冷熱沖擊試驗箱性能研究
作者：
網(wǎng)絡(luò)
編輯：
瑞凱儀器
來源：
網(wǎng)絡(luò)
發(fā)布日期： 2020.05.28
1、引言
隨著人類社會的進步和生產(chǎn)需要，制冷工業(yè)迅速發(fā)展，低溫制冷技術(shù)在醫(yī)療、機械、化工、石油、電子、航天、軍工等領(lǐng)域的應(yīng)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(huán)境，以便篩選出產(chǎn)品設(shè)計和工藝上的缺陷，為設(shè)計定型和批產(chǎn)驗收決策提供依據(jù)。因此，溫濕度環(huán)境試驗設(shè)備得到了航天航空、車輛工程以及電工電子等行業(yè)越來越多的關(guān)注。
為了搭建高低溫沖擊試驗箱實驗平臺，首先需要設(shè)計出能夠模擬-40℃~
- 70℃低溫環(huán)境的制冷系統(tǒng)。復(fù)疊制冷是此溫度范圍的重要制冷方式，其由高溫制冷循環(huán)和低溫制冷循環(huán)構(gòu)成，高溫制冷循環(huán)產(chǎn)生的冷量用來在蒸發(fā)冷凝器中冷凝低溫制冷循環(huán)的制冷劑，冷凝后的低溫級制冷劑經(jīng)過節(jié)流閥進人蒸發(fā)器蒸發(fā)從而降低環(huán)境溫度。復(fù)疊制冷在-40~-120℃范圍內(nèi)有著良好的制冷效果。本文采用復(fù)疊式制冷和電加熱控制技術(shù)，搭建了高低溫環(huán)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(zhì)的選擇
復(fù)疊式制冷系統(tǒng)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(huán)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(huán)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(huán)境友好性后，選擇R404A/R23作為復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的制冷劑，
R404A 和R23的性能參數(shù)見表1。其中，R404A由R125( 標(biāo)準(zhǔn)沸點- 49℃)、R143a(標(biāo)準(zhǔn)沸點-47.2℃)和R134a(標(biāo)準(zhǔn)沸點-26.1℃)按質(zhì)量分?jǐn)?shù)44:52:4混合而成，具有與R22(標(biāo)準(zhǔn)沸點-40.8℃ )較為相近的熱物理性質(zhì)。
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(tǒng)圖。試驗箱本體主要包括高溫箱和低溫箱。低溫箱內(nèi)的復(fù)疊制冷系統(tǒng)由高溫制冷循環(huán)和低溫制冷循環(huán)組成，設(shè)備主要有壓縮機、冷凝器、膨脹閥(或毛細(xì)管)、蒸發(fā)冷凝器、蒸發(fā)器、油分離器，干燥過濾器等，兩個制冷循環(huán)通過蒸發(fā)冷凝器相結(jié)合。高、低溫箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似:幾何尺寸均為650mmx650mmx600mm，每個箱體.上部都有兩個百葉進風(fēng)口，下部有兩個百葉出風(fēng)口，風(fēng)口裝有兩個循環(huán)風(fēng)機，且裝有電加熱盤管調(diào)節(jié)溫度。當(dāng)風(fēng)機工作時，受迫循環(huán)空氣經(jīng)過熱盤管、蒸發(fā)器調(diào)節(jié)高低溫箱內(nèi)的溫度到達目標(biāo)值。測試箱內(nèi)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(nèi)的溫度均勻度，在測試箱內(nèi)布置了9個T型熱電偶作為溫度測試點。在高、低溫循環(huán)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(nèi)都裝有三線制PT100溫度傳感器，精度為±0. 1℃，數(shù)據(jù)同步輸人UMC1000控制器中，控制制冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)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(yù)熱、預(yù)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(yù)熱、預(yù)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(huán)系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)內(nèi)，并用電子稱測出制冷劑的充人量。經(jīng)過調(diào)試，制冷系統(tǒng)工作正常。電源接通后，高溫區(qū)內(nèi)的電加熱管立即工作，通過PID調(diào)節(jié)將高溫箱環(huán)境預(yù)熱到目標(biāo)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(dāng)高溫級蒸發(fā)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(fā)器將低溫箱環(huán)境預(yù)冷到目標(biāo)溫度，同時低溫箱內(nèi)電加熱盤管在PID調(diào)節(jié)下工作，使低溫箱內(nèi)穩(wěn)定后的溫度波動范圍控制在±0.5℃。當(dāng)高、低溫箱達到預(yù)熱、預(yù)冷溫度并穩(wěn)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(nèi)溫度迅速變化，終穩(wěn)定在沖擊溫度設(shè)定值。在這期間，記錄下壓縮機進、排氣口壓力和高、低溫箱內(nèi)的溫度隨時間變化的值。
5、結(jié)果與討論
圖2與圖3分別為實驗1復(fù)疊式制冷系統(tǒng)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(huán)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(xiàn)的時間均早于低溫級壓縮機，且壓力值先達到穩(wěn)定。從圖2中可看出，高溫級壓縮機穩(wěn)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(yù)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(wěn)定值，約為0. 9MPa;進氣壓力下降后上升到穩(wěn)定值，約為0.1MPa，穩(wěn)定后的壓比約為9。在- 55℃沖擊階段( A31B31段)，由于低溫箱內(nèi)的溫度從- 70℃.上升到-55℃，與蒸發(fā)溫度相對應(yīng)，低溫級壓縮機排氣壓力也從0.9MPa上升到穩(wěn)定值，約為1MPa。在200心沖擊階段(B31C31段) ，低溫箱內(nèi)溫度恢復(fù)到- 70℃ ，排氣壓力再次穩(wěn)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(jié)果說明在高低溫沖擊實驗過程中壓縮機運行穩(wěn)定。
圖4和圖5分別表示在整個沖擊循環(huán)試驗過程中高、低溫箱內(nèi)環(huán)境溫度隨時間的變化曲線。圖4表明，在實驗的預(yù)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(yù)熱溫度，電加熱管輸出功率減小、溫升速率降低，箱內(nèi)溫度逐近穩(wěn)定。實驗1經(jīng)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(yù)冷段(O51A51或O52A52段)，低溫箱溫度在制冷系統(tǒng)啟動后迅速降低，當(dāng)溫度接近預(yù)冷溫度時，電加熱開始工作，箱內(nèi)溫度逐漸穩(wěn)定到設(shè)定值。實驗1經(jīng)過3420s(約57min)
，低溫箱從室溫(13.8℃)降到- 70℃。在預(yù)冷、熱期間，測試箱位于高溫箱內(nèi)，其內(nèi)部熱環(huán)境變化與高溫箱保持一致，當(dāng)高溫箱溫度穩(wěn)定在200℃ ±0. 3℃時，測試箱溫度為200℃±0. 5℃，表明測試箱內(nèi)溫度均勻。為了減少沖擊實驗過程中低溫箱溫度恢復(fù)時間，在低溫箱底部、上部和側(cè)面增加了鋁板來儲能。
當(dāng)高、低溫箱分別達到預(yù)熱、預(yù)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(zhuǎn)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(huán)境(200℃)沖擊到超低溫環(huán)境(-71℃)伴隨著熱量的轉(zhuǎn)移，低溫箱溫度迅速上升，
經(jīng)過272s(約4.5min)穩(wěn)定到?jīng)_擊溫度-55℃ ，恢復(fù)時間約為4.5min(A51;A'51段)。高溫箱溫度下降后上升，經(jīng)過186s(3. 1min)穩(wěn)定到210℃，恢復(fù)時間為3.1min(A41，A'41段)。
當(dāng)穩(wěn)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(huán)境(-55℃)沖擊到高溫環(huán)境(210℃)，轉(zhuǎn)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(wěn)定，溫度恢復(fù)時間約2.
4min(B41，B'41段)。低溫箱溫度從-55℃下降并穩(wěn)定到-70℃，溫度恢復(fù)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(yù)冷、預(yù)熱和沖擊過程中溫度恢復(fù)時間均少于實驗1。
實驗結(jié)果表明，在整個沖擊循環(huán)試驗過程中，高溫箱經(jīng)過約12.8min，預(yù)熱溫度可達到2109C，穩(wěn)定偏差±0.3℃;低溫箱經(jīng)過約57min，預(yù)冷溫度可達到-71℃ ，穩(wěn)定偏差±0.5℃。沖擊試驗在-55℃~+200℃時，轉(zhuǎn)換時間為5s，溫度恢復(fù)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(jié)論
選擇R404A/R23作為復(fù)疊式制冷循環(huán)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(nèi)的技術(shù)要求。實驗結(jié)果表明，在制冷系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，壓縮機的進、排氣口壓力穩(wěn)定，且在許可范圍內(nèi)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。實驗結(jié)果也表明，在高低溫調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)預(yù)熱溫度達到210℃，預(yù)冷溫度達到-70℃ ，預(yù)熱時間不大于12. 8min，預(yù)冷時間不大于57min。沖擊實驗過程中，溫度轉(zhuǎn)換時間為5s，溫度恢復(fù)時間不大于5min，溫度偏差不大于±0.5℃。
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