【技術篇】關于高低溫濕熱試驗箱你知道多少？

摘要：R404A和R23為制冷劑的復疊制冷機組，不但滿足了制取-80℃的低溫要求，還具有環保的優點。通常我們的高低溫箱采用的是復疊式制冷系統，那么我們下面對復疊機組設計中涉及到的幾個關鍵問題及其解決方法進行分析和闡述：

一、組成：

復疊式制冷機組通常由兩個部分(也可由三個部分) 組成 ,分別稱為高溫部分及低溫部分。高溫部分使用中溫制冷劑 ,低溫部分使用低溫制冷劑 ,而每一部分都是一個完整的單級或雙級壓縮制冷系統。高溫部分系統中制冷劑的蒸發是用來使低溫部分系統中制冷劑冷凝 ,而只有低溫部分系統的制冷劑在蒸發時才制取冷量。高溫部分和低溫部分用一個冷凝蒸發器聯系起來 ,它既是高溫部分的蒸發器 ,又是低溫部分的冷凝器。

低溫部分 :A. 壓縮機 ;D. 冷凝器 ; G. 節流閥 ; E. 蒸發器

高溫部分 :B. 壓縮機 ;C. 冷凝器 ;D. 蒸發器 ; F. 節流閥

二、機組主要性能指標

R404A 高溫部分：蒸發溫度 te = - 38 ℃，蒸發壓力 Pe = 1. 454 bar ,采用回熱器 ,吸氣過熱度為15 ℃;冷凝溫度 tc = 40 ℃,冷凝壓力 Pc = 18. 157 bar ,過冷度 5 ℃;壓縮機消耗功率 Ng = 11. 47 kW。

R23 低溫部分 :蒸發溫度 te = - 85 ℃,蒸發壓力Pe = 0. 851 bar ,吸氣過熱度為 30 ℃;壓縮機排氣被水冷換熱器冷卻降溫至 40 ℃, 中間溫度 tm = - 33 ℃,對應壓力 Pm = 9. 138 bar ;制冷量 Q0 = 10 kW ; 冷凝蒸發器熱負荷 Qc = 13 kW ;電機消耗功率 N d = 6. 27 kW 。

總功率 (kW) : N = N d + N g = 17. 74KW

性能系數 : CO P = Q0/ N = 0. 56。

2.1 相關熱力計算

復疊式制冷循環的熱力計算可分別對高溫部分及低溫部分單獨進行計算。計算中令高溫部分的制冷量等于低溫部分的冷凝熱負荷加上冷損。計算方法與單級或兩級壓縮制冷循環的熱力計算相同。

2.2中間溫度的確定：

復疊式制冷循環中中間溫度的確定應根據制冷系數最大或各個壓縮機壓力比大致相等的原則。前者對能量利用經濟 ,后者對壓縮機氣缸工作容積的利用率較高 (即輸氣系數較大) 。由于中間溫度在一定范圍內變動時對制冷系數影響并不大 ,故按各級壓力比大致相等的原則來確定中間溫度似乎更為合理。

我們以可以根據邁勒普拉薩特公式 ,理論計算下低溫復疊機組的中間溫度 (低溫段冷凝溫度) ：

式中：

Tm 為中間溫度 ( K) ;

Δ T 為冷凝蒸發器傳熱溫差 ( K) ;

Tc 為冷凝溫度 ( K) ;

Te 為蒸發溫度( K) 。

這里 , 取Δ T = 5 K , Tc = 273. 15 + 40 = 313. 15 K , Te = - 85 + 273. 15 = 188. 15 K。于是 ,計算 Tm = 240. 25 K = - 32. 9 ℃。這里 ,取 Tm =

- 33 ℃。

2.3傳熱溫差的確定

冷凝蒸發器傳熱溫差的大小不僅影響到傳熱面積和冷量損耗，而且也影響到整個制冷機的容量和經濟性，一般Δt = 5～10 ℃，溫差選得大 ，冷凝蒸發器的面積可小些，但卻使壓力比增加 ，循環經濟性降低。

制冷劑的溫度越低 ,傳熱溫差引起的不可逆損失越大 ,故蒸發器的傳熱溫差因蒸發溫度很低而應取較小值 ,最好不大于 5 ℃。

2. 4　油分離器

低溫段 ,在低溫區域 ,潤滑油易從制冷劑中分離并凝結 ,會堵塞膨脹閥、板式換熱器 ,也會影響蒸發器的換熱 ,所以應盡可能使油氣分離 ,在低溫段采用了二級高效油分離器。

2.5 回熱器

對于采用活塞壓縮機的系統最好配備氣液分離器 ,以免負荷變化和啟動時出現帶液現象。本系統有回熱器 ,故可省去氣液分離器。

三、復疊機組的能量調節問題

制冷機在運行時 ,受使用條件的變化以及工況變化影響 ,需要的輸氣量隨之變化。通常 ,采用輸氣量調節的方法進行能量卸載。主要原理是將吸排氣腔連通 ,壓縮機排氣直接返回吸氣腔 ,此時 ,吸氣壓力與排氣壓力幾乎相同 ,壓縮機只需克服吸排氣閥彈簧預緊力 ,就可將吸氣變為排氣。主要有內部旁通和外部旁通兩種方式。

本設計采用外部旁通閥調節能量 ,旁通能量調節閥實質上是一種閥后恒壓閥。當制冷裝置熱負荷減小 ,壓縮機吸氣壓力下降至預先調定值時 ,旁通調節閥開啟 ,吸氣壓力越低 ,閥的開度越大 ,制冷劑從排氣側旁通量也越多 ,使吸氣壓力下降速度減慢

系統中高溫段采用熱氣旁通到膨脹閥與蒸發器之間的調節閥 ,旁通的熱氣通過一個氣液混合器混合后進入蒸發器 ,相當于熱氣為蒸發器提供了一個“虛負荷",達到減載的目的 ,同時盡管實際負荷較低 ,熱力膨脹閥仍能控制向蒸發器的供液量充足 ,以保證蒸發器中有足夠的制冷劑流速 ,不會出現回油困難。

低溫段由于調節閥體材料使用溫度的限制 ,采用了熱氣旁通到吸氣管的能量調節閥來改變壓縮機的有效排氣量的方法 ,采用這種能量調節閥 ,會導致吸氣過熱 ,需要對壓縮機采用噴液冷卻系統。

四、膨脹容器

復疊機組停止運轉時 ,由于系統內的溫度升高到了環境溫度 ,低溫制冷劑全部氣化成過熱蒸汽 ,并且將高于規定的最大工作壓力 ,這種情況是不允許的。因此要在系統中接入一個膨脹容器 ,以便在停機后大部分的制冷劑蒸汽進入膨脹容器中 ,膨脹容器可以接到吸氣管上 ,也可以接到排氣管上 ,接到吸氣管上時 ,膨脹容器所需要的容積較小 ,因而比較合理

式中 :

V d 為不計膨脹容器容積時 ,低溫部分的制冷系統總容積 (m3) ;

vp 為設計溫度、設計壓力下低溫系統制冷劑過熱氣體比容 (m3/ kg) ;

vd 為設計溫度、吸氣壓力下低溫系統制冷劑過熱氣體比容(m3/ kg) ;

Gd 為不計膨脹容器容積時 ,低溫系統制冷劑充注量 (kg) 。

本設計取設計溫度 38 ℃,設計壓力 1. 5 MPa。

五、總結：

在當前和今后的制冷系統設計中 ,要盡可能考慮到環保問題 ,盡量選用環保的制冷劑 ,即使犧牲部分性能也是值得的。復疊機組因其蒸發溫度很低 ,設計中要全面考慮到回油問題、冷量調節問題、膨脹容器的設計、制造材料的選用等一系列問題。筆者就 R404A/ R23 復疊機組設計中的一些問題的處理做了粗淺的分析和說明 ,不當之處請各位專家指正。

六、實際案例：

我們上一次課程，得到的負荷求和，我們再乘以一個余量1.2；得到最后的結果如下：

我們用以上的結果，來設計一套-70℃的高低溫箱的制冷系統：

選擇低溫級的設計參數：

excel進行自動的熱力計算，結果如下：

選擇高溫級的設計參數：

Excel自動計算出結果：

以上為本套高低溫箱熱力計算的數據。

制冷工作原理

高低溫試驗箱制冷循環均采用逆卡若循環，該循環由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成，其過程如下：制冷劑經壓縮機絕熱壓縮到較高的壓力，消耗了功使排氣溫度升高，之后制冷劑經冷凝器等溫地和四周介質進行熱交換將熱量傳給四周介質。后制冷劑經截流閥絕熱膨脹做功，這時制冷劑溫度降低。未尾制冷劑通過蒸發器等溫地從溫度較高的物體吸熱，使被冷卻物體溫度降低。此循環周而復始從而達到降溫之目的;

制冷系統及壓縮機

為了保證試驗箱對降溫速率和MIN溫度的要求，高低溫試驗箱的制冷系統采用進口壓縮機所組成的復疊式制冷系統，該制冷系統具有匹配合理、可靠性高、使用維護方便等優點;

制冷方式

雙機復迭式制冷;除霜方式

高低溫試驗箱低溫室自動除霜，經過電磁閥自動轉換將壓縮機排氣端高溫高壓氣體引入制冷蒸發器，使得蒸發器表面溫度升高，凝結水排出室外;

能量調節

高低溫試驗箱制冷系統的設計應用能量調節技術，一種行之有效的處理方式既能保證在制冷機組正常運行的情況下又能對制冷系統的能耗及制冷量進行有效的調節，使制冷系統的運行費用下降到較為經濟的狀態

高低溫試驗箱加溫系統軟件一般選用鎳鉻合金電加熱器絲立即加溫，機器設備工作中時，循環系統電扇使柜內氣體造成熱對流，帶去電阻絲造成的發熱量，進而做到對柜內氣體加溫的實際效果;自動控制系統根據全智能調整，操縱電阻絲的通斷時間，加溫發熱量與耗損發熱量做到穩定平衡，保持溫度控制的目地。

高低溫試驗箱制冷機原理：
為了確保環境試驗箱對降熱速度和溫度的規定，本高低溫試驗箱的制冷機組選用進口制冷壓縮機所構成的復疊式制冷機組，該制冷機組具備配對有效、可信性高、應用維護保養便捷等優勢。
高低溫試驗箱是檢驗商品是不是耐高低溫試驗，實驗能夠取得成功進行，在其中一項關鍵要素就是說制冷機組，人們的制冷機組采用的是制冷壓縮機，愿意保證超低溫，務必要具有制冷壓縮機。
1、制冷原理：制冷機循環系統均選用逆卡若循環系統，該循環系統由2個等溫過程和2個絕熱過程構成，其全過程以下：冷媒經制冷壓縮機隔熱縮小到較高的工作壓力，耗費了功使排氣管溫度上升，以后冷媒經冷卻器等溫地和四周物質開展熱交換器將發熱量發送給四周物質。后冷媒經截流閥絕熱變形作功，這時候冷媒溫度減少。冷媒根據空調蒸發器等溫地從溫度較高的物塊吸熱反應，使被水冷卻物塊溫度減少。此循環系統循環反復進而做到降熱之目地;
2、制冷系統及制冷壓縮機：為了確保高低溫試驗箱對降熱速度和低溫度的規定，本環境試驗箱的制冷機組選用進口制冷壓縮機所構成的復疊式制冷機組，該制冷機組具備配對有效、可信性高、應用維護保養便捷等優勢;
3、制冷系統的設計方案運用動能調整技術性，一種切實可行的處理過程即能確保在冷凍機組一切正常運作的狀況下又能對制冷機組的耗能及空調制冷量開展合理的調整，使制冷機組的運作花費降低到比較經濟發展的情況。

高低溫濕熱試驗箱低溫控制方式：制冷循環均采用逆向卡諾循環，該循環由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成，其過程如下：制冷工質從冷庫定壓氣化吸熱后（此時工質通常為干飽和蒸氣或接近干飽和蒸氣），再進入壓縮機在絕熱狀態下壓縮，溫度超過環境溫度，然后進入冷凝器向環境介質等壓散熱；在冷凝器內，過熱的制冷劑蒸氣先等壓降溫到對應于當前壓力的飽和溫度，然后繼續等壓（同時也是等溫）冷凝成飽和液狀態，進入節流閥，在節流閥處絕熱節流降溫、降壓至對應于循環起始壓力的濕飽和蒸氣狀態，再進入冷庫氣化吸熱，完成循環，和四周介質進行熱交換將熱量傳給四周介質

適用于航空航天產品、信息電子儀器儀表、材料、電工、電子產品、各種電子元器件，在高溫、低溫或濕熱環境下的各項性能指標的檢驗。

高低溫測試有著什么作用和意義呢

在熱環境下暴露的可降解塑料可能發生多種物理和化學變化。暴露時間的長短和溫度的高低決定了發生變化的程度和類型。高溫短暴露周期通常就足以縮短可氧化降解塑塑料的誘導期，這個過程會發生抗氧劑和增塑劑的消耗。物理性能如拉伸強度、沖擊強度、伸長率和模量可能在誘導期內引起變化；然而，這些變化通常不是由于分子量的降低，而僅僅是一種隨溫度變化的響應，如結晶度增加或揮發物減少或二者同時發生。

一般情況下，塑料在高溫下的短期暴露會釋放出易揮發物質，如水分、溶劑或增塑劑；減少模塑應力；增進熱固性塑料固化；提高結晶度；并使增塑劑或著色劑或二者均發生顏色變化。通常，隨著揮發物的減少或進一步的聚合反應將會出現進步收縮。某些塑料，如PVC，可能會由于增塑劑的損失或聚合物分子鏈的斷裂面變化。聚丙烯及其共聚物在分子發生降解時往往會變得非常脆，而聚乙烯則會在拉伸強度和伸長率變小和脆化之前變柔軟。因此，研究塑料、橡膠、色漆和清漆、高分子材料以及電路板等元件設備在高溫下的性能是十分必要的。

高低溫測試是用來確定產品在高溫氣候環境下儲存、運輸、使用的適應性的方法。試驗的嚴苛程度取決于高溫的溫度和曝露持續時間。塑料、橡膠、色漆和清漆等高分子材料的高低溫測試主要包括熱空氣老化、耐熱試驗、耐熱性的測定等。熱空氣加速老化是指試樣在比橡膠使用環境更高的溫度下暴露，以期在短時間內獲得橡膠自然老化的效果。耐熱試驗是指試樣暴露在與橡膠使用環境相同的溫變下的試驗。

高低溫測試主要針對的范圍包括電工、電子產品，以及其原器件，及其它材料，測試的嚴格程度取決于高低溫的溫度和持續測試時間。高低溫可能使產品過熱,影響使用安全可靠性，甚至損壞，如：

· 由于各種材料的膨脹系數不同，導致材料之間的粘結和遷移

· 使材料性能發生變化

· 使元器件電性能下降

· 彈性元件的彈性或機械性能強度降低,縮短產品使用壽命

· 加速高分子材料和絕緣材料劣化和老化過程,縮短產品使用壽命。

· 橡膠等柔韌性材料的彈性降低，并產生破裂；

· 金屬和塑料脆性增大，導致破裂或產生裂紋；

· 使材料變脆,如塑料、鋼鐵在低溫下容易發生脆裂損壞,橡膠材料硬度增大,彈性下降等。

　　因此，高低溫測試的意義重大，而且也很重要！

高低溫濕熱試驗室的操作細節

高低溫濕熱試驗室采用平衡調溫調濕方式，可獲得準確的溫濕度環境。具有穩定、平衡的加熱加濕性能，可進行高精度、高溫度的溫濕度控制。裝備智能化的溫度調節器，溫濕度采用彩色液晶觸摸顯示屏，可進行各種復雜的程序設定，程序設定采用對話方式，操作簡單、迅速制冷回路自動選擇，自控裝置具有隨溫度的設定值自動選擇運轉制冷回路的性能，實現高溫度狀態下的直接啟動制冷，直接降溫。

　　底座采用槽鋼焊接成網式框架，以便于在水平條件下能承受室體及人員試件的重量，而不產生室體底面凹凸不平及開裂等。室體分為六個室體面及一扇雙開或單開式室體大門，室體材料為內膽不銹鋼板，外膽為彩鋼板，保溫介質為聚氨脂硬質發泡隔熱，質輕耐抗擊，大門材料同樣為彩鋼板制成，大門拉手為內外開啟式，以便于試驗人員從封閉的室內自由開啟大門。

　　該試驗室可以實現試驗過程的全程記錄和追溯，每臺電機均配置過流保護/加熱器設置短路保護，確保了設備運行期間的風量及加熱的高可靠性，配備USB接口、以太網通訊功能，使得通訊和軟件擴展功能滿足客戶的多種需要。選用流行的制冷控制模式，較傳統的加熱平衡控溫模式耗能減少30%，節能省電。箱體通常由圍護結構、風道系統、控制系統、室內測試架構等組成。

為了更好地確保高低溫濕熱試驗室對減溫速度和溫度的規定，制冷機組選用進口制冷壓縮機所構成的復疊式制冷機組，該制冷機組具備搭配有效、可信性高、應用維護保養便捷等優勢。

在使用時，這些細節不能忽略，具體是哪些呢？一起來跟著小編看看吧。

1、嚴格遵守系統操作規程，避免他人違章操作系統。

2、非技術人員不可對本機器進行拆裝修理，如需拆裝修理，須在確保斷電以及有人員陪同監護的情況下進行操作，以免發生意外事故。

3、開關門時或從試驗箱內取放測試物時，不得讓測試物品和箱門或箱沿的膠邊接觸，以防膠邊被磨損。

4、周圍地面要隨時保持清潔，以免大量灰塵吸入機組內惡化工作條件及降低使用性能。

5、使用中應注意保護，不可受到利器或鈍器的碰撞。在試驗室內放置的試驗產品離空氣調節通道的吸、排風口應有一定的距離，以免妨礙空氣的流通。

6、長時間停機不用，會影響系統的有效使用壽命，因此，系統每10天至少要開機運行一次。不要在短時間內反復地使系統。運行一停止，每小時啟動次數應小于5次，每次開-停的時間間隔不小于3min。不要在低溫時打開大門，以防止損壞門密封帶。

7、堅持每次試驗完畢后，將溫度設定在環境溫度附近，工作30分鐘左右，再切斷電源，并擦干凈工作室內壁。

8、定期（每3個月）清洗蒸發（除濕）器：因試品的潔凈等級各異，在強制風循環作用下，蒸發（除濕）器上會凝聚很多塵埃等小顆粒物體，應定期進行清洗。

9、冷凝器應定期保養，保持清潔。灰塵粘糊冷凝器會使壓縮機散熱不佳導致高壓開關跳脫而產生誤報警，冷凝器應定期保養。

10、加濕器定期清洗，以免產生水垢影響加濕器的工作效率和使用壽命，以及造成供水管路的堵塞。清洗時拆開工作室蒸發器擋板，使用軟質刷子洗刷加濕器，用清水沖洗后及時排干。

11、濕球的測試布要經常檢查，當測試布表面不干凈或變硬，須予以更換，否則會影響到控制系統對濕度感測試的準確性。測試布一般三個月更換一次，更換時先把積水頭清洗干凈，用清潔布將測溫體擦拭干凈再換上測試布，更換新測試布時應保證手部清潔。

• 上海簡戶儀器設備有限公司是一家高科技合資企業,生產銷售鹽霧箱、恒溫恒濕機、冷熱沖擊機、振動試驗機、機械沖擊機、跌落試驗機的環境試驗儀器的公司，研發生產銷售經營各類可靠性環境試驗設備。經驗豐富，并得到許多國內外廠商的信賴與支持。

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  　　為適應市場快速變化及客戶多樣化的要求，上海簡戶儀器設備有限公司研發了性能與可靠性**JianHuTest產品系列.從精密零件到電腦資訊系統及有線無線通訊產業，均可提供高品質的設備與完善的售后服務。

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• 簡戶是集設計、銷售、研發、維修服務等為一體的綜合集團公司，從產品的研發到售后服務，每一個環節之間，都以客戶的觀點與需求作為思考的出發點，提供的環境設備。公司創始人從事儀器設備行業20余年，經驗豐富、資歷雄厚，帶領簡戶公司全體同仁攜手共建輝煌明天。公司成立以來，積極投入電子電工，航空，航天，生物科技，各大院校，及科研單位等行業所需的產品測試設備裝置。
  　　

• 簡戶擁有一支的研發、生產和售后服務隊伍，從產品的研發到售后服務，每一個環節都以客戶的觀點與需求作為思考的出發點，目前擁有博士學位2人，碩士5人，參與環境試驗箱國家標準起草和發行。企業制定標準，行業里通過ISO9001。是中國儀器儀表學會會員和理事單位。曾榮獲CCTV《中國儀器儀表20強品牌》殊榮，2010年入駐上海世博會民企館。簡戶自創辦以來，參與3項國家標準起草與制定，獲得40+件原創知識產權、軟著、集成電路)，6次獲得上海科技型中小企業稱號，合作過3200+家合作客戶(其中世界500強高校600家)。
  　　

• 簡戶儀器今后必將牢記為客戶提供優質產品和服務的宗旨，不忘為行業貢獻前沿科學和技術的初心，再接再厲，砥礪前行！

• 【簡戶儀器簡介:成立2005年，是一家研發，生產，銷售及售后齊全的綜合性設備生產單位，多次評為科技型中小企業，并是國家高新技術企業，客戶遍布高分子，汽車，半導體，塑膠，五金，科研院校，第三方檢測等】

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