冷熱衝擊試驗箱性能研究
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發布日（rì）期： 2020.05.28
1、引言
隨著人類社會的進步和生產需要，製冷工業迅（xùn）速發展，低溫製（zhì）冷技術在醫（yī）療、機械（xiè）、化工、石油、電子、航天、軍工等領域（yù）的應（yīng）用（yòng）也日益廣泛。其中，為了檢測和分析儀（yí）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衝擊等不同的（de）試驗環（huán）境，以便篩選出產品（pǐn）設計和工藝上的缺陷，為設（shè）計定型（xíng）和批產驗（yàn）收決策提供（gòng）依據（jù）。因此，溫濕度環境試（shì）驗設備得到了航天航空、車輛工程以及電工電子等行業（yè）越來越多的關注。
為了（le）搭建高低溫衝擊試驗箱實驗平台，首先需要設（shè）計出能夠模擬-40℃~
- 70℃低溫環境的製冷係統。複疊（dié）製冷是此溫度範圍的重要製冷方式，其由高溫製冷循環和低（dī）溫製冷（lěng）循環構成，高（gāo）溫製冷循環產生的冷量用來在蒸發冷凝器中冷凝（níng）低溫製（zhì）冷循環的（de）製冷劑，冷凝後的低溫級製冷劑經過節流閥進人蒸發器蒸發從而降低環境溫度。複疊製冷在-40~-120℃範圍（wéi）內有著良好的製冷效果。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（jìng）冷熱衝擊試驗（yàn）箱，對高低溫衝擊試驗箱的性能進行了（le）實驗研究。
2、製冷工質的選（xuǎn）擇
複疊式製冷（lěng）係統需要選擇兩種（zhǒng）類型的製冷劑，即中溫製冷（lěng）劑和低溫製冷劑。由於國際社會對（duì）環（huán）境（jìng）安全的日益重視，此前廣泛使用（yòng）的R13、R22等CFC、HCFC類型的製冷劑已逐步被代替。鑒於（yú）R23和R404A的ODP為零，安全性好，是環境友好型製（zhì）冷劑，因此在綜（zōng）合考慮製冷劑的製冷性（xìng）能、壓縮機工作的可靠性和環境友（yǒu）好性後，選擇R404A/R23作為複疊式製冷係統的製冷劑，
R404A 和R23的性能參數見表1。其中，R404A由R125( 標準沸點- 49℃)、R143a(標準沸點-47.2℃)和（hé）R134a(標準沸（fèi）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（de）熱物理性質。
3、實驗裝置與實驗
圖1為高低溫衝擊試驗箱實（shí）驗（yàn）裝置係統圖。試驗箱本體主要包括高溫箱和低溫箱。低溫箱內的複疊製冷（lěng）係統由（yóu）高溫製冷（lěng）循環和低溫製冷循環組成（chéng），設備主要有壓縮（suō）機、冷凝器、膨脹閥（fá）(或毛細管)、蒸發冷凝器、蒸發器、油分離器（qì），幹燥過濾器等，兩（liǎng）個製冷（lěng）循環通過（guò）蒸發冷凝器相結合（hé）。高（gāo）、低溫箱內部結構相（xiàng）似:幾（jǐ）何尺寸均為（wéi）650mmx650mmx600mm，每個箱體.上部都有兩個百（bǎi）葉進風口（kǒu），下（xià）部有兩個百葉出風口，風口裝有兩個循環風機，且裝有電加（jiā）熱盤管（guǎn）調節溫度。當風機工作時，受迫循環（huán）空氣經過熱（rè）盤管、蒸發（fā）器調節高（gāo）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（róng）積為125L，通過氣（qì）缸的運動快速拉動測（cè）試箱，分別在高（gāo）、低溫（wēn）箱中進行冷熱衝擊試驗，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（jun1）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（de）進、出口布置壓力測試點，研究壓縮（suō）機的工作狀況。高、低溫箱內都裝有三（sān）線製（zhì）PT100溫度傳感器，精度為±0. 1℃，數據同（tóng）步輸人UMC1000控製器（qì）中，控製製冷係（xì）統和加熱係統（tǒng）工（gōng）作狀況。
4、實驗研究
實驗選取兩（liǎng）組衝擊溫度進行測試，分別用實驗1和實驗2表示。實驗1:衝擊溫度為-
55℃和200℃ ;實驗2:衝擊溫（wēn）度為（wéi）-45℃和150℃。測試箱由高溫箱衝擊到低溫箱時，高、低溫箱的預（yù）熱、預冷溫度分別為200℃、- 70 ℃(實驗1)和150℃、-60℃(實驗2);測試（shì）箱由低（dī）溫箱衝擊到高溫箱時，高、低溫箱的預（yù）熱（rè）、預冷溫度分別（bié）為210℃、-55℃(實驗1)和160℃、-45℃(實驗2)。實驗前使用（yòng）真空泵將高、低溫製冷（lěng）循環係統抽真空後，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（tǒng）內，並用電子稱測出製冷劑（jì）的充人量。經過調試，製（zhì）冷係統工（gōng）作正常。電（diàn）源接通後，高溫區內的電（diàn）加熱管立即工（gōng）作，通過PID調節將高（gāo）溫箱環境預熱到目（mù）標溫度。為確保壓縮機安全工作（zuò），防止誤操作（zuò），電（diàn）源接通後30s，高溫級壓縮機（jī）啟動（dòng），當高溫級蒸發溫度達到低溫級冷凝溫度時，低溫級（jí）壓縮機（jī）再啟動。低溫級製（zhì）冷劑進人蒸發器將（jiāng）低溫箱環境預（yù）冷到目標溫度，同時低溫箱內電加熱盤管（guǎn）在PID調（diào）節下工作，使低溫箱內穩定（dìng）後（hòu）的溫度波動範（fàn）圍控製在±0.5℃。當高（gāo）、低溫箱達（dá）到預熱、預冷溫度並穩定後，測試箱在氣缸（gāng）的拉動下瞬（shùn）間從高溫箱衝擊到低溫箱(或低溫箱衝擊到高（gāo）溫箱)
， 測試箱內溫（wēn）度迅速變化，終穩定在衝擊（jī）溫度設定值。在這期間，記錄下壓縮機進（jìn）、排氣口壓力和高、低溫箱內（nèi）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複疊式製冷係統運行過程中高、低（dī）溫級壓縮機（jī）進、排氣壓力隨時間變化曲線。圖2和圖3表（biǎo）明，低（dī）溫級壓縮機在高溫級壓（yā）縮機運行60s後開始工作，兩級壓縮機壓力隨時間變化趨勢相似。在整個衝擊循環過程中，高溫級壓（yā）縮機的進氣壓力穀值和排氣壓力峰值出現（xiàn）的時（shí）間均早於低（dī）溫級（jí）壓縮機，且壓力值先達（dá）到穩定（dìng）。從圖2中（zhōng）可看（kàn）出，高溫級壓縮機穩（wěn）定後的排氣壓力（lì）約（yuē）為1.
1MPa，進氣壓力約為0. 2MPa，壓（yā）比約為5.5。從圖3中可（kě）以看出，在預冷階（jiē）段(O31A31和O32A32段) ，低溫級壓縮機的排氣（qì）壓力上升後緩慢下降到穩定值，約為0. 9MPa;進氣壓力下降後（hòu）上升（shēng）到穩定值，約為0.1MPa，穩定後（hòu）的壓比約為9。在- 55℃衝擊階段( A31B31段)，由於低溫箱內的溫度從- 70℃.上升到-55℃，與蒸發溫度相對（duì）應，低溫級壓（yā）縮機排氣壓力也從0.9MPa上升到穩定值，約為1MPa。在200心衝擊階段(B31C31段) ，低溫箱內溫度恢複到（dào）- 70℃ ，排氣（qì）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（shí）間變化曲線與實驗1基本相同。實驗結果說明在高低溫衝擊實驗過程中壓縮機運行穩定。
圖4和圖5分別表示在整個衝擊循環（huán）試驗（yàn）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（huò）O42A42段)，高溫箱溫度（dù）在電源啟動後迅速上升，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（dī），箱內溫度逐近穩定。實驗1經過（guò）770s(約12. 8min) ，高溫（wēn）箱從室溫(13.8℃)升到（dào）200℃。
圖5表明，在（zài）實驗的預冷（lěng）段(O51A51或O52A52段（duàn）)，低溫箱溫度在製冷係統啟（qǐ）動後迅速降低，當溫度（dù）接近預冷溫度時，電加（jiā）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（dī）溫箱（xiāng）從室溫(13.8℃)降到- 70℃。在預冷、熱期間，測（cè）試箱（xiāng）位於高溫箱（xiāng）內，其內部熱環境變化與高溫箱保持一致，當高（gāo）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。為了減少衝擊實驗過程中低溫箱溫度恢複時間，在（zài）低溫箱底部、上部和側麵增加了鋁（lǚ）板來儲能。
當高、低溫箱（xiāng）分（fèn）別達（dá）到預熱、預冷溫（wēn）度並維持到點A41(或A51)時刻，在氣缸的作用下，測試箱從（cóng）高溫箱衝（chōng）擊到低溫箱，轉換時間為（wéi）5s，實驗1進入- 55℃衝擊階段。由圖4和圖5可以看出，由於測試箱從高（gāo）溫（wēn）環境(200℃)衝擊到超低溫（wēn）環境(-71℃)伴隨著熱量的轉移，低溫箱溫度迅速上（shàng）升，
經過（guò）272s(約4.5min)穩（wěn）定到（dào）衝擊溫度（dù）-55℃ ，恢（huī）複時間（jiān）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（wěn）定後的高、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℃衝擊階段（duàn）(B-C)。在氣缸的作用下，測試箱由低溫（wēn）環境(-55℃)衝擊到高溫環境(210℃)，轉換時間為5s。由（yóu）圖（tú）4和圖5可以看出，高溫箱溫度下降後_上（shàng）升到200C並保持（chí）穩定，溫度恢複時（shí）間約2.
4min(B41，B'41段)。低溫箱溫度從-55℃下降並穩定到-70℃，溫度（dù）恢複時間約（yuē）17min(B51，B'51段)。
圖（tú）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、預熱和衝擊過（guò）程（chéng）中溫度恢複時間均少於實驗1。
實（shí）驗（yàn）結果表明，在整個（gè）衝擊循環試（shì）驗（yàn）過程中，高溫箱經過約12.8min，預熱溫度可達（dá）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℃。衝（chōng）擊（jī）試驗在-55℃~+200℃時，轉換時間為5s，溫度恢複時間不大於5min，溫度（dù）偏（piān）差不大於±0.5℃
，超高低溫衝擊試驗箱性能達到要求。
6、結論（lùn）
選擇R404A/R23作為複疊式製冷循環的製冷劑，搭建了高低（dī）溫衝擊試驗箱實驗裝置，並達到（dào）了在-55℃~+200℃的衝擊溫度範（fàn）圍內的技術要求。實驗結果表明，在製冷係統穩定（dìng）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（yàn）結果也表（biǎo）明，在高低溫調節過程中，係統預熱溫度達到210℃，預冷溫度達到-70℃ ，預熱時間不大於12. 8min，預冷（lěng）時間（jiān）不大於57min。衝擊實驗過程（chéng）中，溫（wēn）度轉換時間為5s，溫度恢複時間（jiān）不（bú）大於（yú）5min，溫度偏差不大於±0.5℃。
