冷熱沖擊試驗箱性能研究
作者：
網絡
編輯：
瑞凱儀器
來源：
網絡
發布日期： 2020.05.28
1、引言
隨著人類社會的進步和生產需要，制冷工業迅速發展，低溫制冷技術在醫療、機械、化工、石油、電子、航天、軍工等領域的應用也日益廣泛。其中，為了檢測和分析儀器、儀表、機械、電子等樣品材料及零部件承受老化以及熱脹冷縮等性能，需要模擬出溫濕度恒定或漸變以及冷熱沖擊等不同的試驗環境，以便篩選出產品設計和工藝上的缺陷，為設計定型和批產驗收決策提供依據。因此，溫濕度環境試驗設備得到了航天航空、車輛工程以及電工電子等行業越來越多的關注。
為了搭建高低溫沖擊試驗箱實驗平臺，首先需要設計出能夠模擬-40℃~
- 70℃低溫環境的制冷系統。復疊制冷是此溫度范圍的重要制冷方式，其由高溫制冷循環和低溫制冷循環構成，高溫制冷循環產生的冷量用來在蒸發冷凝器中冷凝低溫制冷循環的制冷劑，冷凝后的低溫級制冷劑經過節流閥進人蒸發器蒸發從而降低環境溫度。復疊制冷在-40~-120℃范圍內有著良好的制冷效果。本文采用復疊式制冷和電加熱控制技術，搭建了高低溫環境冷熱沖擊試驗箱，對高低溫沖擊試驗箱的性能進行了實驗研究。
2、制冷工質的選擇
復疊式制冷系統需要選擇兩種類型的制冷劑，即中溫制冷劑和低溫制冷劑。由于國際社會對環境安全的日益重視，此前廣泛使用的R13、R22等CFC、HCFC類型的制冷劑已逐步被代替。鑒于R23和R404A的ODP為零，安全性好，是環境友好型制冷劑，因此在綜合考慮制冷劑的制冷性能、壓縮機工作的可靠性和環境友好性后，選擇R404A/R23作為復疊式制冷系統的制冷劑，
R404A 和R23的性能參數見表1。其中，R404A由R125( 標準沸點- 49℃)、R143a(標準沸點-47.2℃)和R134a(標準沸點-26.1℃)按質量分數44:52:4混合而成，具有與R22(標準沸點-40.8℃ )較為相近的熱物理性質。
3、實驗裝置與實驗
圖1為高低溫沖擊試驗箱實驗裝置系統圖。試驗箱本體主要包括高溫箱和低溫箱。低溫箱內的復疊制冷系統由高溫制冷循環和低溫制冷循環組成，設備主要有壓縮機、冷凝器、膨脹閥(或毛細管)、蒸發冷凝器、蒸發器、油分離器，干燥過濾器等，兩個制冷循環通過蒸發冷凝器相結合。高、低溫箱內部結構相似:幾何尺寸均為650mmx650mmx600mm，每個箱體.上部都有兩個百葉進風口，下部有兩個百葉出風口，風口裝有兩個循環風機，且裝有電加熱盤管調節溫度。當風機工作時，受迫循環空氣經過熱盤管、蒸發器調節高低溫箱內的溫度到達目標值。測試箱內部尺寸為500mm
x 500mm x 500mm ，容積為125L，通過氣缸的運動快速拉動測試箱，分別在高、低溫箱中進行冷熱沖擊試驗，氣缸由空壓機的壓縮空氣提供動力。為了研究測試箱內的溫度均勻度，在測試箱內布置了9個T型熱電偶作為溫度測試點。在高、低溫循環壓縮機的進、出口布置壓力測試點，研究壓縮機的工作狀況。高、低溫箱內都裝有三線制PT100溫度傳感器，精度為±0. 1℃，數據同步輸人UMC1000控制器中，控制制冷系統和加熱系統工作狀況。
4、實驗研究
實驗選取兩組沖擊溫度進行測試，分別用實驗1和實驗2表示。實驗1:沖擊溫度為-
55℃和200℃ ;實驗2:沖擊溫度為-45℃和150℃。測試箱由高溫箱沖擊到低溫箱時，高、低溫箱的預熱、預冷溫度分別為200℃、- 70 ℃(實驗1)和150℃、-60℃(實驗2);測試箱由低溫箱沖擊到高溫箱時，高、低溫箱的預熱、預冷溫度分別為210℃、-55℃(實驗1)和160℃、-45℃(實驗2)。實驗前使用真空泵將高、低溫制冷循環系統抽真空后，再將選擇的制冷劑R404A和R23分別充人到高、低溫制冷循環系統內，并用電子稱測出制冷劑的充人量。經過調試，制冷系統工作正常。電源接通后，高溫區內的電加熱管立即工作，通過PID調節將高溫箱環境預熱到目標溫度。為確保壓縮機安全工作，防止誤操作，電源接通后30s，高溫級壓縮機啟動，當高溫級蒸發溫度達到低溫級冷凝溫度時，低溫級壓縮機再啟動。低溫級制冷劑進人蒸發器將低溫箱環境預冷到目標溫度，同時低溫箱內電加熱盤管在PID調節下工作，使低溫箱內穩定后的溫度波動范圍控制在±0.5℃。當高、低溫箱達到預熱、預冷溫度并穩定后，測試箱在氣缸的拉動下瞬間從高溫箱沖擊到低溫箱(或低溫箱沖擊到高溫箱)
， 測試箱內溫度迅速變化，終穩定在沖擊溫度設定值。在這期間，記錄下壓縮機進、排氣口壓力和高、低溫箱內的溫度隨時間變化的值。
5、結果與討論
圖2與圖3分別為實驗1復疊式制冷系統運行過程中高、低溫級壓縮機進、排氣壓力隨時間變化曲線。圖2和圖3表明，低溫級壓縮機在高溫級壓縮機運行60s后開始工作，兩級壓縮機壓力隨時間變化趨勢相似。在整個沖擊循環過程中，高溫級壓縮機的進氣壓力谷值和排氣壓力峰值出現的時間均早于低溫級壓縮機，且壓力值先達到穩定。從圖2中可看出，高溫級壓縮機穩定后的排氣壓力約為1.
1MPa，進氣壓力約為0. 2MPa，壓比約為5.5。從圖3中可以看出，在預冷階段(O31A31和O32A32段) ，低溫級壓縮機的排氣壓力上升后緩慢下降到穩定值，約為0. 9MPa;進氣壓力下降后上升到穩定值，約為0.1MPa，穩定后的壓比約為9。在- 55℃沖擊階段( A31B31段)，由于低溫箱內的溫度從- 70℃.上升到-55℃，與蒸發溫度相對應，低溫級壓縮機排氣壓力也從0.9MPa上升到穩定值，約為1MPa。在200心沖擊階段(B31C31段) ，低溫箱內溫度恢復到- 70℃ ，排氣壓力再次穩定到0.
9MPa。實驗2的兩級壓縮機進、排氣壓力隨時間變化曲線與實驗1基本相同。實驗結果說明在高低溫沖擊實驗過程中壓縮機運行穩定。
圖4和圖5分別表示在整個沖擊循環試驗過程中高、低溫箱內環境溫度隨時間的變化曲線。圖4表明，在實驗的預熱段(O41A41或O42A42段)，高溫箱溫度在電源啟動后迅速上升，隨著溫度接近預熱溫度，電加熱管輸出功率減小、溫升速率降低，箱內溫度逐近穩定。實驗1經過770s(約12. 8min) ，高溫箱從室溫(13.8℃)升到200℃。
圖5表明，在實驗的預冷段(O51A51或O52A52段)，低溫箱溫度在制冷系統啟動后迅速降低，當溫度接近預冷溫度時，電加熱開始工作，箱內溫度逐漸穩定到設定值。實驗1經過3420s(約57min)
，低溫箱從室溫(13.8℃)降到- 70℃。在預冷、熱期間，測試箱位于高溫箱內，其內部熱環境變化與高溫箱保持一致，當高溫箱溫度穩定在200℃ ±0. 3℃時，測試箱溫度為200℃±0. 5℃，表明測試箱內溫度均勻。為了減少沖擊實驗過程中低溫箱溫度恢復時間，在低溫箱底部、上部和側面增加了鋁板來儲能。
當高、低溫箱分別達到預熱、預冷溫度并維持到點A41(或A51)時刻，在氣缸的作用下，測試箱從高溫箱沖擊到低溫箱，轉換時間為5s，實驗1進入- 55℃沖擊階段。由圖4和圖5可以看出，由于測試箱從高溫環境(200℃)沖擊到超低溫環境(-71℃)伴隨著熱量的轉移，低溫箱溫度迅速上升，
經過272s(約4.5min)穩定到沖擊溫度-55℃ ，恢復時間約為4.5min(A51;A'51段)。高溫箱溫度下降后上升，經過186s(3. 1min)穩定到210℃，恢復時間為3.1min(A41，A'41段)。
當穩定后的高、低溫箱溫度(高溫箱:210℃;低溫箱: - 55℃)維持到點B，(或B，)時刻時，實驗1進人200℃沖擊階段(B-C)。在氣缸的作用下，測試箱由低溫環境(-55℃)沖擊到高溫環境(210℃)，轉換時間為5s。由圖4和圖5可以看出，高溫箱溫度下降后_上升到200C并保持穩定，溫度恢復時間約2.
4min(B41，B'41段)。低溫箱溫度從-55℃下降并穩定到-70℃，溫度恢復時間約17min(B51，B'51段)。
圖4和圖5中O42C42、O52C52分別為實驗2高、低溫箱溫度變化曲線，其趨勢與實驗1相同預冷、預熱和沖擊過程中溫度恢復時間均少于實驗1。
實驗結果表明，在整個沖擊循環試驗過程中，高溫箱經過約12.8min，預熱溫度可達到2109C，穩定偏差±0.3℃;低溫箱經過約57min，預冷溫度可達到-71℃ ，穩定偏差±0.5℃。沖擊試驗在-55℃~+200℃時，轉換時間為5s，溫度恢復時間不大于5min，溫度偏差不大于±0.5℃
，超高低溫沖擊試驗箱性能達到要求。
6、結論
選擇R404A/R23作為復疊式制冷循環的制冷劑，搭建了高低溫沖擊試驗箱實驗裝置，并達到了在-55℃~+200℃的沖擊溫度范圍內的技術要求。實驗結果表明，在制冷系統穩定工作后，壓縮機的進、排氣口壓力穩定，且在許可范圍內，系統運行穩定可靠。實驗結果也表明，在高低溫調節過程中，系統預熱溫度達到210℃，預冷溫度達到-70℃ ，預熱時間不大于12. 8min，預冷時間不大于57min。沖擊實驗過程中，溫度轉換時間為5s，溫度恢復時間不大于5min，溫度偏差不大于±0.5℃。
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