随着近年来科学仪器的不断发展和普及,各类仪器配套产品也得到了突飞猛进的发展,其中循环水冷却器就是其中的一个。它的作用是通过温度相对较低的水来把仪器所产生的热量带走,从而使仪器部分的温度保持在一个较低的水平。
以前,国内大多数用户一般用自来水来冷却仪器设备。随着水资源短缺的矛盾在我国日益突出,再加上仪器设备(尤其精密仪器)对冷却水的水质和温度的要求越来越高,循环水冷却器也就成为越来越多用户的首选。循环水冷却方式相对自来水冷却来说,虽然一次性投入较大,但它有着自来水冷却方式无法比拟的优点:
1·循环水冷却方式能节约大量宝贵的水资源;
2·循环水冷却方式使用去离子水或蒸馏水,在仪器设备的水路中不会产生水垢,能延长仪器设备使用寿命,提高仪器测量的稳定性;
3·循环水冷却方式(制冷型)能任意调节冷却水的温度。
一般来说,循环水冷却器按其功能来分,有非制冷型和制冷型两种。
1 非制冷型的原理和应用
非制冷型的原理一般比较简单,主要有一个水泵,散热器,风扇和水箱组成。它的作用只能是用来降温,一般不能控温,且水温的高低取决于所放置位置的环境温度。由于靠风扇把水吹到散热器上来实现降温,因而仪器水路中水温不可能低于环境温度。所以非制冷型循环水冷却器一般适用于对水温控制要求不高,产热量较低的仪器或设备。
2 制冷型的原理和应用
制冷循环水冷却器根据其工作方式不同,又可分为启停式和非启停式两种。其共同原理是使用温度控制器进行温度控制,通过压缩机进行制冷,再与水进行热交换,使水的温度降低。
1)启停式制冷循环水冷却器
启停式制冷循环水冷却器的结构与原理如图一所示,其主要部件包括:循环水泵,压缩机,冷凝器,温控系统,节流装置,水箱和换热器等。温度控制是通过控制压缩机的启与停来实现的。其方式比较简单,当压缩机启动时,开始制冷。此时水温开始下降,当水温下降到一定温度时,压缩机停止;此后水温开始上升,当上升到一定值时,压缩机再次启动,
如此往复。由此可以看出,启停式水循环的温度控制是一个上下范围,而不是一个点。由于压缩机在每次停下后,需要间隔一段才能启动(一般5分钟),因而在压缩机停止其间,只有靠水箱中的水去带走热量,因而温度控制精度较差,一般为±2℃,而且必须有一个非常大的水箱,因而其体积庞大,耗水量也大。其制冷量取决于两个方面,一个是制冷机组的制冷量,另一个是水箱的蓄水量,这是由于在压缩机停止其间,水箱中的水温会逐渐上升,在热源相同时,蓄水量越小,温度上升越快。因而一般大于1000W制冷量的产品,其水箱体积均大于40升。另一方面,其换热系统一般采用盘管式换热器,即把换热器浸入水箱中进行换热,因而热交换速度较慢。另外,由于压缩机的频繁启动,产生电污染,对供电系统及其他仪器设备造成冲击,同时也会缩短压缩机的使用寿命。但由于其结构简单,非常方便从家用空调改装,因而有不少公司在生产。
2)非启停式制冷循环水冷却器
非启停式循环水冷却器的结构和原理如图二所示。与启停式相比,节流装置是可调节的,另外换热系统一般采用板式换热器,热交换的速度和效率非常高。非启停式循环水冷却器温度控制是通过“热气旁路”(Hot Gas By pass)的技术来实现的。温控系统控制一个节流装置,当温度高于设置温度时,该装置打开,此时从压缩机出来的高压热气通过冷凝器冷却后,进入板式换热器,吸收水中的热量,从而使水温降低;当温度低于设置温度时,可调节流装置关闭,此时从压缩机出来的高压热气不能通过冷凝器进入板式换热器,只能在冷凝器前通过压力平衡装置进入板式换热器。由于此时板式换热器进入和出来的都是热气,因而不会吸收水中的热量,即不制冷,此时即是处于“热气旁路”状态。
由此可以看出,非启停式循环水冷却器的温控系统所控制的只是一个功率仅几瓦的调节装置,而不像启停式那样需要控制功率达几千瓦的压缩机,因而不会对供电系统造成任何冲击。其使用的温控单元一般为PID温控器,其原理并不是当温度低于所设温度时关闭节流装置,高于所设温度时打开节流装置,而是在温度接近所设温度时,PID会根据热源的大小自动调节降制冷量。当温度与所设定温度相差较大时,制冷量很大,此时降温速度很快,越靠近所设定温度时,制冷量越小,即降温速度越慢,从而避免了温度过冲现象。因而所控制的温度趋近于一个点,且非常稳定。同时由于是非启停设计,水箱体积一般2升左右,因而降温速度非常快,并且很快稳定在所设温度附近,一般控温精度可达±0.1℃,远远优于启停式的控温精度(见图三)。
由于非启停式循环水冷却器的性能远远优于启停式,因而目前已被国外厂家普遍采用,一般国外精密仪器原配的循环水均为非启停式。由于非启停式循环水冷却器的生产存在一定的技术难度,难以简单组装或改造,因而目前只有国外或国外投资企业才能生产,且需要一定规模,价格也比启停式要高一些。这种产品的主要生产厂商有:美国THERMO NET-SLAB,美国LABTECH,美国JULABO等。其中美国LABTECH在国内建有工厂,他们生产的H系列水循环采用了先进的PID温控及Hot Gas By Pass技术,同时融合了高效板式换热器,高压旋片泵及无氟环保制冷剂等技术,其产品制冷量从750W到9000W,控温精度均为±0.1℃。因为LABTECH公司在国内建有工厂,因而其产品的售价和服务相对于其他外国公司来说均有一定优势。
本文作者：张 勤 孙 伟
