高低温冲击试验箱制冷系统设计

中图分类号 +/0.&+-1
文献标识码 +%
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为检测仪器 % 仪表 % 机械 % 电工 % 电子产品整机及零部 件等在耐寒 % 温度快速变化或渐变条件下的适应性 " 以便 对试验品在拟定环境条件下的性能 % 行为作出分析及评 价 " 需要一种能使被测元件和仪器经受反复快速的温度 变化的环境装置 & 高低温冲击试验箱通过高低温的交替 变化 "检测样品的电性能和机械耐久性的变化情况从而筛 选出结构上的缺陷 "诸如包装密封不佳 %引线焊接不良 % 塑 料裂缝等 & 在高低温冲试验装置中 " 为了得到低温环境 " 近年来自然复叠式制冷系统循环以其结构简单 % 效率高 和适应强等优点而不断地得到应用 "!!"#& 本文首先对高低 温冲击试验箱的工作原理进行阐述 " 并根据温度冲击试 验的要求选定了自然复叠制冷系统 " 进而确定试验箱热 负荷 " 并对制冷系统设计进行深入分析 &
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!, 高温室
图!
., 气压传动装置
试验箱原理图
#, 低温室 &, 蒸发器 -, 加热块 (, 制冷机组 ’, 板式换热器
", 载物篮与试验元件
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技术指标 试验箱的设计执行 ( 温度冲击实验) * )*+!($,( $-.$
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试验箱工作原理 工作原理 图 ! 是高低温冲击试验箱的原理示意图 & 试验箱通
技术标准 "温度冲击试验条件 + 试验温度 + 高温为 ’$" #低温为 $((" & 试验温度保持时间 +! / 或直至试验样品达到温度稳 定 "以时间长为准 & 转换时间 +!( 012 & 循环次数 +# 次 & 试验箱也可根据检测的要求 " 预先设定各温室温度 和传动机构的移动速度 " 完成不同等级的温度冲击试验 & 温度冲击试验箱可实现的等级温度冲击试验 + 高温温度等级为 + ’$
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* "$ 低温温度等级为 + $"( $&$ $(( $.(
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制冷系统确定 高低温冲击试验箱选用自然复叠式制冷系统 " 通过
#"! 制冷方式选择
一台压缩机实现混合工质循环 " 具有精馏装置的自然复 叠式制冷是在传统制冷系统的基础上 " 增加了精馏装置 % 中间换热器和冷凝蒸发器 " 有效将不同沸点组分制冷剂 分 凝 " 提 高 制 冷 系 统 运 行 效 率 " 可 以 实 现 $"("#$’$" 宽 范围内的温度调节 "##.#& 图 " 为制冷系统原理图 & 当混合工质从压缩机 3 排出后 " 在冷凝器 + 充分冷
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机械设计
高低温冲击试验箱制冷系统设计
毛雪东 !! 王铁军 !! 石国丽 "! 左承基
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!!! 合肥工业大学 机械与汽车工程学院 " 安徽 合肥 "#$$$%#"! 中国电子科技集团公司第十六研究所 " 安徽 合肥 "#$$&# $
摘
要 + 高 低 温 冲击 试 验 箱是 一 种 提供 高 % 低 温的 环 境 设备 " 主 要 用于 机 械 % 电子 % 电 工 等领 域 的 一 些 产 品 进 行 高 % 低 温
!! 冷凝蒸发器 ( 换热效率 !!$’06#
而冷凝蒸发器内所需高温制冷剂量为 <
#,’ 载物篮运动过程中高温室与低温室的空气漏热 # #%’ 载物篮带入低温室的自身热负荷 # #$’ 低温室与外界环境换热 # #-’ 试验箱自身热容 # #.’ 被测元件带入低温室的热负荷 # #/’ 其它附件热负荷 "
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混合工质计算分析 冲 击 试 验 箱 以 !*’" 为 设 计 工 况 ( 低 温 室 温 度 恒 定
为 !*’" !被测元件的转换时间不大于 . 345 " 蒸发器内制 冷剂 在 !*." 温 度 下 蒸 发 ! 压 缩 机 吸 气 温 度 为 ,’" ! 可 保 证进入压缩机的制冷剂为气态工质 !6"! 表 , 为制冷系统状 态表 "
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负荷分析与确定 高低温冲击试验箱制冷系统设备的选取 ! 是以低温
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同理结合系统状态表 ( 的参数 ! 可得出冷凝蒸发器
图"
冲击试验负荷示意图
( 负荷 #( 为 <
% (%,:(%’& % 9 (,,:(,’& &!$.0$ 12 # ( $#
击试验 " % #,%#%%#&%#-%#.%#$& &! #$
"%& 液体节流蒸发 !蒸发器 ) 获得低温 " 该循环采用精馏
柱代替多级分凝器 ! 有效将高沸点与低沸点制冷剂在精 馏柱内分离 ! 在循环中实现复叠 " 自然复叠制冷系统只有一台压缩机 ! 其它设备为非 运动件 ! 结构简单 !降低运行故障率 !简化系统控制 " 与二 元复叠制冷相比 ! 系统紧凑减小了机组尺寸 ! 节约出更多 安装空间 # 可以制取更低温度的低温环境 ! 进行宽范围的 温度调节 "
环境的性能测试 % 筛选或考核实验 & 文中进行了高低温冲击试验装置结构及其制冷系统设计 " 利用具有精馏装置的自然 复叠式制冷循环系统获得冷源 " 使 用 "##$"#% 混合 工 质 " 低温 室 内 温度 可 到 达 #&’$ " 实 现 宽范 围 的 温度 自 动 调节 & 试 验箱执行 ( 温度冲击实验) * ()*+,’-,#.!$ 技术标准 " 可以满足温度冲击试验的需求 & 关键词 + 试验装置 # 制冷系统温度冲击 # 自然复叠
其中 #%$#-$#. 为主要热负荷 ! 约占低温室总热负荷
பைடு நூலகம்
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自然复叠制冷系统通过冷凝蒸发器将高温级与低温 级有机结合起来 ! 只有当制冷系统高温级充分冷却了低 温级冲击试验负荷时 ! 整体系统才可以稳定工作 ! 所以系 统中高温工质与低温工质的比例 <
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机械工程师
!""! 年第 ! 期
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机械设计
考虑制冷系统运行压力不可太高和快速降温的要 求 !!"" 占组分 #$! "!%$ 占组分的 "&! ! 可产生足够冷 量来冷却低温室 ! 保证试验箱温度冲击试验的冷量需求 #
!
试验箱实验结果 通过以上计算分析 ! 我们对自然复叠制冷系统和二
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制冷系统部件设计分析 高低温冲击试验箱的工作负荷大 ! 且试验箱体积大 !
一般安装在试验室拐角位置 ! 空气流通不畅 ! 影响冷凝设 备 " 压缩机的换热 $ 故冷凝冷却器采用高效板式换热器 ! 压缩机采用水冷方式 ! 如图 ’ 所示 $ 夏季工况冷却水进口温度为 %&" ! 回水温度 $(" ! 将 试验箱各发热装置的热量带走 ! 明显提高工作效率 $ 冷却 水进水先由冷凝冷却器流入 ! 冷却散热器内混合工质后 ! 进入压缩机环肋部冷却水绕管 ! 冷却压缩机 ! 可保证冷却 水冷却机组冷凝负荷后 ! 还有足够的温度空间冷却压缩 机 ! 增强换热效果 $ 压缩机的高低工作压力各设定为 %%)* +,- %%’% +,- ! 高压部安装有高压旁通阀 ! 保证制冷系统在安全压力范 围内运行 $ 采用谷轮公司高效低温压缩机 ! 对压缩机的外 部结构进行适当改动 ! 充分利用压缩机的环肋结构 ! 将板 式换热器的回水管固定在肋槽内 ! 使冷却水管紧密缠绕 在压缩机的外壁 ! 增强冷却水与压缩机的换热效果 ! 使压 缩机在正常温度范围内工作 ! 提高压缩机工作效率和稳 定性 ! 同时减小了冷却水的流动阻力 $ 在选定的环境工况 下 ! 根据自然复叠式制冷机的工作原理和低温箱体结构 尺寸进行热力计算来选择设备 & 根据压缩机理论输气 量和实际输气量计 算 !选 用了一台排气量为 )) ./01 ’ 功 率 为 ((12 ( 的 谷 轮 压 缩机 ! 作为高低温级制冷 剂循环使用 # 蒸发器负荷由试验箱 热负荷和箱内换热系数确
使用 "## 和 "#& 非共沸混合工质 ! 试验箱低温室所 需冷量为 &.’’ 2" 为了便于循环中工质计算!作以下假设 ( % (& 忽略 管 道 内 的 压 力 损 失 ! 系 统 中 只 有 高 压 &1$ 中 压 &3$ 低压 &7" % )& 循环 时 热 量 交 换 只 在 换 热 器 内 进 行 ! 换 热 器 $ 管 道与环境无热量交换 ! 而且各换热器间无相互干扰 " % *& 混合工质循环时 ! 高低温制冷剂在精馏柱内完全 分离 !在循环中无有害积液 " 制冷剂充注时 ! 结合系统工作原理和系统各点状态 进行分析和比例计算 ! 来确定高低温工质组分构成 " 试验 箱完成温度冲击试验的负荷为 #$&0. 12 ! 即低温级 蒸 发 器制取的冷量 ! 如图 # 所示低温制冷剂 "#& 流出后经过 节流阀 8,! 以 ,’ 点 状 态进 入 蒸 发 器 ! 通 过 压 缩 机 的 吸 气 作 用 ! 再 以 ,, 点 的 饱 和 蒸 汽 状 态 流 出 蒸 发 器 ! 蒸 发 器 内 所需低温制冷剂 "#& 量为 ( 室热 负 荷 为 依 据 ! 逐 步 确定 其 它 的 制 冷 设 备 " 分析温度冲击试验的 技 术 标 准 $被 测 元 件 运 动 中 漏 热特 点 $ 材 料 的 应用等因素 !*#+"" 高低温 冲击试验箱的理论热负 荷如图 $ 所示 ! 被测元 件正进行由高温区向 低温区运动的温度冲
过机组的加热系统和制冷系统 " 分别产生一个高温环境 ! $"("#$’$"’ " 根 据 温 度 ! ’$"#!"("’ 和 一 个 低 温 环 境 冲击试验的相关要求 " 将被测元件放入指定温室的载物 篮内 " 待两温室达到预设温度且稳定时 " 通过传动机构牵 动载物篮 " 实现篮内被测元件在高低温室间的移动 & 移动 过程中高低温室相通 " 被测元件也由高温或低温状态进 入另一温室 " 所以会有大量冷热负荷带入 " 机组要通过制 冷系统或加热系统迅速恢复到各温室预定温度 & 当被测 元件所在温室温度长时间保持稳定后 " 再经过传动机构 将载物篮反向牵动 " 把被测元件带回原温室 " 同样须迅速 恢复到预定温度 " 当温度再次长时间稳定后 " 再重复上述 操作 " 完成多次温度循环冲击试验 & 高低温冲击试验箱结构上划分为制冷系统 % 加热系 统 %传动系统和电气控制系统四部分 " 试验箱的箱体采用 两箱纵向布置 " 此种布置方式整体结构简单 " 降低了载物 篮在两温室间运动时发生故障的可能性 & 传动系统采用 气压传动装置 " 而且便于载物篮和元件移动速度的调节 " 可快速实现被测元件在高低温室间的温度冲击 &
机械工程师
!""! 年第 ! 期
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机械设计
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的 +.’ 左右 ! 主要因被测元件的材质不同 ! 而使温度冲击 试验热负荷发生变化 " 结合加工水平与试验箱整体结构 漏热点较多等特点 ! 热负荷的修正系数取值 " $,0& ! 所以 最终确定温度冲击试验热负荷为 &0. 12 "
元复叠制冷系统的工作特性进行了比较 ! 认为完全可以 满足冲击试验的要求 ! 降温特性 % 多等级温度冲击特性达 到了试验箱技术指标的要求 ! 但是仍需对低温室内的蒸 发器及室内风扇做相应的调整 ! 以进一步提高低温室内 的温场均匀度 ! 其性能测试及试验比较见表 % #
表#
项 目 有效负荷 06 制冷剂 压缩机数量 0 台 排气温度 0" 绝热效率 降温范围
凝后进入精馏柱 ! 的柱釜加热柱釜液 ! 然后节流进入塔 内 !经过精馏分离后 !低温制冷剂 "#$ 热交换后进入柱顶 蒸发器 ! 而含 "%# 制冷剂被冷却成液体从柱底流出 ! 经节 流 再 与 "#& 回 气 混 合 ! 在 冷 凝 蒸 发 器 内 !%’" 温 度 下 蒸 发 !蒸发将柱顶 "#& 制冷剂冷凝为液体 ! 混合制冷剂在压 缩机的吸气作用下经回热器 ( 回到压缩机 " 而冷凝后的
表# 图!
=< 制冷压缩机 >< 冷凝器
系统状态点
温度 9" ) % 1; ) 熵 918 0& !( 干度
制冷系统原理图
!< 精馏柱 )< 蒸发器 (< 汽液热交换器 8< 节流元件
状态点
压力 91?@
) 焓 918 1;!(
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