低溫低壓環(huán)境艙壓力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王云開++夏遠(yuǎn)哲++李健

摘 要：低壓環(huán)境艙用于模擬不同溫度、濕度下低壓環(huán)境，要求壓力滿足GJB要求，對(duì)壓力的穩(wěn)定性、升降速率都有一定的要求。該文針對(duì)0～5 000 m海拔要求，設(shè)計(jì)了真空系統(tǒng)和復(fù)壓系統(tǒng)，較好地完成了低溫低壓環(huán)境艙對(duì)壓力的要求。

關(guān)鍵詞：低壓環(huán)境艙 壓力系統(tǒng) 真空系統(tǒng) 復(fù)壓系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：V235 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）11（b）-0028-02

我國(guó)地域遼闊，環(huán)境情況多樣，是車輛使用環(huán)境復(fù)雜的國(guó)家之一，特別是高原地區(qū)海拔最高、面積最大。眾所周知，高原海拔高、空氣稀薄、晝夜溫差大、氣候多變、紫外線強(qiáng)、地貌復(fù)雜等特點(diǎn)。為了提高產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度，減少開發(fā)費(fèi)用，在高原實(shí)際環(huán)境試驗(yàn)之前，一般在人為模擬的高溫、高濕、低壓、低溫環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)研究。低氣壓環(huán)境倉(cāng)是一個(gè)密封低壓艙，一般包括溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)、艙體、熱交換系統(tǒng)等。其中壓力的實(shí)現(xiàn)是由壓力控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。在控制系統(tǒng)的控制下，真空泵用于負(fù)壓的建立，通過(guò)變頻器改變真空泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)不同的抽氣速度，實(shí)現(xiàn)不同壓力的建立和保持。

1 壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高低壓環(huán)境艙設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

模擬環(huán)境箱模擬海拔高度變化范圍在當(dāng)?shù)睾０胃叨?～5 000 m之間，因此壓力系統(tǒng)只有真空系統(tǒng)一個(gè)部分，真空系統(tǒng)用于模擬高海拔狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的真空度，同時(shí)要保證升降壓速率要求。壓力系統(tǒng)主要由真空泵組、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)閥組、傳感器、截止閥等組成。壓力系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

真空系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)低氣壓、高低溫、高濕環(huán)境箱所需的低氣壓環(huán)境，系統(tǒng)由真空機(jī)組、閥件及其他附屬設(shè)備組成。壓力控制子系統(tǒng)原理如下。

在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，管道中的氣體流量和導(dǎo)氣能力計(jì)算方法不同，由于在真空抽氣過(guò)程中湍流的出現(xiàn)時(shí)間較短，常常不加以單獨(dú)考慮，而是將其歸入粘滯流態(tài)。其他流動(dòng)狀態(tài)的判別可用克努曾數(shù)λ/d 或管道中平均壓力p與幾何尺寸d的乘積pd作為判據(jù)。

當(dāng)粘滯流滿足λ/d<1/100的條件時(shí)，pd>1 Pa·m；當(dāng)中間流滿足1/100<λ/d<1/3的條件時(shí)，0.03 Pa·m

根據(jù)以上分析，環(huán)境箱真空系統(tǒng)在常用工作高度內(nèi)，主要為粘滯流，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中流導(dǎo)按粘滯流進(jìn)行計(jì)算。

環(huán)境箱為單室試驗(yàn)設(shè)備，其有效容積約為10 m3，最大工作高度5 000 m（54.0 kPa），高度升降速率按5 m/s計(jì)，則箱內(nèi)海拔高度由當(dāng)?shù)兀ò?01 kPa）升至5 000 m所需時(shí)間最少為1 000 s。

在真空泵的選型計(jì)算：

式中：s為泵的計(jì)算抽速（m3/h）；V為箱體的最大箱容（L）；t為高度上升時(shí)間（s）；P1為箱體初始?jí)毫Γ╧Pa）；P2為箱體最終壓力（kPa）。

一般情況下，泵的名義抽速取泵計(jì)算抽速的1.3倍。

式中：S名為指泵的名義抽速（m3/h）；S為指泵計(jì)算抽速 （m3/h）。

即按最大上升速率計(jì)算所需真空泵的名義抽速為25 m3/h。

3 復(fù)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

需要恢復(fù)壓力時(shí)，中央控制器按最終壓力目標(biāo)或升壓速率自動(dòng)調(diào)節(jié)真空泵的開啟或高真空閥的開閉時(shí)間，以達(dá)到所需升壓速率或最終壓力。具體計(jì)算如下。

低氣壓、高低溫、高濕環(huán)境箱需下降高度時(shí)，依靠向艙內(nèi)補(bǔ)充常壓空氣實(shí)現(xiàn)，因復(fù)壓速率為182.6 kPa/h，環(huán)境箱高度為 54 kPa，高度恢復(fù)100 kPa的時(shí)間為30 min。

在艙內(nèi)絕對(duì)壓力為54 kPa，要使艙內(nèi)壓力升至100 kPa，即將艙室內(nèi)空氣轉(zhuǎn)換為常壓狀態(tài)，假設(shè)在此過(guò)程中忽略溫度變化的影響，根據(jù)理想氣體定律有：P1V1= P2V2，則變化后的空氣量為：

式中：P1為初始?jí)毫?；P2為終始?jí)毫?；V1為變化前容積（m3）；V2為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下艙內(nèi)氣體的容積（m3）。

則需要補(bǔ)充的新風(fēng)量=9.36-4.99= 4.37m3，因艙室高度（海拔）下降到當(dāng)?shù)睾０胃叨鹊臅r(shí)間為30 min=0.5 h，則新風(fēng)流量為4.37/0.5 =8.74 m3/h。為保證系統(tǒng)具有良好的可調(diào)節(jié)性能（實(shí)現(xiàn)不同的降壓速率），因此系統(tǒng)設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)（見表1）。

在新風(fēng)補(bǔ)充的過(guò)程中，艙內(nèi)壓力是不斷變化的，初始時(shí)可資用壓力（管道兩端壓差）遠(yuǎn)大于空氣流動(dòng)所需的動(dòng)壓，此時(shí)流速高于計(jì)算流速，實(shí)際的風(fēng)量大于設(shè)計(jì)流量。因此計(jì)算結(jié)果完全可以滿足下降速率的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

該低壓環(huán)境艙實(shí)現(xiàn)了海拔高度變化范圍為0～5 000 m（54.0 kPa），高度控制精度為±3 kPa（3%～4%）；高度升、降速率≤5 m/s。較好地滿足了GJB150A中試驗(yàn)的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2014.

[2]施振球，趙廷元.動(dòng)力管道手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1997.