大型多因素環(huán)境復(fù)合試驗(yàn)艙室的研制

陳斌，胡醇，胡德霖，王林，黃濤，羅峰，梁立峰

（蘇州電器科學(xué)研究院股份有限公司，蘇州 215104）

引言

環(huán)境適應(yīng)性是工業(yè)及特種、尤其是武器裝備產(chǎn)品的最重要質(zhì)量特性，影響、制約裝備性能發(fā)揮、影響戰(zhàn)爭進(jìn)程，乃至決定戰(zhàn)爭勝負(fù)。為考察產(chǎn)品的（溫度、濕度、氣壓、振動(dòng)和沙塵等）環(huán)境適應(yīng)性，以快速、準(zhǔn)確地提高產(chǎn)品的可靠性，早于二戰(zhàn)后，美、英、法、日等發(fā)達(dá)國家開始了大規(guī)模、有系統(tǒng)的裝備環(huán)境試驗(yàn)，建立了各種極端自然環(huán)境試驗(yàn)場站，把環(huán)境試驗(yàn)作為鑒定軍用產(chǎn)品的重要手段，規(guī)定在定型和生產(chǎn)前每項(xiàng)新研武器裝備必須通過環(huán)境試驗(yàn)考核[1-7]。經(jīng)多年發(fā)展，環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備已形成溫度范圍越來越寬、溫變率越來越大、多因素綜合、以及箱容由小型臺(tái)式向大型綜合專用及拼裝式方向發(fā)展等趨勢[8-10]。

我國通過學(xué)習(xí)、借鑒國外先進(jìn)管理和技術(shù)，迅速組建起我國氣候環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系，以及適合我國國情的軍用環(huán)境試驗(yàn)場站體系，通過多年努力，在滿足飛機(jī)、人造衛(wèi)星、兵器、各種車輛等研制和生產(chǎn)需要方面，自主建設(shè)了各類環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備，并涌現(xiàn)出各具特色、乃至國際先進(jìn)水平的模擬設(shè)備[11-17]。

筆者所在蘇州電科院已建有一直徑Φ30 m、高40 m超大型極端環(huán)境氣候廳，但因系外包方式設(shè)計(jì)建設(shè)，參考資料有限，在指標(biāo)實(shí)現(xiàn)、整體自控水平上尚需繼續(xù)完善，尤其是其空間過大且不可分割，不利于試驗(yàn)成本控制和業(yè)務(wù)量的保證。為更好服務(wù)“軍民融合”、“一帶一路”重大戰(zhàn)略，本院為進(jìn)一步拓展市場，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有超大型極端環(huán)境氣候廳艙容上的補(bǔ)充，通過重點(diǎn)分析國網(wǎng)電力科研院、昆明電器科學(xué)研究所、中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所、解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院等大型環(huán)境試驗(yàn)艙體設(shè)計(jì)參數(shù)，特面向大型電器設(shè)備和軍用裝備試驗(yàn)需求開展一大型多因素環(huán)境復(fù)合試驗(yàn)艙室的研制工作。

1主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

1）艙體外形尺寸：Φ12 m*24 m，臥式

2）單項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目

①低氣壓（高度）試驗(yàn)（最大模擬高度5000 m，氣壓54 kPa）；

②高溫試驗(yàn)（最高溫度+85 ℃）；

③低溫試驗(yàn)（最低溫度-63 ℃）；

④濕熱試驗(yàn)（40～98 %RH）（20～85 ℃）。

3）綜合試驗(yàn)項(xiàng)目

高溫-高度試驗(yàn)、低溫-高度試驗(yàn)、溫度-濕度試驗(yàn)、溫度-濕度-高度試驗(yàn)、其它環(huán)境適應(yīng)性研究項(xiàng)目（太陽輻射，淋雨，覆冰等）。

本艙體及環(huán)控系統(tǒng)組成見表1。

表1 大型多因素環(huán)境復(fù)合試驗(yàn)艙室系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 溫度、負(fù)壓大跨度變化條件下大型艙體結(jié)構(gòu)、保溫隔熱技術(shù)問題，以及艙體可按需分?jǐn)唷h(huán)境分控設(shè)計(jì)

結(jié)合高低溫、高負(fù)壓大范圍變化條件下對大型艙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，包括采用圓形艙體結(jié)構(gòu)，鋼板內(nèi)側(cè)整體網(wǎng)格化加強(qiáng)筋支撐，兩圓柱面半球頭結(jié)構(gòu)，確保承受內(nèi)部溫變、負(fù)壓應(yīng)力沖擊，以便當(dāng)兩端大門在真空操作時(shí)艙殼能提供對大門的對外張力支撐力量，保證艙內(nèi)高真空指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

精確漏熱計(jì)算并結(jié)合艙體蓄冷蓄熱能力和冷熱橋分析，確定合理隔熱結(jié)構(gòu)、保溫厚度，整體采用隔熱塊隔熱方式防止明顯漏熱漏冷，使得艙內(nèi)快速變溫下冷熱負(fù)荷盡量小，符合節(jié)能要求；考慮高低溫耐受要求，將艙內(nèi)風(fēng)機(jī)與艙外電機(jī)之間加磁耦合裝置解決驅(qū)動(dòng)電機(jī)耐溫問題，從艙內(nèi)通風(fēng)、換熱流程布置角度滿足大型艙體溫濕度均勻性。

本艙體積大（艙內(nèi)最小長方體空間尺寸大于950 m3），為提高本艙的實(shí)驗(yàn)利用頻次并實(shí)現(xiàn)節(jié)能減費(fèi)，創(chuàng)造性采用可分?jǐn)嘣O(shè)計(jì)；環(huán)控設(shè)備分模塊設(shè)計(jì)、安裝，對于調(diào)節(jié)環(huán)境用制冷機(jī)組、加熱、加濕，除濕，兩艙皆可單獨(dú)獨(dú)立控制，從而在當(dāng)艙體按需分割成兩個(gè)獨(dú)立小艙體后，兩小艙體能按需實(shí)現(xiàn)雙環(huán)境控制（不含真空調(diào)節(jié)），使本艙的業(yè)務(wù)范圍大大拓展，可滿足分體組合機(jī)型實(shí)驗(yàn)需求，分?jǐn)嚯p艙可創(chuàng)造溫度沖擊實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

2.2 大溫度跨度下環(huán)控系統(tǒng)優(yōu)化研究

重點(diǎn)是研發(fā)出大型艙體在過高艙溫（高至85 ℃）和過低艙溫（低至-63 ℃）下可靠成熟的制冷技術(shù)，高溫降溫充分利用自然冷源節(jié)能運(yùn)行，尤其是解決了常規(guī)制冷系統(tǒng)無法在高溫環(huán)境下運(yùn)行、穩(wěn)定性差等關(guān)鍵難題，將氟泵技術(shù)應(yīng)用到大艙體制冷過程中，避免了制冷機(jī)組直接供氟進(jìn)艙帶來的機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，且因使用相變換熱機(jī)理而可提升換熱效率，規(guī)避常規(guī)載冷劑循環(huán)環(huán)控機(jī)組在低艙溫下可能帶來的結(jié)凍風(fēng)險(xiǎn)；低艙溫下采用模塊化復(fù)疊低溫機(jī)組。全降溫過程力求實(shí)現(xiàn)各溫區(qū)理想制冷方式的無縫對接。具體手段：

1）按不同溫區(qū)溫濕度高低，選擇最優(yōu)制冷運(yùn)行模式；

2）不同制冷模式下，通過收集各關(guān)鍵點(diǎn)系統(tǒng)溫濕度、壓力傳感器參數(shù)和設(shè)定參數(shù)對比，對各自控閥門智能加減載控制，最大程度減少冷熱抵消式不節(jié)能調(diào)節(jié)方式；

3）同模式內(nèi)制冷機(jī)組運(yùn)行時(shí)重點(diǎn)解決由不穩(wěn)態(tài)期向穩(wěn)態(tài)期的順利過渡問題；不同模式制冷機(jī)組切換時(shí)重點(diǎn)解決不同級(jí)機(jī)組啟停對所配合機(jī)組的沖擊影響；

4）嚴(yán)格按試驗(yàn)曲線運(yùn)行，無論在變化段抑或在穩(wěn)定段隨時(shí)保證試驗(yàn)精度，并靈活接受試驗(yàn)曲線變更并響應(yīng)。

2.3 全溫段換熱可靠性運(yùn)行技術(shù)

1）換熱器低溫結(jié)霜問題管控及措施：

①制冷機(jī)組相對高溫降溫過程中制冷和供冷相對分割設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組蒸發(fā)溫度按需可調(diào)，充分實(shí)現(xiàn)0 ℃以上蒸發(fā)溫度維持功能，充分除去空氣中的凝結(jié)水；

②易結(jié)霜溫區(qū)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)輔助除濕；

③艙內(nèi)防積水工藝設(shè)計(jì)，冷凝水迅速及時(shí)排出艙外，防止積水影響控濕；

④大片距設(shè)計(jì)，在艙內(nèi)空氣含水量有限前提下，換熱器不足以堵塞。

2）管控升降溫過程中艙內(nèi)換熱器內(nèi)工質(zhì)沸騰及凝聚對換熱的影響及管控。

復(fù)疊降溫運(yùn)行時(shí)高溫級(jí)R507工質(zhì)易因室內(nèi)低溫從艙外機(jī)組流入室內(nèi)換熱器，不僅加大艙內(nèi)冷量需求，也加大升溫時(shí)熱量需求。

措施：安裝于各供液氟泵出口對應(yīng)各艙進(jìn)口管上的電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥在低溫時(shí)開度調(diào)零，切斷到艙內(nèi)換熱器的供液，各艙總出口管除止回閥外加裝電磁閥（復(fù)疊運(yùn)行時(shí)關(guān)閉），防止艙外工質(zhì)倒流到艙內(nèi)換熱器。

2）高溫下工質(zhì)氣化問題。原因及措施：

一方面是選擇合適膨脹罐解決低溫工質(zhì)R23的超壓問題；同樣在艙內(nèi)升溫過程中，高溫工質(zhì)R507亦可全部氣化逸出艙外，因?yàn)楸局袦丶?jí)機(jī)組存在兩個(gè)大型罐體：儲(chǔ)液罐和低壓循環(huán)桶，且因艙外環(huán)境溫度小于40 ℃，即可使之維持氣液平衡狀態(tài)。

3）可靠的潤滑油循環(huán)控制設(shè)計(jì)。措施包括：

優(yōu)良的油分，高溫級(jí)低壓桶回油設(shè)計(jì)，艙內(nèi)二次供液大流量循環(huán)，低溫級(jí)潤滑油牌號(hào)的審慎選擇確保-60 ℃以下氟路不凍堵。

2.4 綜合因素復(fù)合環(huán)控的自控技術(shù)

1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，運(yùn)用艙外制冷系統(tǒng)多系統(tǒng)并聯(lián)、艙內(nèi)通風(fēng)換熱多模塊均布、孔板送風(fēng)上送風(fēng)下側(cè)回風(fēng)等設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)全區(qū)域均勻送風(fēng)及升降溫。

2）從系統(tǒng)設(shè)計(jì)和自控兩個(gè)維度重點(diǎn)解決艙體升降溫模式和維持模式下環(huán)控機(jī)組負(fù)荷的自適應(yīng)調(diào)節(jié)：高艙溫下R507工質(zhì)采用冷卻水冷卻制冷，不僅避免了制冷機(jī)組高蒸發(fā)溫度運(yùn)行所出現(xiàn)的各種弊端，且耗能極低；中艙溫下采用復(fù)疊制冷機(jī)組的高溫級(jí)機(jī)組冷卻氟R507工質(zhì)，通過控制調(diào)整機(jī)組氟桶供液飽和溫度的高低，且可調(diào)整供液電動(dòng)閥開度，實(shí)現(xiàn)機(jī)組工質(zhì)流量自適應(yīng)冷量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)中溫區(qū)段艙溫的精確調(diào)節(jié)；低溫段包含多套兩種有明顯冷量規(guī)格大小差距的復(fù)疊機(jī)組的低溫級(jí)機(jī)組，在艙外對稱布置及艙內(nèi)換熱器的對稱布置，既利于實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)均勻換熱，又利于適應(yīng)不同冷量需求以保證機(jī)組運(yùn)行的高效率。加熱時(shí)電熱模塊在艙內(nèi)隨換熱模塊均布，實(shí)現(xiàn)升溫需求。在超大溫控區(qū)間，各溫區(qū)機(jī)組各負(fù)其責(zé)，同時(shí)自控程序根據(jù)機(jī)組狀態(tài)量的采集量和各時(shí)段所要求控制量的差值隨時(shí)追蹤比較，不僅實(shí)現(xiàn)所需的降溫速率和很低的反向熱補(bǔ)償耗能，且實(shí)現(xiàn)不同制冷方式切換時(shí)的自動(dòng)及完美過渡。

3）濕度調(diào)節(jié)時(shí)，升溫或維溫加濕段采用蒸汽加濕機(jī)組和高壓噴霧加濕方式，實(shí)現(xiàn)等溫及升溫加濕與等焓降溫加濕這兩種加濕原理配合，高溫區(qū)輔助電熱方式即可實(shí)現(xiàn)；相對低溫區(qū)間以及降溫除濕過程，主要通過對高溫氟泵制冷時(shí)多壓縮機(jī)頭冷量可調(diào)、冷卻水直接制冷方式冷凝器冷卻水量電動(dòng)三通閥可調(diào)、以及很高艙溫時(shí)氟泵間歇運(yùn)行調(diào)節(jié)，盡量減小調(diào)濕過程中的冷熱抵消浪費(fèi)。

4）低氣壓調(diào)節(jié)。默認(rèn)在溫濕度穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)初步完成后實(shí)施，為速率控制，配備兩種排氣量的變頻真空機(jī)組。結(jié)合艙內(nèi)循環(huán)風(fēng)量的可調(diào)，本艙亦可實(shí)現(xiàn)三者的同時(shí)變化調(diào)節(jié)。

5）電控措施。PLC選用兩臺(tái)西門子CPU1513R組成冗余系統(tǒng)，采用PROFINET總線冗余組態(tài)通訊方式提高設(shè)備的可用性。即便網(wǎng)絡(luò)中斷也能實(shí)現(xiàn)冗余系統(tǒng)的快速、平滑切換，現(xiàn)場設(shè)備繼續(xù)工作無誤，不致數(shù)據(jù)丟失、控制失效。

加熱部分12個(gè)艙內(nèi)末端等量電加熱器各配電力調(diào)整器，使加熱量輸出控制更加精準(zhǔn)。降溫過程中結(jié)合制冷機(jī)組冷量的按需減少，加熱程序配合來實(shí)現(xiàn)溫度在設(shè)定時(shí)間內(nèi)均勻下降至目標(biāo)溫度并滿足精度要求?？刂瞥绦蚧谖鏖T子PID_Temp功能塊編寫并做設(shè)定起始積分量等相應(yīng)修改，避免單純使用時(shí)易在變溫過程中出現(xiàn)溫度變化急劇、初次到達(dá)設(shè)定溫度后無法快速穩(wěn)定、變化曲線震蕩幅度超標(biāo)等弊端，保證溫度的均勻變化。

圖1是艙體及艙外主要設(shè)備總體布置圖，艙外圓柱形艙體一樓軸向兩側(cè)對稱布置制冷機(jī)組的高溫機(jī)組、氟泵泵組及低溫復(fù)疊機(jī)組，制冷系統(tǒng)罐體（冷凝器、膨脹罐）置于閣樓平臺(tái)，另外真空泵組、覆冰機(jī)組和冷卻水泵組亦安裝在一樓位置，二樓一側(cè)安裝各電器電控柜，另一側(cè)安裝（高壓噴霧、蒸汽）加濕機(jī)組、轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組、軟水器等設(shè)備，冷卻塔在三樓樓頂。

圖1 艙體及艙外主要設(shè)備總體布置圖

圖2給出艙內(nèi)截面及空氣流動(dòng)示意圖，艙內(nèi)軸箱兩側(cè)對稱布置空氣處理裝置并組成空氣循環(huán)風(fēng)道，風(fēng)向下側(cè)回上頂送，可實(shí)現(xiàn)大風(fēng)量孔板送風(fēng)，保證溫度場的均勻度實(shí)現(xiàn)。

圖2 艙內(nèi)截面及空氣流動(dòng)示意圖

圖3顯示制冷子系統(tǒng)內(nèi)外整體布置圖，艙內(nèi)換熱模塊12組均布，每組包含高低溫?fù)Q熱器、（艙外電機(jī)磁耦合連接驅(qū)動(dòng)）變頻風(fēng)機(jī)、電加熱、（蒸汽、加壓噴霧兩組）加濕管，其中每側(cè)六組高溫級(jí)換熱器由氟泵同時(shí)供應(yīng)冷媒，每組供應(yīng)量相等，供液總量通過流量閥可調(diào)；低溫級(jí)換熱器因?yàn)閮煞N機(jī)組按2∶1設(shè)計(jì)，室內(nèi)側(cè)四區(qū)間各三組換熱器中兩邊兩組接一套大機(jī)組，中間接一套小機(jī)組，由于風(fēng)路混合，艙內(nèi)均勻性不受影響。

圖3 制冷系統(tǒng)內(nèi)外整體布置圖

圖4示出真空、抽氣、新風(fēng)補(bǔ)充、艙內(nèi)排水等多個(gè)子系統(tǒng)管路示意圖。采用大小兩種規(guī)格各兩臺(tái)真空泵，滿足艙內(nèi)負(fù)壓調(diào)節(jié)及維持需求，真空狀態(tài)下排煙抽氣通過真空泵實(shí)現(xiàn)，常壓下則可用變頻風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，圖中右側(cè)為艙內(nèi)存在排煙過程時(shí)維持常壓和負(fù)壓下壓力恒定所需的新風(fēng)補(bǔ)充子系統(tǒng)管路示意圖，常壓下進(jìn)風(fēng)由變頻風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，負(fù)壓下按壓差直吸，低溫時(shí)新風(fēng)需要進(jìn)行降溫除濕處理，常壓下小補(bǔ)風(fēng)量時(shí)亦可通過空壓機(jī)系統(tǒng)補(bǔ)入干燥新風(fēng)，防止或減緩艙內(nèi)換熱結(jié)霜。艙內(nèi)冷凝水的排放在負(fù)壓下需要對排水收集器進(jìn)行常壓負(fù)壓切換才能順利實(shí)現(xiàn)排水操作，實(shí)現(xiàn)原理圖于圖中艙體上下位置所示。真空子系統(tǒng)還設(shè)有緊急復(fù)壓控制管路。

圖4 真空、抽氣、新風(fēng)補(bǔ)充、艙內(nèi)排水子系統(tǒng)管路示意圖

3 初步實(shí)驗(yàn)

圖5為初步的艙內(nèi)制冷降溫曲線，可依次實(shí)現(xiàn)-45 ℃維穩(wěn)、最低-63 ℃的指標(biāo)設(shè)計(jì)要求，其時(shí)電熱補(bǔ)償控制不完善帶來溫度波動(dòng)。

圖5 艙室內(nèi)降溫曲線

圖6為艙內(nèi)海拔高度控制曲線，針對0～2500 m海拔高度范圍進(jìn)行自控調(diào)節(jié)，可良好實(shí)現(xiàn)隨時(shí)間艙內(nèi)氣壓的線性變化調(diào)節(jié)。

圖6 艙內(nèi)海拔高度變化控制曲線

4 結(jié)論

通過重點(diǎn)分析解決大型多因素環(huán)境復(fù)合試驗(yàn)艙室研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，并通過一些重要指標(biāo)的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明本項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)的可達(dá)性，后續(xù)將針對該艙設(shè)計(jì)指標(biāo)開展詳細(xì)全面的單項(xiàng)及復(fù)合因素實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并對艙體研制以及自控精度進(jìn)行完善。