节约60％能耗的油品低温分析仪器

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，降低了功耗，提高了控温精度并延长了仪器的使用寿命。
关键词 节能 压缩机 制冷 分析仪器

        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。
1．低温仪器制冷方法存在的问题
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以下，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，为了达到制冷量常常设计使用三相电源和16A电流的接插件。二是必须连续不断地用自来水对半导体发热端进行冷却，用自来水带出热量，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时间长了，会结水垢堵塞管路，阻碍热交换从而影响降温速度，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(常用电加热管)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,一般设计为制冷功率的1.5倍左右，才能抵消并控制住浴温，最终仪器消耗的功率会达到200瓦以上。
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。
2．通常使用的压缩机制冷控制系统
结合压缩机机制冷系统的简图作进一步说明。见图一《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设计为制冷功率的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2.5倍左右。换句话说，通常使用的压缩机制冷控制系统尽管能耗比高，但为了控温，增加了电加热管，总功耗与半导体制冷系统没有明显的优势。
另外由于冷浴内一般以乙醇（酒精）作为传热介质，冷浴内要放几公斤的乙醇（酒精），又要放千瓦左右的电加热管，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。这种情况确实在实验室多次发生，幸好发现较早，及时扑灭。
3．节约60％能耗的低温分析仪器的产生
在99年，上海博立仪器设备有限公司（由上海石油仪器厂和从事航天仪器研发人员组成）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控制的方法，并获得二项国家专利。具体的方法是采用直接控制制冷剂流量的方式来控制浴温。见图二《节约能耗的压缩机制冷系统》，与图一系统不同之处在于，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，仪器不用大功率电加热设备，而电加热设备一般设计为制冷功率的1.5倍左右，这样仪器至少能节约60％的能耗，节省功耗和提高安全性的好处就显而易见了。一台可以达到零下-80℃的台式二槽四孔倾点（Pour Point）试验器的功耗不到500瓦，而国内乃至国外生产的同样温度和同样孔数仪器压缩机制冷，通常不会低于1200瓦.这仅指二槽仪器.
另外在实验室的仪器使用中，仪器的降温状态是短暂的，从常温降到-70℃稳定住不过40分钟，大量的时间是处于做试验及控温状态，压缩机吸入并进行压缩的制冷剂的量比降温时大为减少，此时压缩机压出的制冷量只要能维持住由厚保温层环抱的温度即可，因此压缩机的负荷大大降低，使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。这样为压缩机制冷仪的微型化(台式)提供了条件
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％。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。例如2000年上海炼油厂购置凝点石油腊含油量等仪器，一天三班，中间交接班半小时，常常不关机连续工作，运行至今, 压缩机仍完好无损.。
节约能耗的压缩机低温分析仪器与通常压缩机低温分析仪器比节约了100%的加热功耗和30%的制冷功耗。则仪器可节约60~70%的功耗。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，我公司仅需850瓦,英国西塔公司为2200瓦(见附页),以平均每星期工作40小时计算，(2200-850)×40×4×12月×10年=25920千瓦
节电2592万瓦，按上海地区工业用电每度1元计算,这台仪器至少可以节约2.59万元。这个价赶上仪器的成本.
结束语
采用直接控制制冷剂流量的方式来控制浴温，首创了无需使用电加热抵消制冷就可以对冷浴浴温进行控制的方法，通常控温精度做到±0.1℃,低温运动粘度控温精度做到±0.04℃, 并获得国家专利。