大型多因素環(huán)境復(fù)合試驗艙室的研制

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)爭進程，乃至決定戰(zhàn)爭勝負。為考察產(chǎn)品的（溫度、濕度、氣壓、振動和沙塵等）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)達國家開始了大規(guī)模、有系統(tǒng)的裝備環(huán)境試驗，建立了各種極端自然環(huán)境試驗場站，把環(huán)境試驗作為鑒定軍用產(chǎn)品的重要手段，規(guī)定在定型和生產(chǎn)前每項新研武器裝備必須通過環(huán)境試驗考核[1-7]。經(jīng)多年發(fā)展，環(huán)境試驗設(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)、借鑒國外先進管理和技術(shù)，迅速組建起我國氣候環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)體系，以及適合我國國情的軍用環(huán)境試驗場站體系，通過多年努力，在滿足飛機、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)境試驗設(shè)備，并涌現(xiàn)出各具特色、乃至國際先進水平的模擬設(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)計建設(shè)，參考資料有限，在指標(biāo)實現(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，本院為進一步拓展市場，實現(xiàn)對現(xiàn)有超大型極端環(huán)境氣候廳艙容上的補充，通過重點分析國網(wǎng)電力科研院、昆明電器科學(xué)研究所、中航工業(yè)飛機強度研究所、解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院等大型環(huán)境試驗艙體設(shè)計參數(shù)，特面向大型電器設(shè)備和軍用裝備試驗需求開展一大型多因素環(huán)境復(fù)合試驗艙室的研制工作。

1主要設(shè)計指標(biāo)

1）艙體外形尺寸：Φ12 m*24 m，臥式

2）單項試驗項目

①低氣壓（高度）試驗（最大模擬高度5000 m，氣壓54 kPa）；

②高溫試驗（最高溫度+85 ℃）；

③低溫試驗（最低溫度-63 ℃）；

④濕熱試驗（40～98 %RH）（20～85 ℃）。

3）綜合試驗項目

高溫-高度試驗、低溫-高度試驗、溫度-濕度試驗、溫度-濕度-高度試驗、其它環(huán)境適應(yīng)性研究項目（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)合試驗艙室系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 溫度、負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

結(jié)合高低溫、高負壓大范圍變化條件下對大型艙體結(jié)構(gòu)進行合理設(shè)計，包括采用圓形艙體結(jié)構(gòu)，鋼板內(nèi)側(cè)整體網(wǎng)格化加強筋支撐，兩圓柱面半球頭結(jié)構(gòu)，確保承受內(nèi)部溫變、負壓應(yīng)力沖擊，以便當(dāng)兩端大門在真空操作時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)的實現(xiàn)。

精確漏熱計算并結(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)機與艙外電機之間加磁耦合裝置解決驅(qū)動電機耐溫問題，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），為提高本艙的實驗利用頻次并實現(xiàn)節(jié)能減費，創(chuàng)造性采用可分?jǐn)嘣O(shè)計；環(huán)控設(shè)備分模塊設(shè)計、安裝，對于調(diào)節(jié)環(huán)境用制冷機組、加熱、加濕，除濕，兩艙皆可單獨獨立控制，從而在當(dāng)艙體按需分割成兩個獨立小艙體后，兩小艙體能按需實現(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，可滿足分體組合機型實驗需求，分?jǐn)嚯p艙可創(chuàng)造溫度沖擊實驗環(huán)境。

2.2 大溫度跨度下環(huán)控系統(tǒng)優(yōu)化研究

重點是研發(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，避免了制冷機組直接供氟進艙帶來的機組運行不穩(wěn)定，且因使用相變換熱機理而可提升換熱效率，規(guī)避常規(guī)載冷劑循環(huán)環(huán)控機組在低艙溫下可能帶來的結(jié)凍風(fēng)險；低艙溫下采用模塊化復(fù)疊低溫機組。全降溫過程力求實現(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)制冷運行模式；

2）不同制冷模式下，通過收集各關(guān)鍵點系統(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)制冷機組運行時重點解決由不穩(wěn)態(tài)期向穩(wěn)態(tài)期的順利過渡問題；不同模式制冷機組切換時重點解決不同級機組啟停對所配合機組的沖擊影響；

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

2.3 全溫段換熱可靠性運行技術(shù)

1）換熱器低溫結(jié)霜問題管控及措施：

①制冷機組相對高溫降溫過程中制冷和供冷相對分割設(shè)計，實現(xiàn)機組蒸發(fā)溫度按需可調(diào)，充分實現(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)輪除濕機輔助除濕；

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

④大片距設(shè)計，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)疊降溫運行時高溫級R507工質(zhì)易因室內(nèi)低溫從艙外機組流入室內(nèi)換熱器，不僅加大艙內(nèi)冷量需求，也加大升溫時熱量需求。

措施：安裝于各供液氟泵出口對應(yīng)各艙進口管上的電動流量調(diào)節(jié)閥在低溫時開度調(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)疊運行時關(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，因為本中溫級機組存在兩個大型罐體：儲液罐和低壓循環(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。措施包括：

優(yōu)良的油分，高溫級低壓桶回油設(shè)計，艙內(nèi)二次供液大流量循環(huán)，低溫級潤滑油牌號的審慎選擇確保-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)計上，運用艙外制冷系統(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)計方式，實現(xiàn)艙內(nèi)全區(qū)域均勻送風(fēng)及升降溫。

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

3）濕度調(diào)節(jié)時，升溫或維溫加濕段采用蒸汽加濕機組和高壓噴霧加濕方式，實現(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多壓縮機頭冷量可調(diào)、冷卻水直接制冷方式冷凝器冷卻水量電動三通閥可調(diào)、以及很高艙溫時氟泵間歇運行調(diào)節(jié)，盡量減小調(diào)濕過程中的冷熱抵消浪費。

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

5）電控措施。PLC選用兩臺西門子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)合制冷機組冷量的按需減少，加熱程序配合來實現(xiàn)溫度在設(shè)定時間內(nèi)均勻下降至目標(biāo)溫度并滿足精度要求。控制程序基于西門子PID_Temp功能塊編寫并做設(shè)定起始積分量等相應(yīng)修改，避免單純使用時易在變溫過程中出現(xiàn)溫度變化急劇、初次到達設(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)對稱布置制冷機組的高溫機組、氟泵泵組及低溫復(fù)疊機組，制冷系統(tǒng)罐體（冷凝器、膨脹罐）置于閣樓平臺，另外真空泵組、覆冰機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）加濕機組、轉(zhuǎn)輪除濕機組、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，可實現(xiàn)大風(fēng)量孔板送風(fēng)，保證溫度場的均勻度實現(xiàn)。

圖2 艙內(nèi)截面及空氣流動示意圖

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，每組包含高低溫換熱器、（艙外電機磁耦合連接驅(qū)動）變頻風(fēng)機、電加熱、（蒸汽、加壓噴霧兩組）加濕管，其中每側(cè)六組高溫級換熱器由氟泵同時供應(yīng)冷媒，每組供應(yīng)量相等，供液總量通過流量閥可調(diào)；低溫級換熱器因為兩種機組按2∶1設(shè)計，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組，中間接一套小機組，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)補充、艙內(nèi)排水等多個子系統(tǒng)管路示意圖。采用大小兩種規(guī)格各兩臺真空泵，滿足艙內(nèi)負壓調(diào)節(jié)及維持需求，真空狀態(tài)下排煙抽氣通過真空泵實現(xiàn)，常壓下則可用變頻風(fēng)機實現(xiàn)，圖中右側(cè)為艙內(nèi)存在排煙過程時維持常壓和負壓下壓力恒定所需的新風(fēng)補充子系統(tǒng)管路示意圖，常壓下進風(fēng)由變頻風(fēng)機提供動力，負壓下按壓差直吸，低溫時新風(fēng)需要進行降溫除濕處理，常壓下小補風(fēng)量時亦可通過空壓機系統(tǒng)補入干燥新風(fēng)，防止或減緩艙內(nèi)換熱結(jié)霜。艙內(nèi)冷凝水的排放在負壓下需要對排水收集器進行常壓負壓切換才能順利實現(xiàn)排水操作，實現(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)補充、艙內(nèi)排水子系統(tǒng)管路示意圖

3 初步實驗

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

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海拔高度范圍進行自控調(diào)節(jié)，可良好實現(xiàn)隨時間艙內(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

通過重點分析解決大型多因素環(huán)境復(fù)合試驗艙室研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)難點，并通過一些重要指標(biāo)的初步實驗結(jié)果，表明本項目設(shè)計目標(biāo)的可達性，后續(xù)將針對該艙設(shè)計指標(biāo)開展詳細全面的單項及復(fù)合因素實驗驗證，并對艙體研制以及自控精度進行完善。