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上海博迅醫療生物儀器股份有限公司高低溫環境試驗箱熱負荷實驗研究

[導讀]準確估算熱負荷是環境試驗箱制冷系統設計選型的首要前提。搭建了一套高低溫環境試驗箱熱負荷測試系統,測量并分析了不同溫度工況下箱體的溫度分布、穩態熱負荷與動態熱負荷的變化規律,得到了上海博迅醫療生物儀器股份有限公司試驗箱穩態熱負荷與熱容熱負荷的擬合公式

準確估算熱負荷是環境試驗箱制冷系統設計選型的首要前提。搭建了一套高低溫環境試驗箱熱負荷測試系統,測量并分析了不同溫度工況下箱體的溫度分布、穩態熱負荷與動態熱負荷的變化規律,得到了試驗箱穩態熱負荷與熱容熱負荷的擬合公式,誤差分別在10%與15%以內,最終給出了試驗箱制冷量與制熱量的估算公式及預測曲線。在溫差100℃、溫度變化速率5 K/min時,所需制冷量為3.63 kW,其中熱容熱負荷占77.28%,遠高于漏熱熱負荷17.61%和風機熱負荷5.11%,表明高低溫環境試驗箱的制冷熱負荷主要來自于動態熱負荷中的熱容熱負荷。

環境試驗是一種通過人工方式來模擬所需要的環境條件,以測試產品在特定條件下性能指標的手段,它在電子通信、材料測試、機械制造、軌道交通、航空航天等各個領域有著廣泛的應用[1,2,3,4]。現階段我國在環境試驗方面仍存在諸多問題,如試驗標準體系不夠完善、綜合化程度低、置信度不高等問題,綜合環境試驗能力亟待發展[5]。高低溫環境試驗箱是工業生產測試中應用最廣泛、市場占比最大的一種環境設備[6],它既可提供高溫環境,又能提供低溫環境,還能在一定范圍內控制濕度,可測試產品在加熱過程、冷卻過程或高低溫環境下的性能。隨著各行業產品的發展與性能提升,市場對環境試驗箱的要求也越來越高,逐漸向更寬廣的極限溫區、更高的溫度變化速率、更大的承載范圍和更節能環保方向發展。

相關學者在環境試驗箱制冷系統設計與調控、箱體內溫濕度均勻性等方面進行了大量研究,促進了環境試驗箱的發展[7,8,9,10,11]。周默等人設計了一款高低溫試驗箱的制冷系統,在蒸發溫度-80 ℃、中間溫度-23 ℃時,R448a/R23復疊系統的理論COP最高可達0.612[12]。李佳等人設計了一款R404A/R23復疊制冷的高低溫環境試驗箱,其工作溫度范圍為-70~150 ℃,并實驗研究了制冷劑充注量對系統性能的影響,最終確定高溫級制冷劑充注量為750 g, 低溫級制冷劑充注量為400 g[13]。劉俊宏等人研究了冷熱旁通對系統性能的影響,冷熱旁通調節可避免壓縮機頻繁啟停,也利于保持箱內溫濕度的穩定性[14]。楊東方等人通過數值模擬與實驗的手段,研究了不同箱體結構對環境試驗箱溫度場均勻性的影響,研究結果可為箱體結構設計提供指導[15]。蒲亮等人對環境試驗箱內濕度場分布進行了數值模擬與實驗研究,結果表明“低溫高濕”和“高溫低濕”進風條件下箱內工作區的濕度均勻性更好[16]。薄祥余設計了一款最低溫度為-190 ℃的低溫環境試驗箱(采用機械制冷+液氮制冷的方式),研究了該系統的控制方法,發現試驗箱熱負荷的計算對壓縮機選型及制冷系統性能的影響很大,在計算過程中應該充分考慮[17]。

García-Contreras等人對汽車環境實驗室的熱負荷進行了理論與實驗研究,發現風機熱負荷在實驗系統熱負荷中占有較高比例,約為系統總能耗的20%,不容忽視[4]。Liang等人建立了汽車環境實驗室的過渡態熱模型,研究表明門封的能量損失和空氣泄漏損失分別占比4%和10%[18]。王芳等人提出了一套現場測量環境試驗箱圍護結構傳熱系數和蓄熱系數的方法,研究了降溫過程中圍護結構的非穩態傳熱特性[19,20]。

高低溫環境試驗箱的工作溫區較大,制冷系統常采用冷熱對沖的方式來提高溫濕度控制精度,因此設備能耗較大。熱負荷計算作為制冷系統設計的前提,對整個系統的設計選型影響巨大,特別是穩態熱負荷與動態熱負荷之間的不匹配關系,給最終制冷系統的節能運行與控制調節帶來了困難。明確環境試驗箱熱負荷的組成對其制冷系統的設計與運行調控具有重要的指導意義。

基于以上研究背景,本文搭建了一套高低溫環境試驗箱熱負荷測試系統,分析了不同溫度工況下箱體的溫度分布、穩態熱負荷與動態熱負荷的變化規律,最終擬合得到了箱體漏熱負荷、風機熱負荷及熱容熱負荷的計算關系式,給出了試驗箱制冷量與制熱量的估算公式及預測曲線。研究方法與分析結果可為高低溫環境試驗箱的負荷計算與運行控制提供參考。


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