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.蘇州科技大學環境科學與工程學院 蘇州 215011；2.蘇州科阿特科學儀器有限公司 蘇州 215222）

選擇R404A作為高低溫交變濕熱試驗箱制冷系統的制冷劑，在此基礎上構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。實驗結果表明，利用R404A作為制冷循環工質，電加熱作為升溫與溫度穩定調節手段，采用PID控制方式，高低溫交變濕熱試驗箱內的溫度可穩定控制在-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。系統運行穩定，表明高低溫交變濕熱試驗箱的設計達到了要求。

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、食品及制藥等領域廣泛應用的測試設備，供用戶對整機（或部件）、電器、儀器、材料、涂層、鍍層等作相應的高低溫漸變試驗、濕熱試驗、耐寒與耐高溫試驗等，對試樣在特定環境條件下的性能、適應性作出分析及評價，是科學研究和生產過程必不可少的重要試驗設備[1-3]。

據相關調查統計，高低溫濕熱試驗箱是需求最廣泛的環境試驗設備之一[4]。由于生產和科研需求的增加，溫濕度的要求范圍越來越大，控制精度要求也越來越高，傳統的高低溫濕熱試驗箱已不能滿足現代社會發展的需求[5-10]。因此，本文利用R404A作為制冷工質，采用單級壓縮制冷、PID控制和電加熱蒸汽加濕技術，結合空氣循環優化，構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 制冷工質的選擇

氟利昂根據其要素構成分為三類：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《蒙特利爾議定書》的規定，發達國家CFC類產品1996年1月1日停用，HCFC類產品2030年1月1日停用。發展中國家CFC類產品2010年全部停止使用；HCFC類產品2016年開始受限，2040年全部停止使用。《京都議定書》規定，二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、HFC類產品、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境要求，兼顧制冷系統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，其物理性質見表1。

表1 R404A制冷劑物性參數

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、加熱系統、加濕系統、控制和數據測量與采集系統。制冷系統由壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥、干燥過濾器和蒸發壓力調節閥等組成。加熱系統采用鰭片式不銹鋼電加熱器。加濕系統采用電加熱蒸汽加濕方式，減小加濕對溫度波動的影響。試驗箱的外型設計尺寸為950mm×1325mm×1850mm，內箱尺寸為750mm×755mm×850mm，容積約480L。為了使溫濕度的控制精度能快速達到設定的環境要求，實驗裝置采用并聯5組電磁閥和膨脹閥，分別承擔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膨脹閥應用于一般除濕，RC4膨脹閥用于強除濕工況；RC5膨脹閥不經過蒸發器，直接接到壓縮機進氣口，保護壓縮機（蒸發器出口溫度在-11℃以下常閉，-11℃以上常開，冷卻壓縮機）。具體工作工況見表2。控制和測試系統包括溫度傳感器、壓力表和數據采集器等組成。為了研究壓縮機吸、排氣的狀況，在壓縮機的進出口設置了壓力測試點。另外，在高低溫交變濕熱試驗箱內、壓縮機進出口和壓縮機外殼等設置測溫點。

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。當設定溫度為高溫時（高于環境溫度10℃），直接采用鰭片加熱器加熱，制冷系統不工作。在PID調節下，當加熱輸出功率與箱體散熱達到平衡時，試驗箱內溫度達到穩定。設定溫度為低溫工況時，制冷系統啟動，溫度接近設定溫度時，加熱器在PID控制下開始輸出熱量，試驗箱溫度穩定在需要的范圍。當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合，如果是低溫控濕，溫度控制是電加熱和制冷系統相結合,使得試驗箱內溫濕度穩定在需要的范圍。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定性。

3 結果與討論

圖2為試驗箱制冷系統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定；排氣壓力先迅速升高，然后逐漸下降最后穩定。575秒后制冷系統壓縮機的排氣壓力穩定在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。試驗箱內溫度設定目標為150℃，在該工況制冷機組停止工作。在控制器PID的調節下，根據試驗箱的實際測量溫度信號與設定溫度之間的差值控制加熱器的輸出功率，試驗箱內溫度逐漸升高。開始時段由于試驗箱內實際溫度與設定溫度相差較大，加熱輸出功率大，升溫速率大。隨著試驗箱內溫度接近設定溫度，加熱器輸出功率減小，試驗箱內的升溫速率逐漸降低，經過約2200s，溫度穩定在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，實驗設定溫度條件是-40℃，由于是低溫工況，不控制濕度。制冷系統啟動后，試驗箱內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。當試驗箱內溫度接近設定溫度，加熱器在PID控制下開始輸出熱量，溫度逐漸穩定，經過約3200s，溫度穩定在-40℃，溫度波動在±0.2℃以內。

圖4 高低溫交變濕熱試驗箱內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果。圖5是溫度設定為20℃、濕度為98%RH高濕工況實驗結果，試驗箱內溫度隨時間逐漸降低并穩定，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同時表明溫度穩定后濕度也逐漸穩定。經過約1400s，溫濕度均達到了設定值。溫度穩定在20±0.2℃，濕度穩定在98±1.0%RH。

圖5 高低溫交變濕熱試驗箱內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。實驗結果表明，試驗箱內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，穩定在設定值。經過約900s，溫度穩定在65±0.3℃，濕度穩定在40±1.3%RH。

圖6 高低溫交變濕熱試驗箱內溫度和濕度隨時間變化曲線

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

圖7 高低溫交變濕熱試驗箱內溫度和濕度隨時間變化曲線

4 結論

利用近共沸混合制冷劑R404A作為制冷工質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，設計并構建了高低溫交變濕熱試驗箱實驗裝置，實現了-40℃～150℃控溫，10%～98%RH控濕的需求。實驗結果表明，在高溫、低溫、高濕、中濕和低濕實驗過程中，系統控溫和控濕過程穩定、可靠。在制冷循環工作過程中，壓縮機的吸氣、排氣壓力分別穩定在0.1MPa和0.9MPa左右，壓縮比在合理范圍內。高低溫交變濕熱試驗箱溫度穩定偏差不超過±0.3℃，濕度穩定偏差不超過±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技術研究，E-mail：wmusts@163.com

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

2015-09-14