【技术篇】关于高低温湿热试验箱你知道多少？

摘要：R404A和R23为制冷剂的复叠制冷机组，不但满足了制取-80℃的低温要求，还具有环保的优点。通常我们的高低温箱采用的是复叠式制冷系统，那么我们下面对复叠机组设计中涉及到的几个关键问题及其解决方法进行分析和阐述：

一、组成：

复叠式制冷机组通常由两个部分(也可由三个部分) 组成 ,分别称为高温部分及低温部分。高温部分使用中温制冷剂 ,低温部分使用低温制冷剂 ,而每一部分都是一个完整的单级或双级压缩制冷系统。高温部分系统中制冷剂的蒸发是用来使低温部分系统中制冷剂冷凝 ,而只有低温部分系统的制冷剂在蒸发时才制取冷量。高温部分和低温部分用一个冷凝蒸发器联系起来 ,它既是高温部分的蒸发器 ,又是低温部分的冷凝器。

低温部分 :A. 压缩机 ;D. 冷凝器 ; G. 节流阀 ; E. 蒸发器

高温部分 :B. 压缩机 ;C. 冷凝器 ;D. 蒸发器 ; F. 节流阀

二、机组主要性能指标

R404A 高温部分：蒸发温度 te = - 38 ℃，蒸发压力 Pe = 1. 454 bar ,采用回热器 ,吸气过热度为15 ℃;冷凝温度 tc = 40 ℃,冷凝压力 Pc = 18. 157 bar ,过冷度 5 ℃;压缩机消耗功率 Ng = 11. 47 kW。

R23 低温部分 :蒸发温度 te = - 85 ℃,蒸发压力Pe = 0. 851 bar ,吸气过热度为 30 ℃;压缩机排气被水冷换热器冷却降温至 40 ℃, 中间温度 tm = - 33 ℃,对应压力 Pm = 9. 138 bar ;制冷量 Q0 = 10 kW ; 冷凝蒸发器热负荷 Qc = 13 kW ;电机消耗功率 N d = 6. 27 kW 。

总功率 (kW) : N = N d + N g = 17. 74KW

性能系数 : CO P = Q0/ N = 0. 56。

2.1 相关热力计算

复叠式制冷循环的热力计算可分别对高温部分及低温部分单独进行计算。计算中令高温部分的制冷量等于低温部分的冷凝热负荷加上冷损。计算方法与单级或两级压缩制冷循环的热力计算相同。

2.2中间温度的确定：

复叠式制冷循环中中间温度的确定应根据制冷系数最大或各个压缩机压力比大致相等的原则。前者对能量利用经济 ,后者对压缩机气缸工作容积的利用率较高 (即输气系数较大) 。由于中间温度在一定范围内变动时对制冷系数影响并不大 ,故按各级压力比大致相等的原则来确定中间温度似乎更为合理。

我们以可以根据迈勒普拉萨特公式 ,理论计算下低温复叠机组的中间温度 (低温段冷凝温度) ：

式中：

Tm 为中间温度 ( K) ;

Δ T 为冷凝蒸发器传热温差 ( K) ;

Tc 为冷凝温度 ( K) ;

Te 为蒸发温度( K) 。

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

- 33 ℃。

2.3传热温差的确定

冷凝蒸发器传热温差的大小不仅影响到传热面积和冷量损耗，而且也影响到整个制冷机的容量和经济性，一般Δt = 5～10 ℃，温差选得大 ，冷凝蒸发器的面积可小些，但却使压力比增加 ，循环经济性降低。

制冷剂的温度越低 ,传热温差引起的不可逆损失越大 ,故蒸发器的传热温差因蒸发温度很低而应取较小值 ,最好不大于 5 ℃。

2. 4　油分离器

低温段 ,在低温区域 ,润滑油易从制冷剂中分离并凝结 ,会堵塞膨胀阀、板式换热器 ,也会影响蒸发器的换热 ,所以应尽可能使油气分离 ,在低温段采用了二级高效油分离器。

2.5 回热器

对于采用活塞压缩机的系统最好配备气液分离器 ,以免负荷变化和启动时出现带液现象。本系统有回热器 ,故可省去气液分离器。

三、复叠机组的能量调节问题

制冷机在运行时 ,受使用条件的变化以及工况变化影响 ,需要的输气量随之变化。通常 ,采用输气量调节的方法进行能量卸载。主要原理是将吸排气腔连通 ,压缩机排气直接返回吸气腔 ,此时 ,吸气压力与排气压力几乎相同 ,压缩机只需克服吸排气阀弹簧预紧力 ,就可将吸气变为排气。主要有内部旁通和外部旁通两种方式。

本设计采用外部旁通阀调节能量 ,旁通能量调节阀实质上是一种阀后恒压阀。当制冷装置热负荷减小 ,压缩机吸气压力下降至预先调定值时 ,旁通调节阀开启 ,吸气压力越低 ,阀的开度越大 ,制冷剂从排气侧旁通量也越多 ,使吸气压力下降速度减慢

系统中高温段采用热气旁通到膨胀阀与蒸发器之间的调节阀 ,旁通的热气通过一个气液混合器混合后进入蒸发器 ,相当于热气为蒸发器提供了一个“虚负荷",达到减载的目的 ,同时尽管实际负荷较低 ,热力膨胀阀仍能控制向蒸发器的供液量充足 ,以保证蒸发器中有足够的制冷剂流速 ,不会出现回油困难。

低温段由于调节阀体材料使用温度的限制 ,采用了热气旁通到吸气管的能量调节阀来改变压缩机的有效排气量的方法 ,采用这种能量调节阀 ,会导致吸气过热 ,需要对压缩机采用喷液冷却系统。

四、膨胀容器

复叠机组停止运转时 ,由于系统内的温度升高到了环境温度 ,低温制冷剂全部气化成过热蒸汽 ,并且将高于规定的最大工作压力 ,这种情况是不允许的。因此要在系统中接入一个膨胀容器 ,以便在停机后大部分的制冷剂蒸汽进入膨胀容器中 ,膨胀容器可以接到吸气管上 ,也可以接到排气管上 ,接到吸气管上时 ,膨胀容器所需要的容积较小 ,因而比较合理

式中 :

V d 为不计膨胀容器容积时 ,低温部分的制冷系统总容积 (m3) ;

vp 为设计温度、设计压力下低温系统制冷剂过热气体比容 (m3/ kg) ;

vd 为设计温度、吸气压力下低温系统制冷剂过热气体比容(m3/ kg) ;

Gd 为不计膨胀容器容积时 ,低温系统制冷剂充注量 (kg) 。

本设计取设计温度 38 ℃,设计压力 1. 5 MPa。

五、总结：

在当前和今后的制冷系统设计中 ,要尽可能考虑到环保问题 ,尽量选用环保的制冷剂 ,即使牺牲部分性能也是值得的。复叠机组因其蒸发温度很低 ,设计中要全面考虑到回油问题、冷量调节问题、膨胀容器的设计、制造材料的选用等一系列问题。笔者就 R404A/ R23 复叠机组设计中的一些问题的处理做了粗浅的分析和说明 ,不当之处请各位专家指正。

六、实际案例：

我们上一次课程，得到的负荷求和，我们再乘以一个余量1.2；得到最后的结果如下：

我们用以上的结果，来设计一套-70℃的高低温箱的制冷系统：

选择低温级的设计参数：

excel进行自动的热力计算，结果如下：

选择高温级的设计参数：

Excel自动计算出结果：

以上为本套高低温箱热力计算的数据。

制冷工作原理

高低温试验箱制冷循环均采用逆卡若循环，该循环由两个等温过程和两个绝热过程组成，其过程如下：制冷剂经压缩机绝热压缩到较高的压力，消耗了功使排气温度升高，之后制冷剂经冷凝器等温地和四周介质进行热交换将热量传给四周介质。后制冷剂经截流阀绝热膨胀做功，这时制冷剂温度降低。未尾制冷剂通过蒸发器等温地从温度较高的物体吸热，使被冷却物体温度降低。此循环周而复始从而达到降温之目的;

制冷系统及压缩机

为了保证试验箱对降温速率和MIN温度的要求，高低温试验箱的制冷系统采用进口压缩机所组成的复叠式制冷系统，该制冷系统具有匹配合理、可靠性高、使用维护方便等优点;

制冷方式

双机复迭式制冷;除霜方式

高低温试验箱低温室自动除霜，经过电磁阀自动转换将压缩机排气端高温高压气体引入制冷蒸发器，使得蒸发器表面温度升高，凝结水排出室外;

能量调节

高低温试验箱制冷系统的设计应用能量调节技术，一种行之有效的处理方式既能保证在制冷机组正常运行的情况下又能对制冷系统的能耗及制冷量进行有效的调节，使制冷系统的运行费用下降到较为经济的状态

高低温试验箱加温系统软件一般选用镍铬合金电加热器丝立即加温，机器设备工作中时，循环系统电扇使柜内气体造成热对流，带去电阻丝造成的发热量，进而做到对柜内气体加温的实际效果;自动控制系统根据全智能调整，操纵电阻丝的通断時间，加温发热量与耗损发热量做到稳定平衡，保持温度控制的目地。

高低温试验箱制冷机原理：
为了确保环境试验箱对降热速度和溫度的规定，本高低温试验箱的制冷机组选用進口制冷压缩机所构成的复叠式制冷机组，该制冷机组具备配对有效、可信性高、应用维护保养便捷等优势。
高低温试验箱是检验商品是不是耐高低温试验，实验能够取得成功进行，在其中一项关键要素就是说制冷机组，人们的制冷机组采用的是制冷压缩机，愿意保证超低温，务必要具有制冷压缩机。
1、制冷原理：制冷机循环系统均选用逆卡若循环系统，该循环系统由2个等温过程和2个绝热过程构成，其全过程以下：冷媒经制冷压缩机隔热缩小到较高的工作压力，耗费了功使排气管溫度上升，以后冷媒经冷却器等温地和四周物质开展热交换器将发热量发送给四周物质。后冷媒经截流阀绝热变形作功，这时候冷媒溫度减少。冷媒根据空调蒸发器等温地从溫度较高的物块吸热反应，使被水冷却物块溫度减少。此循环系统循环反复进而做到降热之目地;
2、制冷系统及制冷压缩机：为了确保高低温试验箱对降热速度和低溫度的规定，本环境试验箱的制冷机组选用進口制冷压缩机所构成的复叠式制冷机组，该制冷机组具备配对有效、可信性高、应用维护保养便捷等优势;
3、制冷系统的设计方案运用动能调整技术性，一种切实可行的处理过程即能确保在冷冻机组一切正常运作的状况下又能对制冷机组的耗能及空调制冷量开展合理的调整，使制冷机组的运作花费降低到比较经济发展的情况。

高低温湿热试验箱低温控制方式：制冷循环均采用逆向卡诺循环，该循环由两个等温过程和两个绝热过程组成，其过程如下：制冷工质从冷库定压气化吸热后（此时工质通常为干饱和蒸气或接近干饱和蒸气），再进入压缩机在绝热状态下压缩，温度超过环境温度，然后进入冷凝器向环境介质等压散热；在冷凝器内，过热的制冷剂蒸气先等压降温到对应于当前压力的饱和温度，然后继续等压（同时也是等温）冷凝成饱和液状态，进入节流阀，在节流阀处绝热节流降温、降压至对应于循环起始压力的湿饱和蒸气状态，再进入冷库气化吸热，完成循环，和四周介质进行热交换将热量传给四周介质

适用于航空航天产品、信息电子仪器仪表、材料、电工、电子产品、各种电子元器件，在高温、低温或湿热环境下的各项性能指标的检验。

高低温测试有着什么作用和意义呢

在热环境下暴露的可降解塑料可能发生多种物理和化学变化。暴露时间的长短和温度的高低决定了发生变化的程度和类型。高温短暴露周期通常就足以缩短可氧化降解塑塑料的诱导期，这个过程会发生抗氧剂和增塑剂的消耗。物理性能如拉伸强度、冲击强度、伸长率和模量可能在诱导期内引起变化；然而，这些变化通常不是由于分子量的降低，而仅仅是一种随温度变化的响应，如结晶度增加或挥发物减少或二者同时发生。

一般情况下，塑料在高温下的短期暴露会释放出易挥发物质，如水分、溶剂或增塑剂；减少模塑应力；增进热固性塑料固化；提高结晶度；并使增塑剂或着色剂或二者均发生颜色变化。通常，随着挥发物的减少或进一步的聚合反应将会出现进步收缩。某些塑料，如PVC，可能会由于增塑剂的损失或聚合物分子链的断裂面变化。聚丙烯及其共聚物在分子发生降解时往往会变得非常脆，而聚乙烯则会在拉伸强度和伸长率变小和脆化之前变柔软。因此，研究塑料、橡胶、色漆和清漆、高分子材料以及电路板等元件设备在高温下的性能是十分必要的。

高低温测试是用来确定产品在高温气候环境下储存、运输、使用的适应性的方法。试验的严苛程度取决于高温的温度和曝露持续时间。塑料、橡胶、色漆和清漆等高分子材料的高低温测试主要包括热空气老化、耐热试验、耐热性的测定等。热空气加速老化是指试样在比橡胶使用环境更高的温度下暴露，以期在短时间内获得橡胶自然老化的效果。耐热试验是指试样暴露在与橡胶使用环境相同的温变下的试验。

高低温测试主要针对的范围包括电工、电子产品，以及其原器件，及其它材料，测试的严格程度取决于高低温的温度和持续测试时间。高低温可能使产品过热,影响使用安全可靠性，甚至损坏，如：

· 由于各种材料的膨胀系数不同，导致材料之间的粘结和迁移

· 使材料性能发生变化

· 使元器件电性能下降

· 弹性元件的弹性或机械性能强度降低,缩短产品使用寿命

· 加速高分子材料和绝缘材料劣化和老化过程,缩短产品使用寿命。

· 橡胶等柔韧性材料的弹性降低，并产生破裂；

· 金属和塑料脆性增大，导致破裂或产生裂纹；

· 使材料变脆,如塑料、钢铁在低温下容易发生脆裂损坏,橡胶材料硬度增大,弹性下降等。

　　因此，高低温测试的意义重大，而且也很重要！

高低温湿热试验室的操作细节

高低温湿热试验室采用平衡调温调湿方式，可获得准确的温湿度环境。具有稳定、平衡的加热加湿性能，可进行高精度、高温度的温湿度控制。装备智能化的温度调节器，温湿度采用彩色液晶触摸显示屏，可进行各种复杂的程序设定，程序设定采用对话方式，操作简单、迅速制冷回路自动选择，自控装置具有随温度的设定值自动选择运转制冷回路的性能，实现高温度状态下的直接启动制冷，直接降温。

　　底座采用槽钢焊接成网式框架，以便于在水平条件下能承受室体及人员试件的重量，而不产生室体底面凹凸不平及开裂等。室体分为六个室体面及一扇双开或单开式室体大门，室体材料为内胆不锈钢板，外胆为彩钢板，保温介质为聚氨脂硬质发泡隔热，质轻耐抗击，大门材料同样为彩钢板制成，大门拉手为内外开启式，以便于试验人员从封闭的室内自由开启大门。

　　该试验室可以实现试验过程的全程记录和追溯，每台电机均配置过流保护/加热器设置短路保护，确保了设备运行期间的风量及加热的高可靠性，配备USB接口、以太网通讯功能，使得通讯和软件扩展功能满足客户的多种需要。选用流行的制冷控制模式，较传统的加热平衡控温模式耗能减少30%，节能省电。箱体通常由围护结构、风道系统、控制系统、室内测试架构等组成。

为了更好地确保高低温湿热试验室对减温速度和温度的规定，制冷机组选用进口制冷压缩机所构成的复叠式制冷机组，该制冷机组具备搭配有效、可信性高、应用维护保养便捷等优势。

在使用时，这些细节不能忽略，具体是哪些呢？一起来跟着小编看看吧。

1、严格遵守系统操作规程，避免他人违章操作系统。

2、非技术人员不可对本机器进行拆装修理，如需拆装修理，须在确保断电以及有人员陪同监护的情况下进行操作，以免发生意外事故。

3、开关门时或从试验箱内取放测试物时，不得让测试物品和箱门或箱沿的胶边接触，以防胶边被磨损。

4、周围地面要随时保持清洁，以免大量灰尘吸入机组内恶化工作条件及降低使用性能。

5、使用中应注意保护，不可受到利器或钝器的碰撞。在试验室内放置的试验产品离空气调节通道的吸、排风口应有一定的距离，以免妨碍空气的流通。

6、长时间停机不用，会影响系统的有效使用寿命，因此，系统每10天至少要开机运行一次。不要在短时间内反复地使系统。运行一停止，每小时启动次数应小于5次，每次开-停的时间间隔不小于3min。不要在低温时打开大门，以防止损坏门密封带。

7、坚持每次试验完毕后，将温度设定在环境温度附近，工作30分钟左右，再切断电源，并擦干净工作室内壁。

8、定期（每3个月）清洗蒸发（除湿）器：因试品的洁净等级各异，在强制风循环作用下，蒸发（除湿）器上会凝聚很多尘埃等小颗粒物体，应定期进行清洗。

9、冷凝器应定期保养，保持清洁。灰尘粘糊冷凝器会使压缩机散热不佳导致高压开关跳脱而产生误报警，冷凝器应定期保养。

10、加湿器定期清洗，以免产生水垢影响加湿器的工作效率和使用寿命，以及造成供水管路的堵塞。清洗时拆开工作室蒸发器挡板，使用软质刷子洗刷加湿器，用清水冲洗后及时排干。

11、湿球的测试布要经常检查，当测试布表面不干净或变硬，须予以更换，否则会影响到控制系统对湿度感测试的准确性。测试布一般三个月更换一次，更换时先把积水头清洗干净，用清洁布将测温体擦拭干净再换上测试布，更换新测试布时应保证手部清洁。

• 上海简户仪器设备有限公司是一家高科技合资企业,生产销售盐雾箱、恒温恒湿机、冷热冲击机、振动试验机、机械冲击机、跌落试验机的环境试验仪器的公司，研发生产销售经营各类可靠性环境试验设备。经验丰富，并得到许多国内外厂商的信赖与支持。

• 　　自公司成立以来,多次服务于国内外大学和研究所等检测机构,如清华大学、苏州大学、哈尔滨工业大学、北京工业大学、法国申美检测、中科院物理所、中科院，SGS等**单位提供实施室方案和设备及其相关服务。努力开发半导体、光电、光通讯、航天太空、生物科技、食品、化工、制药等行业产品所需的测试设备装置。公司拥有一支的研发、生产和售後队伍，从产品的研发到售后服务，每一个环节都以客户的观点与需求作为思考的出发点。

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  　　为适应市场快速变化及客户多样化的要求，上海简户仪器设备有限公司研发了性能与可靠性**JianHuTest产品系列.从精密零件到电脑资讯系统及有线无线通讯产业，均可提供高品质的设备与完善的售后服务。

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• 简户是集设计、销售、研发、维修服务等为一体的综合集团公司，从产品的研发到售后服务，每一个环节之间，都以客户的观点与需求作为思考的出发点，提供的环境设备。公司创始人从事仪器设备行业20余年，经验丰富、资历雄厚，带领简户公司全体同仁携手共建辉煌明天。公司成立以来，积极投入电子电工，航空，航天，生物科技，各大院校，及科研单位等行业所需的产品测试设备装置。
  　　

• 简户拥有一支的研发、生产和售后服务队伍，从产品的研发到售后服务，每一个环节都以客户的观点与需求作为思考的出发点，目前拥有博士学位2人，硕士5人，参与环境试验箱国家标准起草和发行。企业制定标准，行业里通过ISO9001。是中国仪器仪表学会会员和理事单位。曾荣获CCTV《中国仪器仪表20强品牌》殊荣，2010年入驻上海世博会民企馆。简户自创办以来，参与3项国家标准起草与制定，获得40+件原创知识产权、软著、集成电路)，6次获得上海科技型中小企业称号，合作过3200+家合作客户(其中世界500强高校600家)。
  　　

• 简户仪器今后必将牢记为客户提供优质产品和服务的宗旨，不忘为行业贡献前沿科学和技术的初心，再接再厉，砥砺前行！

• 【简户仪器简介:成立2005年，是一家研发，生产，销售及售后齐全的综合性设备生产单位，多次评为科技型中小企业，并是国家高新技术企业，客户遍布高分子，汽车，半导体，塑胶，五金，科研院校，第三方检测等】

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