冷熱（rè）衝擊試驗箱性能研究
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發布（bù）日期： 2020.05.28
1、引言
隨著人類社會（huì）的進（jìn）步和生產需要，製冷工業迅速發展，低溫製冷（lěng）技術在醫療、機械、化工（gōng）、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（jiàn）變以及冷熱衝擊等不同的試驗環境（jìng），以便篩選出（chū）產品設（shè）計和工藝上的缺陷，為（wéi）設計定型和批產驗收決策提供依據。因此，溫（wēn）濕度環境試驗（yàn）設備得（dé）到了航（háng）天航空、車輛工程以及電工電子（zǐ）等行業越來越多的關注。
為了搭建高低溫衝擊試驗箱實驗平台，首（shǒu）先需要設計出（chū）能夠模（mó）擬-40℃~
- 70℃低溫環境的製冷係統。複疊（dié）製冷是此溫（wēn）度範圍的重要製冷方式，其由（yóu）高溫製冷循環和低（dī）溫（wēn）製冷循環構（gòu）成，高溫製冷循環（huán）產生的冷量用來在蒸發冷（lěng）凝器中冷凝低溫製冷循（xún）環的製冷劑（jì），冷凝後（hòu）的低溫（wēn）級製冷劑（jì）經過節流閥進人蒸發器蒸發從而降低環境溫度。複疊製冷（lěng）在-40~-120℃範圍內有著良好的製冷效果（guǒ）。本文采用複疊式製冷和電加熱控製技術，搭建了高低溫環境冷熱衝擊試驗（yàn）箱，對高低溫衝擊試驗箱的性能進行了實驗研究。
2、製冷（lěng）工質（zhì）的選擇
複疊式製冷係統需要選擇兩種類型（xíng）的製冷劑（jì），即中溫製冷劑和低溫製冷劑。由於國際社會對環境安全的（de）日（rì）益重視，此（cǐ）前（qián）廣泛使用的R13、R22等（děng）CFC、HCFC類型的製冷（lěng）劑（jì）已逐步被（bèi）代替（tì）。鑒於R23和R404A的ODP為零，安全性好，是環境友好型製冷（lěng）劑，因此在綜合考（kǎo）慮製冷劑的製冷性能、壓縮機工作的可靠性和環境友好性後，選擇R404A/R23作（zuò）為複疊式製冷係統的（de）製冷劑，
R404A 和R23的性能參數見表1。其中，R404A由R125( 標準沸點- 49℃)、R143a(標（biāo）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（rè）物理性（xìng）質（zhì）。
3、實驗裝置與實驗
圖1為高低溫（wēn）衝擊試（shì）驗箱（xiāng）實驗（yàn）裝置係統（tǒng）圖。試驗箱（xiāng）本體主要包括（kuò）高溫箱和低溫箱。低溫箱內的（de）複疊製冷（lěng）係統由高溫製冷循環和低溫（wēn）製冷循環組成，設備主要有壓縮機、冷凝器（qì）、膨脹閥(或毛細管)、蒸發冷凝器、蒸發器、油分離器，幹燥過濾器等，兩個製冷循環通過蒸發冷凝器相（xiàng）結合。高、低溫箱內部結構相似:幾何（hé）尺寸均為650mmx650mmx600mm，每個箱體（tǐ）.上部都有兩個百葉進（jìn）風口，下部有兩個百葉出風口（kǒu），風口裝（zhuāng）有兩（liǎng）個（gè）循環風機，且裝有電加熱盤管調節溫度。當風機工作時，受迫（pò）循環空氣經過熱（rè）盤管、蒸發器調節高低溫箱內的溫度到達目標值。測試箱（xiāng）內（nèi）部尺寸為500mm
x 500mm x 500mm ，容（róng）積為125L，通過氣缸的運動（dòng）快速拉動測試箱，分別在高、低（dī）溫箱中進（jìn）行冷熱衝擊試驗，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（cè）試點。在高、低溫循環壓縮機的進、出口布置壓力測試點，研（yán）究壓縮機的工作（zuò）狀況。高、低溫箱內都裝有三線製PT100溫度傳感（gǎn）器，精度為±0. 1℃，數（shù）據同（tóng）步輸人UMC1000控製器中，控製製冷係統和加熱係統工作狀況。
4、實驗研（yán）究
實驗選取兩組衝擊溫度進行測試，分別用實驗1和（hé）實（shí）驗2表示。實驗1:衝擊溫度為-
55℃和200℃ ;實驗2:衝擊溫度為-45℃和150℃。測試箱由高溫箱衝擊到低溫箱時，高、低溫箱的預熱、預冷（lěng）溫度分別為200℃、- 70 ℃(實驗1)和（hé）150℃、-60℃(實驗2);測試箱（xiāng）由（yóu）低溫箱衝擊到高溫箱時，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、低溫製（zhì）冷循環係統抽（chōu）真空後，再將選擇的製冷劑R404A和R23分別充人到高、低溫製冷循環係統內，並用電子稱測出製冷劑的充人量。經過調試，製冷係（xì）統工作正常。電源接通後，高溫區內的電加熱管立即工作（zuò），通過（guò）PID調節將高溫箱環境預熱到目（mù）標溫度。為確保壓縮機安全工作，防止誤操作，電源接通後30s，高溫級壓縮機啟動，當（dāng）高溫級蒸發溫度達到低溫（wēn）級冷凝（níng）溫度時，低溫級壓縮機再啟（qǐ）動。低溫級製冷劑進人蒸發（fā）器（qì）將低溫箱環境預冷到目標溫（wēn）度，同時低溫箱內電加（jiā）熱盤管在PID調節下工作，使低溫箱內穩定後的溫度波（bō）動範圍控製在±0.5℃。當（dāng）高（gāo）、低溫箱達（dá）到（dào）預熱、預（yù）冷（lěng）溫度並穩定後，測試箱在氣缸的拉動下瞬間從高溫箱衝擊到低溫箱(或（huò）低溫箱衝擊（jī）到高溫（wēn）箱)
， 測試箱內（nèi）溫度迅速變化，終穩定（dìng）在衝擊溫度設定（dìng）值（zhí）。在這期間，記錄下壓縮機進、排（pái）氣口壓力和高、低溫箱內的溫度隨時間變化的值（zhí）。
5、結果與討（tǎo）論
圖2與圖3分別為實驗1複（fù）疊式製冷係（xì）統運行（háng）過程中高、低溫級壓縮機（jī）進、排氣壓（yā）力隨時間變化曲線。圖2和圖（tú）3表明，低溫級壓縮機在（zài）高溫級壓縮機運行60s後開始（shǐ）工作，兩級壓縮（suō）機壓力隨時間變化趨勢相似。在（zài）整個衝（chōng）擊循環過程（chéng）中，高溫級壓縮機（jī）的進氣壓力穀值和排（pái）氣壓力峰值（zhí）出現的時間均早於低（dī）溫級壓縮機，且壓力值先達到穩定。從圖2中可（kě）看（kàn）出，高（gāo）溫級（jí）壓縮機穩定後的排氣壓力約為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（dī）溫級壓縮機的排（pái）氣壓力上升後緩慢下降到穩定值（zhí），約（yuē）為（wéi）0. 9MPa;進氣壓力下降後上升到穩定值，約（yuē）為0.1MPa，穩定後的壓比約為9。在- 55℃衝（chōng）擊階段( A31B31段)，由於低溫箱內的溫度從- 70℃.上升到-55℃，與蒸發溫度相對應，低溫級壓（yā）縮機排氣壓力也（yě）從0.9MPa上升到穩定值，約為1MPa。在200心衝擊階段（duàn）(B31C31段) ，低（dī）溫箱內（nèi）溫度恢（huī）複（fù）到- 70℃ ，排氣壓力再次穩定到0.
9MPa。實驗2的（de）兩級壓縮機進、排氣壓力隨時間變化曲線與實驗1基本（běn）相同。實驗結果說明在高低溫衝（chōng）擊實驗過程（chéng）中壓縮機運行穩定。
圖4和圖5分別表示在整個衝擊循環試驗過程中高、低溫箱內環境溫度隨（suí）時間的（de）變化（huà）曲線。圖4表明，在實驗（yàn）的預熱段(O41A41或O42A42段)，高溫箱溫（wēn）度在電源啟動後迅（xùn）速上升，隨著（zhe）溫度接近預熱溫度，電（diàn）加熱管輸出功率減（jiǎn）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（wēn）(13.8℃)升（shēng）到200℃。
圖5表明，在實驗的（de）預冷段(O51A51或O52A52段（duàn）)，低溫箱溫度在製冷係統啟動（dòng）後迅速降低，當（dāng）溫度接近預冷溫度時，電加（jiā）熱開始工作，箱（xiāng）內溫度逐漸（jiàn）穩定到設定值。實驗1經（jīng）過3420s(約57min)
，低溫箱從室溫(13.8℃)降到- 70℃。在（zài）預冷、熱期間，測試（shì）箱位於高溫箱內，其內（nèi）部熱環境變化與高溫箱保持一（yī）致，當高溫箱溫度穩（wěn）定在200℃ ±0. 3℃時，測試箱溫度為200℃±0. 5℃，表明測試箱內溫（wēn）度均勻。為了減少衝（chōng）擊實驗過（guò）程中低溫箱溫度恢（huī）複時間，在低溫箱底部、上部和側麵增加了鋁板來（lái）儲能（néng）。
當高、低溫箱分別達到預（yù）熱、預冷溫度並維持到點A41(或A51)時刻，在（zài）氣缸的作用下，測試（shì）箱從高（gāo）溫箱衝擊（jī）到低（dī）溫箱，轉換時間為5s，實驗1進入- 55℃衝擊階段。由圖4和（hé）圖5可以（yǐ）看出，由於測試箱從高溫環境(200℃)衝擊到超低溫環境(-71℃)伴隨著熱（rè）量的轉移，低溫箱溫度迅速上升，
經過272s(約（yuē）4.5min)穩定到衝擊溫度-55℃ ，恢（huī）複時間約為4.5min(A51;A'51段)。高溫箱溫度下降後上升，經過186s(3. 1min)穩定到210℃，恢複時間為3.1min(A41，A'41段)。
當穩定後的高、低溫箱溫度(高溫箱（xiāng）:210℃;低溫箱: - 55℃)維持到點B，(或B，)時刻時，實驗1進人200℃衝（chōng）擊階段(B-C)。在氣缸的作用下，測試（shì）箱由低溫環境(-55℃)衝擊（jī）到高溫（wēn）環（huán）境(210℃)，轉換時間為5s。由圖4和圖5可以看出，高溫箱溫度下降後_上升到200C並保持穩定，溫度恢複時間約2.
4min(B41，B'41段)。低溫（wēn）箱溫度從-55℃下降（jiàng）並穩定到-70℃，溫度恢複時間約17min(B51，B'51段)。
圖4和圖5中O42C42、O52C52分（fèn）別為實（shí）驗2高、低溫箱溫度變化曲線，其趨勢與實驗1相同預冷（lěng）、預熱和衝擊過程中溫度恢複（fù）時間均少於（yú）實驗1。
實驗結果表明，在整個衝擊循環試驗過程中，高溫箱經過（guò）約12.8min，預熱（rè）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（dìng）偏差±0.5℃。衝擊試驗在-55℃~+200℃時，轉換（huàn）時間為5s，溫度恢複時間不大於5min，溫度偏差不大於±0.5℃
，超高低溫衝擊試驗箱（xiāng）性能達到要求。
6、結論
選擇R404A/R23作為複疊式製冷循環的（de）製（zhì）冷劑，搭建（jiàn）了高（gāo）低溫衝擊試驗箱實驗裝置，並達到（dào）了在-55℃~+200℃的衝擊溫度範圍內的技術要求。實驗結果表明，在製冷係統穩定工作後，壓縮機的進、排氣口壓力穩定，且在許可範圍內，係統運行穩定可靠。實驗結果也表明，在高低溫（wēn）調節過程中，係統預熱溫度達到210℃，預冷（lěng）溫度達到-70℃ ，預熱時間不大於12. 8min，預冷時間不大於57min。衝擊實驗過程中，溫度轉換時間為5s，溫度恢複（fù）時間不大於5min，溫度偏差不大於±0.5℃。
