得空气依次经过三个换热器后排出空气处理机组，配合载冷剂辅助子系统对换热器融霜。进一步地，本实施例中优选融霜吹扫机组通过风管分别与全温度双通道空气处理机组的两个通道连接，能够分别对单个通道中的结霜换热器、中温换热器以及低温换热器进行融霜。

对于换热器融霜功能，是通过监测全温度双通道空气处理机组换热器前后静压差的增量，判断结霜情况，增量大于300Pa时进行融霜，可对单个通道中的换热器进行融霜而另一个通道继续工作。需要融霜时，关闭对应通道的循环风机和换热器前后主风阀，断开换热器的二次循环，并将换热器与载冷剂辅助子系统连接构成融霜循环，打开载冷剂辅助子系统中的蒸汽加热板换，将载冷剂加热并送入换热器进行融霜，控制载冷剂温度不高于35℃。同时打开对应通道吹扫风阀，启动融霜吹扫风机对换热器进行吹扫，直到换热器彻底干燥，融霜时间30min。

载冷剂子系统采用液态载冷剂作为冷量/热量输送介质，实现冷量/热量远距离输送和分配。为覆盖-55℃～+74℃的试验温度环境，采用两种载冷剂并配置两套载冷剂子系统，分别为中温载冷剂子系统和低温载冷剂子系统；其中中温载冷剂子系统采用中温液态载冷剂，如HC-40，LM-8等，用于-25℃～+74℃试验温度；低温载冷剂子系统采用低温液态载冷剂，如二氯甲烷(CH2CL2)等，用于-55℃～-25℃试验温度。并且，中温载冷剂子系统和低温载冷剂子系统均包括一次循环系统和二次循环系统。

其中，中温一次循环系统用于驱动中温液态载冷剂经过冷源冷却或热源加热，其中，冷源为中温蒸发器和/或冷却水板换，热源为蒸汽加热板换；需要说明的是，中温一次循环系统可以由管道、循环泵以及各种阀门构成，但各部件的连接方式并不唯一，如图1所示，本实施例中，中温一次循环系统可以包括变频循环泵、过滤器、软接、冷源(蒸发器、冷却水板换)、热源(蒸汽加热板换)、手动阀、气动调节阀、止回阀、不锈钢管道、定压装置及流量计、温度传感器以及压力传感器等。中温一次循环系统驱动载冷剂经过冷源冷却或热源加热后，输送至二次循环。进一步地，中温一次循环系统中可以设有旁通，可通过调节循环泵的频率和开启数量，保证进入冷源或热源的载冷剂流量恒定。

其中，中温二次循环系统用于将中温一次循环系统中冷却或加热后的中温液态载冷剂输送至所述结霜换热器以及中温换热器，还用于对输送至结霜换热器以及中温换热器的中温液态载冷剂的流量及温度进行调节，以及在中温一次循环系统停机时，通过管道电加热器对所述结霜换热器以及中温换热器的中温液态载冷剂进行加热。

同样地，本实施例中，优选中温二次循环系统可以包括变频循环泵、过滤器、软接、管道电加热器、手动阀、气动调节阀、止回阀；中温二次循环系统从中温一次循环系统中取液并送入全温度双通道空气处理机组中的结霜换热器以及中温换热器；另外，二次循环同样可以设置旁路及旁通阀，通过调节循环泵的频率，实现进入结霜换热器以及中温换热器的载冷剂流量恒定，联动调节旁通阀和主路上的回液阀，通过混温方式调节进入结霜换热器以及中温换热器的载冷剂温度，从而起到精确控制空气温度的作用。进一步地，当需要从低温回到常温时，因蒸汽与载冷剂温差过大，不易采用一次循环中的蒸汽板换进行回温，此时开启管道电加热器进行回温并且二次循环全旁通运行、一次循环停机。

进一步地，低温载冷剂子系统的低温一次循环系统和低温二次循环系统与上述中温载冷剂子系统中的中温一次循环系统和中温二次循环系统结构类似，不同之处在于，低温一次循环系统只用于驱动低温液态载冷剂经过冷源冷却，其中，冷源为低温蒸发器和/或中温蒸发器；低温二次循环系统用于将低温一次循环系统中冷却后的低温液态载冷剂输送至低温换热器，还用于对输送至低温换热器的低温液态载冷剂的流量及温度进行调节，以及在低温一次循环系统停机时，通过管道电加热器对低温换热器的低温液态载冷剂进行加热。

进一步地，本申请的大型综合气候实验室空气处理系统还可以包括定压装置，具体地可以包括中温管道定压装置和低温管道定压装置，用于消除热胀冷缩等导致的管道压力变化，维持管道压力在设定范围内。

如图3所示，中温管道定压装置可以包括储液罐、手动阀门、气动调节阀、电磁开关阀、安全阀、氮气管道、压力传感器以及液位计，中温管道定压装置与中温一次循环系统接通，通过向储液罐充注或排出氮气实现向中温一次循环系统充液或排液，维持管道内压力。

如图4所示，低温管道定压装置可以包括储液罐、手动阀、气动调节阀、安全阀、屏蔽泵、软接、压力传感器以及液位计，低温管道定压装置与低温一次循环系统接通，通过气动调节阀和屏蔽泵的开启，将低温一次循环系统中的低温载冷剂抽到储液罐或将储液罐中的低温液态载冷剂抽到低温一次循环系统，维持管道内压力，储液罐中的低温液态载冷剂因压力变化而汽化或液化。

进一步地，本申请的大型综合气候实验室空气处理系统还可以载冷剂辅助子系统，其与载冷剂子系统连接，用于对结霜换热器、中温换热器以及低温换热器中的液态载冷剂进行排空或充注，或对结霜换热器、中温换热器以及低温换热器进行融霜处理。具体地，可以包括中温载冷剂辅助子系统和低温载冷剂辅助子系统。

如图5所示，中温载冷剂辅助子系统可以包括循环泵、软接、蒸汽加热板换、手动阀、气动调节阀、电磁开关阀、积液包、氮气管道及温度传感器，该子系统连接中温一次循环系统和结霜换热器、中温换热器，实现结霜换热器和中温换热器的排空、充注、融霜，以及在中温二次循环系统故障时作为中温备用二次循环系统。

同样地，如图5所示，低温载冷剂辅助子系统可以包括屏蔽泵、软接、蒸汽加热板换、手动阀、气动调节阀、电磁开关阀、积液包及温度传感器，该子系统连接低温一次循环系统和低温换热器，实现低温换热器排空、充注、融霜，以及在低温二次循环系统故障时作为低温备用二次循环系统。

其中，积液包为圆柱形结构，内部上端装有液位开关，在略高于三个换热器和略低于三个换热器高度位置均有安装，分别称为高位积液包和低位积液包，用于指示换热器充注完成或排空完成。

需要说明的是，换热器排空，是在来流空气温度较低接近载冷剂的适用温度下限或上限时，通过载冷剂辅助子系统将换热器载冷剂抽出至一次循环，保证系统安全。换热器充注，是在来流空气温度接近载冷剂的适用温度时，通过载冷剂辅助子系统将一次循环中的载冷剂重新抽回换热器中。

综上所述，本申请的大型综合气候实验室空气处理系统至少包括如下优点：

1、节省空间和投资成本，冗余度和可靠性高：全温度双通道空气处理机组包括两个独立且相同的通道，每个通道内布置有循环风机、结霜换热器、中高温换热器、低温换热器，其中高温换热器实现室内-25℃～+74℃环境，低温换热器实现室内-55℃～-25℃，两台换热器组合工作可用于低温大负荷环境(如-25℃降雪)，比常规设计减小了50％的建设空间且可应对复杂工况。变片距结霜换热器对来流进行预除湿，降低低温高湿环境下主换热器的结霜速率。双通道的设计保证了一个通道故障或停机时，机组仍具有工作能力。两个通道共用一套干蒸汽加湿器，与转轮除湿机协同运行实现环境室湿度环境。

2、配置灵活：全温度双通道空气处理机组可根据实验室大小和功能灵活配置，并可独立运行和控制，对实验室气流组织分区调节，使温度场、湿度场、速度场满足不同环境试验要求。

3、控制精度高，安全环保：采用液态载冷剂作为冷源/热源和空气之间的中间媒介，实现冷量/热量长距离输送和分配，避免使用大量制冷剂或蒸汽，将制冷系统和蒸汽系统限制在安全区域，降低系统安全风险。载冷剂系统子系统包括一次循环和二次循环，一次循环可对接多种冷源或热源(如蒸汽、冷却水、制冷蒸发器等，根据需求灵活配置)，二次循环连接一次循环和空气处理换热器对空气进行加热或降温。一次循环和二次循环均为流量可控设计，消除流量变化对温度控制的影响，其中一次循环可缓冲冷源\热源温度的变化，降低对冷源/热源的控制要求，二次循环通过混温阀解决精确控温难题。根据试验温度范围和空气换热器配置，配套两种不同适用温度的载冷剂。

4、运行平稳，安全可靠：为解决空气处理机组串联布置的换热器内载冷剂的温度适应性和换热器结霜问题，设计研发载冷剂辅助系统，该系统集换热器充注、排空、融霜及备用二次循环功能为一体，是保证空气处理系统安全和正常运行的重要部分。

进一步地，根据试验温度范围和载冷剂的适用温度范围，本申请的大型综合气候实验室空气处理系统的工作模式主要有三种：中温液态载冷剂投入使用，低温液态载冷剂投入使用，中温和低温液态载冷剂同时使用，下面对三种模式分别阐述。

第一模式：中温载冷剂子系统投入使用

当试验工况在中温液态载冷剂的适用温度范围内时，中温液态载冷剂子系统投入使用。具体的实施过程如下：

(一)正常情况下，中温一次循环系统的所有手动阀门(参见图1中111A～111M)处于打开状态，根据试验工况选择冷源或热源，如图1所示：

1、从常温降低至最低-25℃，选择中温蒸发器Ⅰ并开启气动调节阀门112C，中温蒸发器Ⅰ最低可将中温载冷剂降温至-40℃；

2、从常温升温至最高+74℃，选择蒸汽加热板换并开启气动调节阀门112B，蒸汽加热板换最高可将中温载冷剂加热至90℃；

3、从高温回温至常温环境，首先选择冷却水板换并开启气动调节阀门112A，利用冷却水降温至合适的中间温度，再选择中温蒸发器并开启气动调节阀门112C用中温蒸发器进一步降温，中间温度取决于冷却水的温度与室内温差，这样利于节能。

(二)开启中温一次循环泵，监测一次循环流量计117A，根据反馈值调节泵的频率或泵的开启数量，以使一次循环流量达到规定值；

(三)监测一次循环压力传感器116A，根据反馈值中温管道定压装置自动运行，如图3所示：

1、正常情况下，手动阀门111O、111P、111Q处于打开状态，手动阀门111N、111R处于关闭状态；

2、若压力传感器116A低于设定值下限，说明系统压力过低，此时依次打开电磁开关阀113A、气动调节阀112D，向储液罐内充高压氮并将罐内载冷剂充至中温一次循环系统，以提高系统压力，压力达到设定值时依次关闭电磁开关阀113A和气动调节阀112D；

3、若压力传感器116A高于设定值上限，说明系统压力过高，此时依次打开电磁开关阀113B、气动调节阀112D，排出储液罐中的氮气的同时，中温一次循环系统中的载冷剂进入储液罐，以降低系统压力，压力达到设定值时依次关闭电磁开关阀113A和气动调节阀112D。

(四)中温一次循环系统可驳接多个中温二次循环系统及全温度双通道空气处理机组，中温一次循环系统设有旁通可保证进入冷源或热源的载冷剂流量恒定，消除流量波动对温度控制的影响；

(五)中温一次循环系统启动后，开启中温二次循环系统及其对应的全温度双通道空气处理机组，中温二次循环系统开启步骤为：

1、正常情况下，中温二次循环系统所有手动阀门(参见图1中121A～121D)为开启状态；

2、开启气动调节阀122C、122D，结霜换热器HX1、HX4和中温换热器HX2、HX5投入使用；

3、开启二次循环泵，启动二次循环，并根据流量计127A反馈值调整运行频率，以保证流量在规定值；

4、气动调节阀(旁通阀)122B和气动调节阀(回液阀)122A联动调节构成混温阀，调节从中温一次循环系统取液量的同时保证进入换热器的流量恒定，以混温的方式实现对空气温度的精确调节。

5、从低温回到常温时，因蒸汽与载冷剂温差过大，不易采用一次循环中的蒸汽板换进行回温，此时开启管道电加热器进行回温并且二次循环全旁通运行、一次循环停机。

(六)全温度双通道空气处理机组的开启步骤为：

1、开启风阀F1、F2、F3、F4；

2、开启离心风机，驱动室内空气经过三个换热器换热后再进入室内；

3、若需对室内进行加湿，开启干蒸汽加湿器。

(七)启动转轮除湿机，根据试验工况，选择转轮除湿机的工作模式：

1、0℃以上除湿模式，室内空气温度高于0℃而需要除湿时，将室内空气经过转轮除湿后送入全温度双通道空气处理机组进一步温度处理，转转除湿机出风露点温度最低达-40℃，同时还抽取一部分室外空气经除湿后一并送入室内，以维持室内压力高于外界15Pa～25Pa；

2、0℃以下除湿模式，进行0℃以下试验之前，对室内进行除湿，使室内空气露点温度降至换热器表面温度以下，最低至-40℃，防止换热器低温下结霜，同时仍然维持室内压力高于外界15Pa～25Pa；

3、维持微正压模式，没有除湿需求时，转轮除湿机完全从室外取气，维持室内压力高于外界15Pa～25Pa。

(八)中温载冷剂辅助子系统保证系统运行安全和可靠性，如图5所示，其工作模式及具体实施过程为：

1、结霜换热器、中温换热器排空，当实验室温度或回风温度接近中温载冷剂适用温度下限时，将结霜换热器、中温换热器中的载冷剂排出，如图6所示：

1)正常情况下，手动阀门121E、121F处于打开状态；

2)关闭中温二次循环泵，关闭气动调节阀122C、122D，打开电磁开关阀123A、123B、123C、123D，将结霜换热器和中温换热器连接至中温载冷剂辅助子系统；

3)打开气动调节阀122F、122H，打开中温辅助循环泵；

4)打开电磁开关阀123E，向换热器中充注氮气，以便将中温载冷剂抽出并送入中温一次循环系统的管道；

5)随着换热器中的液位下降，最终低于积液包12A、12B中液位开关的位置，触发液位信号，以积液包12A为例，触发其液位开关时，关闭电磁开关阀123A、123B，结霜换热器HX1、中温换热器HX2排空完成；

6)所有换热器排空后，关闭电磁开关阀123E、中温辅助循环泵，排空完毕；

7)由排空引起的系统压力上升由中温管道定压装置自动调节至设定压力。

2、结霜换热器、中温换热器充注，当实验室温度或回风温度回到中温载冷剂适用温度范围内时，将结霜换热器、中温换热器中重新充满载冷剂，如图7所示：

1)充注之前，手动阀门121E、121F处于打开状态，气动调节阀122C、122D处于关闭状态；

2)打开电磁开关阀123A、123B、123C、123D，将结霜换热器和中温换热器连接至中温载冷剂辅助子系统；

3)打开气动调节阀122I、122G，打开中温辅助循环泵；

4)打开电磁开关阀123F，将氮气排出，以便将中温载冷剂重新充入换热器；

5)随着换热器液位升高，最终将触发高位积液包12C中的液位开关，触发液位开关时，关闭电磁开关阀123F、123A、123B、123C、123D，关阀中温循环泵，充注完毕；

6)打开气动调节阀122C、122D，换热器重新接入中温二次循环，恢复正常运行功能；

7)由排空引起的系统压力下降由中温管道定压装置自动调节至设定压力。

3、结霜换热器、中温换热器融霜，低温高温环境试验时，如冻雨、降雪、冻雾等，室内空气湿度非常大，换热器会不可避免的结霜，中温载冷剂辅助子系统对结霜换热器和中温换热器进行融霜，除霜时单个通道逐个进行融霜，保证全温度双通道空气处理机组仍然可正常运行，以图5上通道为例，具体实施过程是：

1)监测结霜换热器HX1前、低温换热器HX3后两个位置的静压差△P1，若△P1增量超过300Pa，说明换热器结霜情况已经比较严重，需要融霜；

2)关闭上通道离心风机，关闭风阀F1、F3；

3)关闭气动调节阀122C，断开二次循环；

4)开启气动调节阀122E、122G，开启中温辅助循环泵、开启蒸汽加热板换，使中温载冷剂辅助子系统先内循环升温；

5)监测温度传感器125C，当温度上升至35℃时，打开电磁开关阀123A、123B，将结霜和中温换热器接入融霜循环；

6)逐渐关闭气动调节阀122E，维持温度传感器125D不低于0℃，如图8所示；

7)打开风阀F3，F4，开启融霜吹扫机组，向通道内注入室外空气，吹扫换热器；

8)一旦换热器入口温度高于0℃，换热器表面的霜立即开始融化，持续开启蒸汽加热板换，将温度传感器125C最终保持在35℃使融化的水滴蒸发，吹扫空气将水汽排出通道，30min即可完成融霜并将换热器彻底干燥；

9)融霜结束，依次关闭蒸汽加热板换、中温辅助循环泵、电磁开关阀123A和123B，关闭融霜吹扫机组、风阀F3和F4；

10)打开气动调节阀122C，结霜换热器和中温换热器恢复正常工作；

11)打开风阀F1和F2，开启上通道风机，上通道恢复正常工作；

12)依次完成其它通道换热器的融霜。

4、当中温二次循环故障时，中温载冷剂辅助子系统可充当二次循环，如图7所示：

1)关闭二次循环泵，关闭气动调节阀122C、122D，打开电磁开关阀123A、123C，将结霜和中温换热器接入中温载冷剂辅助子系统；

2)打开气动调节阀122I、122G，开启中温辅助循环泵，作为备用二次循环运行。

第二模式：低温载冷剂子系统投入使用

当试验工况在低温载冷剂的适用温度范围内时，低温载冷剂子系统投入使用，如图1所示。具体的实施过程与中温载冷剂投入使用基本相同，不同之处在于：

(一)当试验温度低于-25℃时，将低温载冷剂投入使用，冷源为低温蒸发器，低温蒸发器最低可将低温载冷剂降温至-70℃；

(二)由于低温载冷剂不适用于高温环境且高温下可能会蒸发，如二氯甲烷常压下沸点为39℃，低温载冷剂系统为闭式循环，其低温管道定压装置不采用氮气来进行定压，如图4所示，低温管道定压装置具体实施方式为：

1、正常情况下，手动阀门111L、111Q处于打开状态，手动阀门111M处于关闭状态；

2、若压力传感器216A低于设定值下限，说明系统压力过低，此时打开气动调节阀212D、212E，开启定压屏蔽泵，将储液罐中的低温载冷剂抽至一次循环，对系统加压；

3、储液罐液位下降，罐内压力降低、低温载冷剂汽化以平衡压力变化；

4、定压屏蔽泵入口低于储液罐，满足气蚀余量要求，防止泵空转。

5、系统压力达到设定值时，关闭定压屏蔽泵、气动调节阀212D、212E。

6、若压力传感器216A高于设定值上限，说明系统压力过高，此时打开气动调节阀212F、212C，开启定压屏蔽泵，将一次循环中的低温载冷剂反向抽至储液罐；

7、储液罐液位上升，罐内压力增大、低温载冷剂液化以平衡压力变化。

8、系统压力达到设定值时，关闭定压屏蔽泵、气动调节阀212F、212C。

(三)低温载冷剂投入使用时，转轮除湿机仅工作在维持微正压模式；

低温载冷剂辅助子系统保证系统运行安全和可靠性，如图5所示，其工作模式与中温载冷剂辅助子系统相同，同样有：低温换热器排空、低温换热器充注、低温换热器融霜、备用二次循环四种模式，具体实施方式与中温载冷剂子系统基本相同，不同之处在于：

1、无高位积液包，无需氮气来辅助低温换热器充注或排空；

2、室内温度或回风温度接近低温载冷剂适用温度上限时，将低温换热器中的低温载冷剂排空，如图9所示，低温载冷剂常压下沸点较低，排空时低温换热器内压力下降，低温载冷剂汽化平衡压力，原理与低温管道定压装置相同；

3、室内温度或回风温度回到低温载冷剂适用温度范围内时，重新充注低温载冷剂，如图10所示，重注时换热器内压力上升，低温载冷剂液化平衡压力直到换热器内压力传感器126A或126B达到规定值，可认为已经充注完毕。

第三模式：中温、低温载冷剂子系统同时投入使用

当进行温度不太低但热负荷又比较大的工况时，超过了中温或低温载冷剂单独工作的能力，如-25℃降雪或吹雪等，中温和低温载冷剂子系统需要同时投入使用，如图1所示，具体实施过程如下：

1、中温载冷剂子系统冷源选择中温蒸发器Ⅰ，中温载冷剂温度最低降至-40℃，一次循环、二次循环按上述“第一模式的中温载冷剂子系统投入使用”的步骤开启；

2、低温载冷剂子系统冷源选择低温蒸发器或中温蒸发器Ⅱ(视具体冷源配置而定)，低温载冷剂温度降至-40℃以下(具体根据热负荷)，一次循环、二次循环按上述“第二模式的低温载冷剂子系统投入使用”的步骤开启；

3、融霜换热器、中温换热器、低温换热器三台换热器全部投入使用，接力降低空气温度；

4、提高全温度双通道空气处理机组风机频率，以增大风量，匹配热负荷。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种大型综合气候实验室空气处理系统，其特征在于，包括：

全温度双通道空气处理机组，所述全温度双通道空气处理机组包括保温箱体，所述保温箱体内包括两个独立且相同的通道，每个通道内串联布置有变频离心风机、结霜换热器、中温换热器以及低温换热器，其中，室内空气经每个通道内的所述变频离心风机驱动，依次经过结霜换热器、中温换热器以及低温换热器进行冷却或加热后，再送入室内，从而对室内空气温度进行调节；

转轮除湿机，所述转轮除湿机设置在所述全温度双通道空气处理机组的通道入口处，用于对流入通道内的空气进行除湿；

融霜吹扫机组，所述融霜吹扫机组包括轴流风机，通过风管与所述全温度双通道空气处理机组连接，用于使得室外空气依次通过结霜换热器、中温换热器以及低温换热器，以对换热器进行融霜；

载冷剂子系统，所述载冷剂子系统用于将液态载冷剂进行冷却或加热后输送至所述结霜换热器、中温换热器以及低温换热器。

2.根据权利要求1所述的大型综合气候实验室空气处理系统，其特征在于，还包括：

载冷剂辅助子系统，所述载冷剂辅助子系统与所述载冷剂子系统连接，用于对所述结霜换热器、中温换热器以及低温换热器中的液态载冷剂进行排空或充注，或对所述结霜换热器、中温换热器以及低温换热器进行融霜处理。

3.根据权利要求2所述的大型综合气候实验室空气处理系统，其特征在于，所述载冷剂子系统包括：

中温载冷剂子系统，所述中温载冷剂子系统将中温液态载冷剂进行冷却或加热后输送至所述结霜换热器以及中温换热器，其中，所述中温液态载冷剂用于-25℃～+74℃试验温度；

低温载冷剂子系统，所述低温载冷剂子系统将低温液态载冷剂进行冷却或加热后输送至所述低温换热器，其中，所述低温液态载冷剂用于-55℃～-25℃试验温度。

4.根据权利要求3所述的大型综合气候实验室空气处理系统，其特征在于，所述中温载冷剂子系统包括：

中温一次循环系统，所述中温一次循环系统用于驱动中温液态载冷剂经过冷源冷却或热源加热，其中，所述冷源为中温蒸发器和/或冷却水板换，热源为蒸汽加热板换；

中温二次循环系统，所述中温二次循环系统用于将所述中温一次循环系统中冷却或加热后的中温液态载冷剂输送至所述结霜换热器以及中温换热器，还用于对输送至所述结霜换热器以及中温换热器的中温液态载冷剂的流量及温度进行调节，以及在所述中温一次循环系统停机时，通过管道电加热器对所述结霜换热器以及中温换热器的中温液态载冷剂进行加热；其中

所述载冷剂辅助子系统包括中温载冷剂辅助子系统，所述中温载冷剂辅助子系统连接所述中温一次循环系统以及所述结霜换热器和中温换热器，实现所述结霜换热器和中温换热器的排空、充注、融霜，以及在所述中温二次循环系统故障时作为中温备用二次循环系统。

5.根据权利要求4所述的大型综合气候实验室空气处理系统，其特征在于，还包括：

中温管道定压装置，所述中温管道定压装置包括储液罐，所述储液罐与所述中温一次循环系统接通，通过向所述储液罐充注或排出氮气实现向所述中温一次循环系统充液或排液，以维持管道内压力。

6.根据权利要求3所述的大型综合气候实验室空气处理系统，其特征在于，所述低温载冷剂子系统包括：

低温一次循环系统，所述低温一次循环系统用于驱动低温液态载冷剂经过冷源冷却，其中，所述冷源为低温蒸发器和/或中温蒸发器；

低温二次循环系统，所述低温二次循环系统用于将所述低温一次循环系统中冷却后的低温液态载冷剂输送至所述低温换热器，还用于对输送至所述低温换热器的低温液态载冷剂的流量及温度进行调节，以及在所述低温一次循环系统停机时，通过管道电加热器对所述低温换热器的低温液态载冷剂进行加热；其中

所述载冷剂辅助子系统包括低温载冷剂辅助子系统，所述低温载冷剂辅助子系统连接所述低温一次循环系统以及所述低温换热器，实现所述低温换热器的排空、充注、融霜，以及在所述低温二次循环系统故障时作为低温备用二次循环系统。

7.根据权利要求6所述的大型综合气候实验室空气处理系统，其特征在于，还包括：

低温管道定压装置，所述低温管道定压装置包括储液罐，所述储液罐与所述低温一次循环系统接通，通过将低温一次循环系统中的低温载冷剂抽到储液罐或将储液罐中的低温载冷剂抽到低温一次循环系统，以维持管道内压力。

8.根据权利要求1-7任一项所述的大型综合气候实验室空气处理系统，其特征在于，还包括：

积液包，在高于所述结霜换热器、中温换热器以及低温换热器的位置以及低于所述结霜换热器、中温换热器以及低温换热器的位置均安装有所述积液包，所述积液包内部上端装有液位开关，用于指示所述结霜换热器、中温换热器以及低温换热器的充注完成或排空完成。

9.根据权利要求8所述的大型综合气候实验室空气处理系统，其特征在于，还包括：

干蒸汽加湿器，所述干蒸汽加湿器设置在所述全温度双通道空气处理机组的两个通道出口汇合处的总送风管内，用于将空气加湿后送入室内。

10.根据权利要求8所述的大型综合气候实验室空气处理系统，其特征在于，所述融霜吹扫机组通过风管分别与所述全温度双通道空气处理机组的两个通道连接，能够分别对单个通道中的结霜换热器、中温换热器以及低温换热器进行融霜。