高低溫交變濕熱試驗箱溫濕度性能實驗研究

王 茂 孫志高 李成浩 張愛軍 王功亮

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高低溫交變濕熱試驗箱溫濕度性能實驗研究

王 茂1孫志高1李成浩1張愛軍1王功亮2

（1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 蘇州 215011；2.蘇州科阿特科學(xué)儀器有限公司 蘇州 215222）

選擇R404A作為高低溫交變濕熱試驗箱制冷系統(tǒng)的制冷劑，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了高低溫交變濕熱試驗箱，并對該試驗箱的溫濕度性能進行了測試。實驗結(jié)果表明，利用R404A作為制冷循環(huán)工質(zhì)，電加熱作為升溫與溫度穩(wěn)定調(diào)節(jié)手段，采用PID控制方式，高低溫交變濕熱試驗箱內(nèi)的溫度可穩(wěn)定控制在-40℃～150℃范圍，溫度偏差≤±0.3℃。采用冷卻除濕和電加熱蒸汽加濕方式，相對濕度可控制10%RH～98%RH，濕度偏差≤±1.5%RH。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，表明高低溫交變濕熱試驗箱的設(shè)計達到了要求。

制冷劑；R404A；高低溫交變濕熱試驗箱

0 引言

高低溫交變濕熱試驗箱是國防、航天、汽車、電子、電器、儀器儀表、材料、化工、食品及制藥等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的測試設(shè)備，供用戶對整機（或部件）、電器、儀器、材料、涂層、鍍層等作相應(yīng)的高低溫漸變試驗、濕熱試驗、耐寒與耐高溫試驗等，對試樣在特定環(huán)境條件下的性能、適應(yīng)性作出分析及評價，是科學(xué)研究和生產(chǎn)過程必不可少的重要試驗設(shè)備[1-3]。

據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計，高低溫濕熱試驗箱是需求最廣泛的環(huán)境試驗設(shè)備之一[4]。由于生產(chǎn)和科研需求的增加，溫濕度的要求范圍越來越大，控制精度要求也越來越高，傳統(tǒng)的高低溫濕熱試驗箱已不能滿足現(xiàn)代社會發(fā)展的需求[5-10]。因此，本文利用R404A作為制冷工質(zhì)，采用單級壓縮制冷、PID控制和電加熱蒸汽加濕技術(shù)，結(jié)合空氣循環(huán)優(yōu)化，構(gòu)建了高精度高低溫交變濕熱試驗箱，并對其溫濕度性能進行了實驗研究。

1 制冷工質(zhì)的選擇

氟利昂根據(jù)其要素構(gòu)成分為三類：一是氯氟烴類，簡稱CFC，這類氟利昂分子中含有兩個或三個氯離子；二是氫氯氟烴類，簡稱HCFC，這類氟利昂分子中含有一個或兩個氯分子；三是氫氟烴類，簡稱HFC，這類氟利昂中不含氯離子。根據(jù)《蒙特利爾議定書》的規(guī)定，發(fā)達國家CFC類產(chǎn)品1996年1月1日停用，HCFC類產(chǎn)品2030年1月1日停用。發(fā)展中國家CFC類產(chǎn)品2010年全部停止使用；HCFC類產(chǎn)品2016年開始受限，2040年全部停止使用?！毒┒甲h定書》規(guī)定，二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、HFC類產(chǎn)品、氫氟碳化合物和六氟化硫等6類氣體均屬于溫室氣體，對發(fā)達國家提出了減少溫室氣體排放要求。為滿足高低溫交變濕熱試驗箱的低溫環(huán)境要求，兼顧制冷系統(tǒng)性能及壓縮機工作的可靠性，本文選擇R404A作為制冷劑。R404A由HFC143、HFC125、HFC134a組成，其物理性質(zhì)見表1。

表1 R404A制冷劑物性參數(shù)

2 實驗裝置與實驗

圖1為高低溫交變濕熱試驗箱裝置原理圖。該實驗裝置主要包括制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、控制和數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、干燥過濾器和蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)閥等組成。加熱系統(tǒng)采用鰭片式不銹鋼電加熱器。加濕系統(tǒng)采用電加熱蒸汽加濕方式，減小加濕對溫度波動的影響。試驗箱的外型設(shè)計尺寸為950mm×1325mm×1850mm，內(nèi)箱尺寸為750mm×755mm×850mm，容積約480L。為了使溫濕度的控制精度能快速達到設(shè)定的環(huán)境要求，實驗裝置采用并聯(lián)5組電磁閥和膨脹閥，分別承擔(dān)不同溫濕度條件下的功能。RC1和RC2膨脹閥起到快速降溫的作用；RC3膨脹閥應(yīng)用于一般除濕，RC4膨脹閥用于強除濕工況；RC5膨脹閥不經(jīng)過蒸發(fā)器，直接接到壓縮機進氣口，保護壓縮機（蒸發(fā)器出口溫度在-11℃以下常閉，-11℃以上常開，冷卻壓縮機）。具體工作工況見表2?？刂坪蜏y試系統(tǒng)包括溫度傳感器、壓力表和數(shù)據(jù)采集器等組成。為了研究壓縮機吸、排氣的狀況，在壓縮機的進出口設(shè)置了壓力測試點。另外，在高低溫交變濕熱試驗箱內(nèi)、壓縮機進出口和壓縮機外殼等設(shè)置測溫點。

表2 不同工況下的動作說明

圖1 高低溫交變濕熱試驗箱實驗裝置

單級壓縮制冷系統(tǒng)抽真空后充入適量R404A制冷劑。為了防止誤操作，電源接通后壓縮機延遲30s再啟動。當(dāng)設(shè)定溫度為高溫時（高于環(huán)境溫度10℃），直接采用鰭片加熱器加熱，制冷系統(tǒng)不工作。在PID調(diào)節(jié)下，當(dāng)加熱輸出功率與箱體散熱達到平衡時，試驗箱內(nèi)溫度達到穩(wěn)定。設(shè)定溫度為低溫工況時，制冷系統(tǒng)啟動，溫度接近設(shè)定溫度時，加熱器在PID控制下開始輸出熱量，試驗箱溫度穩(wěn)定在需要的范圍。當(dāng)溫度和濕度同時需要控制時，濕度控制采用冷卻除濕與蒸汽加濕相結(jié)合，達到濕平衡。如果是高溫控濕，溫度控制是電加熱和箱體對外散熱相結(jié)合，如果是低溫控濕，溫度控制是電加熱和制冷系統(tǒng)相結(jié)合,使得試驗箱內(nèi)溫濕度穩(wěn)定在需要的范圍。本文對高低溫交變試驗箱高低溫工況、高濕工況、中濕工況和低濕工況的進行了測試，研究高低溫交變濕熱試驗箱溫濕度的控制性能和穩(wěn)定性。

3 結(jié)果與討論

圖2為試驗箱制冷系統(tǒng)工作過程中壓縮機的吸氣和排氣壓力變化情況。圖2表明，機組啟動后，吸氣壓力迅速下降，然后吸氣壓力逐漸穩(wěn)定；排氣壓力先迅速升高，然后逐漸下降最后穩(wěn)定。575秒后制冷系統(tǒng)壓縮機的排氣壓力穩(wěn)定在0.9MPa左右，吸氣壓力在0.1MPa左右，壓縮機的壓比大約為9，表明壓縮機工作穩(wěn)定。

圖2 壓縮機吸氣壓力、排氣壓力變化

圖3 高低溫交變濕熱試驗箱箱內(nèi)溫度隨時間升溫曲線

圖3是試驗箱高溫工況的升溫曲線。試驗箱內(nèi)溫度設(shè)定目標為150℃，在該工況制冷機組停止工作。在控制器PID的調(diào)節(jié)下，根據(jù)試驗箱的實際測量溫度信號與設(shè)定溫度之間的差值控制加熱器的輸出功率，試驗箱內(nèi)溫度逐漸升高。開始時段由于試驗箱內(nèi)實際溫度與設(shè)定溫度相差較大，加熱輸出功率大，升溫速率大。隨著試驗箱內(nèi)溫度接近設(shè)定溫度，加熱器輸出功率減小，試驗箱內(nèi)的升溫速率逐漸降低，經(jīng)過約2200s，溫度穩(wěn)定在150℃，溫度波動不超過±0.3℃。

圖4為試驗箱低溫工況的降溫曲線，實驗設(shè)定溫度條件是-40℃，由于是低溫工況，不控制濕度。制冷系統(tǒng)啟動后，試驗箱內(nèi)溫度隨時間逐漸降低，開始時段的降溫速率明顯大于后面時段的降溫速率。當(dāng)試驗箱內(nèi)溫度接近設(shè)定溫度，加熱器在PID控制下開始輸出熱量，溫度逐漸穩(wěn)定，經(jīng)過約3200s，溫度穩(wěn)定在-40℃，溫度波動在±0.2℃以內(nèi)。

圖4 高低溫交變濕熱試驗箱內(nèi)溫度隨時間降溫曲線

高溫和低溫工況都是典型的不控制濕度的工況，圖5～圖7是3組典型的溫濕度同時控制條件下的試驗箱溫濕度實驗結(jié)果。圖5是溫度設(shè)定為20℃、濕度為98%RH高濕工況實驗結(jié)果，試驗箱內(nèi)溫度隨時間逐漸降低并穩(wěn)定，濕度隨時間逐漸上升。實驗開始時段的升濕速率明顯大于后面時段的升濕速率。圖5同時表明溫度穩(wěn)定后濕度也逐漸穩(wěn)定。經(jīng)過約1400s，溫濕度均達到了設(shè)定值。溫度穩(wěn)定在20±0.2℃，濕度穩(wěn)定在98±1.0%RH。

圖5 高低溫交變濕熱試驗箱內(nèi)溫度和濕度隨時間變化曲線

圖6的實驗工況條件是溫度65℃，濕度為40%RH，是典型的中溫中濕實驗條件。實驗結(jié)果表明，試驗箱內(nèi)溫度隨時間差不多呈線性降低，濕度隨時間先逐漸上升然后逐漸下降。濕度一開始上升可能是由于試驗箱內(nèi)溫度降低而除濕沒有及時去除。隨著時間的推移，溫度和濕度逐漸降低，穩(wěn)定在設(shè)定值。經(jīng)過約900s，溫度穩(wěn)定在65±0.3℃，濕度穩(wěn)定在40±1.3%RH。

圖6 高低溫交變濕熱試驗箱內(nèi)溫度和濕度隨時間變化曲線

圖7的實驗條件是溫度設(shè)定為60℃，濕度為10%RH，屬于低濕實驗工況。試驗箱內(nèi)溫度隨時間逐漸上升并穩(wěn)定，濕度隨時間逐漸下降并趨于穩(wěn)定。經(jīng)過約400s，溫度和濕度接近于設(shè)定值，PID運算減少加熱器的輸出，由于10%RH較低，經(jīng)過一段時間波動后，最終經(jīng)過約550s，溫度穩(wěn)定在60±0.3℃，濕度穩(wěn)定在10±1.5%RH。

圖7 高低溫交變濕熱試驗箱內(nèi)溫度和濕度隨時間變化曲線

4 結(jié)論

利用近共沸混合制冷劑R404A作為制冷工質(zhì)的單級蒸氣壓縮制冷，采用PID控制電加熱和蒸汽加濕以及冷熱平衡技術(shù)，設(shè)計并構(gòu)建了高低溫交變濕熱試驗箱實驗裝置，實現(xiàn)了-40℃～150℃控溫，10%～98%RH控濕的需求。實驗結(jié)果表明，在高溫、低溫、高濕、中濕和低濕實驗過程中，系統(tǒng)控溫和控濕過程穩(wěn)定、可靠。在制冷循環(huán)工作過程中，壓縮機的吸氣、排氣壓力分別穩(wěn)定在0.1MPa和0.9MPa左右，壓縮比在合理范圍內(nèi)。高低溫交變濕熱試驗箱溫度穩(wěn)定偏差不超過±0.3℃，濕度穩(wěn)定偏差不超過±1.5%RH，滿足控制箱的多種工況的需要，測試結(jié)果表明高低溫交變濕熱試驗箱性能良好，控制精度高，可滿足用戶對試驗箱溫濕度控制精度的要求。

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Experimental Study on the Performance of Temperature and Humidity of High and Low Temperature-humidity Alternating Test Chamber

Wang Mao1Sun Zhigao1Li Chenghao1Zhang Aijun1Wang Gongliang2

( 1.School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou, 215009;2.Suzhou Kert Science Instrument Co., Ltd, Suzhou, 215222 )

R404A is chosen as the refrigerants of the high and low temperature-humidity test chamber. A set of refrigeration unit for the high and low temperature-humidity test chamber is designed and tested. The results show that the temperature of the high and low temperature-humidity test chamber can reach -40℃ to 150℃ with in the deviation of ±0.3℃ using PID control method. The humidity of the high and low temperature-humidity test chamber can reach 10% RH to 98%RH with in the deviation of ±1.5%RH using cooling dehumidification and steam humidification methods. The system works stable. The results also show that the design of high and low temperature-humidity test chamber is successful.

Refrigerant; R404A; High and low temperature-humidity alternating test chambe

1671-6612（2016）05-573-04

TB65

A

江蘇省自然科學(xué)基金項目（BK2012602）資助

王 茂（1992.3-），男，在讀碩士研究生，主要從事制冷與空調(diào)技術(shù)研究，E-mail：wmusts@163.com

孫志高（1966.9-），男，博士，教授，主要從事節(jié)能與儲能技術(shù)研究，E-mail：szg.yzu@163.com

2015-09-14