新型高低溫沖擊試驗箱制冷系統(tǒng)的設(shè)計
來源：精秀熱工
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發(fā)布日期：2018-06-07
高低溫沖擊試驗箱是一種提供高溫、低溫的環(huán)境設(shè)備，主要用于機(jī)械、電子、電工等領(lǐng)域的一些產(chǎn)品進(jìn)行高溫、低溫環(huán)境的性能測試、篩選或考核實(shí)驗。進(jìn)行了高低溫沖擊試驗裝置結(jié)構(gòu)及其制冷系統(tǒng)設(shè)計，利用具有精餾裝置的自然復(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)獲得冷源使用R2R23混合工質(zhì)，低溫室內(nèi)溫度可到達(dá)-70℃，實(shí)現(xiàn)寬范圍的溫度自動調(diào)節(jié)。試驗箱執(zhí)行《溫度沖擊實(shí)驗》(GJB150.5-86)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足溫度沖擊試驗的需求。
1、前言
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對航空、航天、電子儀器儀表、電工產(chǎn)品等設(shè)備的可靠性要求越來越高，為了檢測儀器、儀表、機(jī)械、電工電子產(chǎn)品整機(jī)及零部件等在耐寒、溫度快速變化或漸變條件下的適應(yīng)性，以便對試品在擬定環(huán)境條件下的性能行為作出分析及評價，因此我們需要人工提供一種能使被測元件和儀器反復(fù)經(jīng)受快速的溫度變化的環(huán)境裝置。高低溫沖擊試驗箱通過高低溫的交替變化，檢測樣品的電性能和機(jī)械耐久性的變化情況從而篩選出結(jié)構(gòu)上的缺陷，諸如包裝密封不佳，引線焊接不良，塑料裂縫等等。這些缺陷能給元件和儀器帶來潛伏性故障。在高低溫沖擊試驗裝置中，制冷系統(tǒng)的設(shè)計是非常關(guān)鍵的，為了得到低溫環(huán)境通常采用復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，近年來自動復(fù)疊式制冷系統(tǒng)循環(huán)以其結(jié)構(gòu)簡單，效率高和適應(yīng)強(qiáng)等自身的優(yōu)點(diǎn)而不斷地得到應(yīng)用。
2、試驗箱的工作原理與機(jī)組結(jié)構(gòu)
2.1試驗箱技術(shù)指標(biāo)
試驗箱的設(shè)計執(zhí)行《溫度沖擊實(shí)驗》(CJB150.586技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，溫度沖擊試驗條件：
（1）試驗溫度：高溫為+70℃、低溫為-55℃；
（2）試驗溫度保持時間：lh或直至試驗樣品達(dá)到溫度穩(wěn)定，以時間長為準(zhǔn)；
（3）轉(zhuǎn)換時間：不大于5min；
（4）循環(huán)次數(shù)：3次；
實(shí)驗箱也可根據(jù)檢測的要求，預(yù)先設(shè)定各溫室溫度和傳動機(jī)構(gòu)的移動速度，完成不同等級的溫度沖擊試驗。
溫度沖擊試驗箱可實(shí)現(xiàn)的等級溫度沖擊試驗：
高溫溫度等級為：70、85、100、125(℃)
低溫溫度等級為：-25、-40、-55、-65(℃)
溫度沖擊試驗升降溫速率要求：在滿載條件，每5分鐘的平均升溫和降溫速率等級：
（1）不大于1℃/min
（2）不大于1±0.2℃/min
（3）不大于3±0.6℃/min
（4）不大于5±1℃C/min
2.2試驗箱工作原理與結(jié)構(gòu)
此循環(huán)測試試驗箱通過機(jī)組的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，分別產(chǎn)生一個高溫環(huán)境(+70℃~+125℃)和一個低溫環(huán)境(-25℃~-70℃)，根據(jù)溫度沖擊試驗的相關(guān)要求，將被測元件放入指定溫室的載物籃內(nèi)待兩溫室達(dá)到預(yù)設(shè)溫度且穩(wěn)定時，通過傳動機(jī)構(gòu)牽動載物籃，實(shí)現(xiàn)籃內(nèi)被測元件在高低溫室間的移動。移動過程中高低溫室相通，被測元件也由高溫或低溫狀態(tài)進(jìn)入另一溫室，所以會有大量冷熱負(fù)荷帶入機(jī)組要通過制冷系統(tǒng)或加熱系統(tǒng)迅速恢復(fù)到各溫室預(yù)定溫度。當(dāng)被測元件所在溫室溫度長時間保持穩(wěn)定后，再經(jīng)過傳動機(jī)構(gòu)將載物籃反向牽動，把被測元件帶回原溫室，同樣須迅速恢復(fù)到預(yù)定溫度，當(dāng)溫度再次長時間穩(wěn)定后，再重復(fù)上述操作，完成多次溫度循環(huán)沖擊試驗。
圖1 試驗箱機(jī)組結(jié)構(gòu)圖
1.高溫室 2.載物藍(lán)與試驗元件 3.低溫室 4.蒸發(fā)器
5.制冷機(jī)組 6.氣壓傳動裝置 7.板式換熱器 8.加熱塊
高低溫沖擊試驗箱結(jié)構(gòu)上劃分為制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)四部分，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成試驗箱的體積較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須綜合考慮，節(jié)約空間減小箱體尺寸，以便于高低溫沖擊試驗箱的安裝和運(yùn)輸。
表1 試驗箱結(jié)構(gòu)選擇表
表1 試驗箱結(jié)構(gòu)選擇表
| 名稱 | 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) | 備注 |
| 箱體布置 | 兩箱縱向布置 | 此種布置方式整體結(jié)構(gòu)上簡單降低了載物籃在兩溫室間運(yùn)動時發(fā)生故障的可能性，快速實(shí)現(xiàn)被測元件在高低溫室間的溫度沖擊,操作簡單。 |
| 傳動機(jī)構(gòu) | 氣壓傳動 | 氣壓傳動在滿足牽動負(fù)載的使用前提下，可以實(shí)現(xiàn)元件的快速移動，更加符合溫度沖擊試驗的要求，而且便于載物籃和元件移動速度的調(diào)節(jié)。 |
| 制冷裝置 | 自然復(fù)疊制冷 | 與二元復(fù)疊制冷相比，系統(tǒng)緊湊減小了機(jī)組尺寸，節(jié)約出更多安裝空間;結(jié)構(gòu)簡單降低運(yùn)行故障率、簡化系統(tǒng)控制、適應(yīng)性強(qiáng)、可以制取更低溫度的低溫環(huán)境進(jìn)行寬范圍的溫度調(diào)。 |
3、制冷系統(tǒng)的確定
3.1負(fù)荷分析與確定
高低溫沖擊試驗箱制冷系統(tǒng)設(shè)備的選取,是以低溫室熱負(fù)荷為依據(jù),逐步確定其他的制冷設(shè)備。熱負(fù)荷確定的準(zhǔn)確性是系統(tǒng)研制的一個關(guān)鍵問題,直接關(guān)系到試驗箱是否能夠到達(dá)《溫度沖擊實(shí)驗》(GJB1505-86)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。分析溫度沖擊試驗的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、被測元件運(yùn)動中漏熱特點(diǎn)、材料的應(yīng)用等因素，循環(huán)測試試驗箱的理論熱負(fù)荷為：
Q=(Q1+Q2+Q3+Q4+Q5)·Φ=3500W
結(jié)合加工水平與試驗箱整體結(jié)構(gòu)漏熱點(diǎn)較多等特點(diǎn),熱負(fù)荷的修正系數(shù)取值Φ=1.3。
圖2 沖擊試驗負(fù)荷示意圖
3.2制冷方式的選擇
制取-40℃以下的低溫一般采用復(fù)疊式或雙級壓縮制冷方式，高低溫沖擊試驗箱選用自然復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，通過一臺壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)混合工質(zhì)循環(huán)，具有精餾裝置的自然復(fù)疊式制冷是在傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了精餾裝置、中間換熱器和冷凝蒸發(fā)器，有效將不同沸點(diǎn)組分制冷劑分凝提高制冷系統(tǒng)運(yùn)行效率，可以實(shí)現(xiàn)-25℃C~-70℃寬范圍內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)。
自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)只有一臺壓縮機(jī)，其他設(shè)備為非運(yùn)動件，使啟動程序和運(yùn)行控制大為簡化，結(jié)構(gòu)較多級復(fù)疊制冷系統(tǒng)簡單緊湊，節(jié)約沖擊試驗箱安裝空間。當(dāng)制冷劑從壓縮機(jī)A排出后，經(jīng)過冷凝器B進(jìn)入精餾柱F的柱釜加熱柱釜液，然后節(jié)流進(jìn)入塔內(nèi)，經(jīng)過精餾分離后，含高純度R23的氣體從塔頂逸出，而含R22制冷劑被冷卻成液體從柱底流出，該股液體被回流低壓氣體冷卻后節(jié)流蒸發(fā)，蒸發(fā)后先供給精餾柱運(yùn)轉(zhuǎn)，再與從蒸發(fā)器回來的低壓氣體混合，混合后在-20℃溫度下蒸發(fā)，使從柱頂出來的R23氣體冷凝冷凝后的液體在換熱器D內(nèi)過冷節(jié)流蒸發(fā)，獲得低溫，該循環(huán)采用精餾柱代替多級分凝器，實(shí)現(xiàn)高低沸點(diǎn)制冷劑較好的分離，有效防止壓縮機(jī)潤滑油進(jìn)入蒸發(fā)器造成堵塞，高沸點(diǎn)與低沸點(diǎn)制冷劑在精餾塔內(nèi)分離，在循環(huán)中實(shí)現(xiàn)復(fù)疊。
圖3 制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.3混合工質(zhì)設(shè)計計算分析
沖擊試驗箱以《溫度沖擊實(shí)驗》試驗條件標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計工況:低溫室溫度恒定為-55℃，被測元件的轉(zhuǎn)換時間不大于5分鐘。蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑在-64℃溫度下蒸發(fā)，試驗箱冷凝溫度為32℃，壓縮機(jī)吸氣溫度為10℃，可保證進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑為氣態(tài)工質(zhì)。設(shè)計使用R22和R23非共沸混合工質(zhì)，試驗箱低溫室所需冷量為3500W。為了便于循環(huán)中的工質(zhì)分類和計算做以下假設(shè)：
（1）忽略管道內(nèi)的壓力損失，系統(tǒng)中只有高壓P、中壓P、低壓P。
（2）循環(huán)時熱量交換只在換熱器內(nèi)進(jìn)行，換熱器、管道與環(huán)境無熱量交換，而且各換熱器間無相互干擾。
（3）混合工質(zhì)循環(huán)時，高低溫制冷劑在精餾柱內(nèi)完全分離在循環(huán)中無有害積液。
沖注時，高低溫工質(zhì)組分的構(gòu)成經(jīng)混合工質(zhì)在循環(huán)中狀態(tài)分析和比例計算，R22占組分70%、R23占組分的30%，產(chǎn)生足夠冷量來冷卻低溫室，可以保證試驗箱溫度沖擊試驗的冷量需求。
表2 系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)
表2 系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)
| 狀態(tài)點(diǎn) | 壓力/KPa | 溫度/℃ | 焓/（KJ/Kg） | 熵/[KJ/（Kg·K）] | 千度 |
| 0 | 242 | 10 | 405 | 1.902 | 1 |
| 1 | 2250 | 115 | 476 | 1.889 | 1 |
| 2 | 2250 | 55 | 302 | 1.379 | 1 |
| 3 | 1650 | 45 | 277 | 1.265 | 0.141 |
| 4 | 242 | 25 | 380 | 1.705 | 1 |
| 5 | 242 | -20 | 305 | 1.42 | 0.561 |
| 6 | 242 | -38 | 352 | 1.795 | 1 |
| 7 | 242 | -20 | 286 | 1.345 | 0.496 |
| 8 | 242 | -20 | 386 | 1.813 | 1 |
| 9 | 1650 | -14.5 | 178 | 0.919 | 0.009 |
| 10 | 1650 | -35 | 148 | 0 | |
| 11 | 242 | -64 | 332 | 1.702 | 1 |
| 12 | 1650 | 25 | 227 | 0 | |
| 13 | 242 | -20 | 325 | 1.565 | 0.643 |
3.4制冷系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計分析
高低溫沖擊試驗箱的工作負(fù)荷大，且試驗箱體積大，一般安裝在試驗室拐角位置，不利于空氣流通影響冷凝設(shè)備、壓縮機(jī)的換熱，故冷凝冷卻器、壓縮機(jī)采用高效板式換熱器。夏季工況冷卻水進(jìn)口溫度為27℃，回水溫度31℃，將試驗箱各發(fā)熱裝置的熱量帶走，明顯提高工作效率。冷卻水進(jìn)水先由冷凝冷卻器流入，冷卻散熱器內(nèi)的混合工質(zhì)后，進(jìn)入壓縮機(jī)環(huán)肋部冷卻水繞管，冷卻壓縮機(jī)，可保證冷卻水冷卻機(jī)組冷凝負(fù)荷后，還有足夠的溫度空間冷卻壓縮機(jī)，增強(qiáng)換熱效果。
壓縮機(jī)的高低工作壓力分別設(shè)定為2250KPa、242KPa，高壓部安裝有高壓旁通閥，保證制冷系統(tǒng)在安全壓力范圍內(nèi)運(yùn)行。采用谷輪L型壓縮機(jī)，對壓縮機(jī)的外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改動，充分利用壓縮機(jī)的環(huán)肋結(jié)構(gòu)將板式換熱器的回水管固定在肋槽內(nèi)，使冷卻水管緊密纏繞在壓縮機(jī)的外壁，增強(qiáng)冷卻水與壓縮機(jī)的換熱效果，使壓縮機(jī)在正常溫度范圍內(nèi)工作，提高壓縮機(jī)工作效率和穩(wěn)定性，同時減小了冷卻水的流動阻力。
3.5制冷設(shè)備的選取
在選定的環(huán)境工況下,根據(jù)自然復(fù)疊式制冷機(jī)的工作原理和低溫箱體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行熱力計算來選擇設(shè)備:
選用了一臺排氣量為55m2/h(功率為1l匹)的半封閉谷輪壓縮機(jī),作為高低溫級制冷劑循環(huán)使用。
蒸發(fā)器負(fù)荷由試驗箱熱負(fù)荷和箱內(nèi)換熱系數(shù)確定,面積為15.5m2,且蒸發(fā)器面積有15%的余量,采用10×1紫銅管26米,布置于低溫室內(nèi)側(cè)。蒸發(fā)器的前部配有Φ350的軸流風(fēng)扇,以提高箱內(nèi)溫場均勻度、增強(qiáng)換熱。
冷凝蒸發(fā)器選擇的是殼管式結(jié)構(gòu),內(nèi)部為四關(guān)螺紋型紫銅管,采用逆流式換熱方式。冷凝蒸發(fā)器熱負(fù)荷為5.6KW。
冷凝冷卻器熱負(fù)荷為8.7KW,壓縮機(jī)散熱量為2KW,傳熱溫差設(shè)計△t=5℃,經(jīng)過計算板式換熱器面積約為2m2。
過濾器采用的是除蠟型過濾器,其目的是為了有效除去冷凍油中的石蠟,以降低系統(tǒng)油堵的可能性。
4、結(jié)束語
建立了一個具有精餾裝置的改進(jìn)型自然復(fù)疊式制冷系統(tǒng)裝置,選用環(huán)保型R22、R23非共沸點(diǎn)混合工質(zhì)作為制冷劑,使用單臺壓縮機(jī),采用高效油分離裝置以保證其穩(wěn)定性,并且它具有結(jié)構(gòu)簡單,效率高和適應(yīng)強(qiáng)的自身的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)也得到一定的簡化,提高了系統(tǒng)的制冷量,實(shí)現(xiàn)寬范圍的溫度調(diào)節(jié),滿足了各行業(yè)不同等級的溫度沖擊試驗要求。
