高低温循环/温度冲击/快速稳变/高温高湿 各自参考什么标准啊?

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温度冲击试验设备实现途径及热负荷分析 王保贵 (63921部队,北京100094) 摘要:结合试验指标要求,对温度冲击试验设备实现途径进行分析比较,选择两箱式作为试验设备 的实现方式;对设备组成结构及制冷、加热流程进行阐述,并对温度冲击试验过程中两种制冷状态 下的热负荷进行了分析计算。 关键词:温度冲击;制冷流程;制冷量;热负荷 中图分类号:X968　　　　　　　文献标识码:A TheAnalysisofCompletedApproachandHeatLoads ontheFacilityofTemperatureShockTest WANGBao2gui (Unit63921PLA,Beijing,100094,China) Abstract:Combinedwithtestparameter,analyzedthecompletedapproachonthefacilityoftemperatureshock test.Theapparatusconsistsoftwochambersischoseasthetestfacility.Thecomposingandstructureoffacili2 tyisdiscussed,thecoolingandheatingflowisdescribed.Theheatloadsintwodifferentcoolingconditionsof temperatureshocktestiscalculated. Keywords:temperatureshock;coolingflow;coolingquantity;heatloads 1　引言 环境条件是影响装备质量和使用可靠性的关键 因素,对在周围大气温度急剧变化环境中使用的装 备而言,温度冲击环境的影响是一个必须考虑的因 素,这种环境给装备带来多种典型的环境效应,如零 部件的变形或破裂、绝缘保护失效、运动部件的卡紧 或松弛、电气和电子元器件的变化、快速冷凝水或结 霜引起电子或机械故障等。能否在温度冲击环境下 正常工作,直接反映了装备对这种环境的适应能力 的强弱。 GJB150-86《军用设备环境试验方法》正在进行 修订,修订原则是以美国军用标准MIL-STD-810F 为蓝本。MIL-STD-810F中方法503.4(温度冲击 试验)规定:可能部署在空气温度急剧变换环境中的 装备应进行温度冲击试验,试验箱必须具备试件转 换后5min内重新稳定试验条件的能力,试验转换时 间为1min,试件周围使用的空气不超过1.7m/s。 如何建设温度冲击试验设备?设备采用何种试 验模式?设备采用何种制冷方式?如何确定设备制 冷量、加热量都是在建设设备之前需要解决的主要 问题。 2　试验方案的确定 温度冲击试验设备的结构通常有三种形式:单 箱式、垂直升降式和水平两箱式。三种结构的比较 如表1所示。 综合比较以上三种形式,单箱式由于所需制冷 量及加热量较大,这种结构可行性较差,实际应用很 少;垂直升降式通过内部升降的转换,避开了外界环 境的影响,但由于升降装置本身作为一个热负载要 消耗冷量或热量,因此这种方式通常适用于小型试 验箱,对于中、大型试验箱,由于升降装置太重,该方 式不适用;水平两箱式通过两箱间的相互转换,减小 收稿日期:2004-02-25 作者简介:王保贵(1971-),男,山西,工程师,硕士,常规兵器测试。 ·环境设备·　　　　　　　　　　　　　　《环境技术》　　　　　　　　2004年第3期·5· 表1　温度冲击试验设备三种结构的比较 单箱式垂直升降式水平两箱式 特点在同一箱内实现高温和低温的转换上下两箱式,通过试件升降架实 现高温和低温之间的转换 试件通过转换装置在高温箱和 低温箱之间转换 优点试件不动,无需试件转移设备,外界 环境对试件温度的影响小 转换时间快,所需制冷量及加热 量较小 所需制冷量及加热量较少,温度 控制比较容易 缺点高低温转换时不仅要冷却、加热试 件,还要冷却、加热围护结构,所需制 冷量及加温量大;温度变换速度很 快,温度控制有一定难度 对中、大型试验箱,升降架不易 实现,并且升降架增加了更多负 荷 需要两个尺寸相同的箱体以及 试件的转换设备;试件转换过程 中要受外界环境影响。 应用情况很少应用适用于小型设备适用于中、大型设备 了箱体的负载从而减小了设备的制冷量和加热量, 但需要水平转换装置,并会受到外界环境的影响。 因此,试验方式的选择要根据具体情况具体分析,对 于小型设备,采用垂直升降方式少了一个箱体,可以 节约费用;对于中、大型试验设备,只要方案合理可 行,能保证满足国军标指标要求,采用水平两箱式的 试验方案是一种较好的选择。 3　设备组成及结构 3.1　设备组成 温度冲击试验设备由低温箱、高温箱、制冷系 统、加热系统、控制系统、转换装置等设备组成。其 设备组成图如图1所示。低温箱为温度冲击试验提 供低温平台,同时也可以单独进行低温试验;高温箱 为温度冲击试验提供高温平台,同时可以进行高温 试验;制冷系统为低温箱提供低温环境;加热系统为 高温箱提供高温环境;控制系统完成对设备和试验 过程的控制和测量;转换装置用于试验过程中试件 的转换。 图1　温度冲击试验设备组成图 3.2　设备结构确定 为保证温度冲击试验指标要求,需要对箱体结 构、气流流通方式进行精心设计。低温箱结构应满 足设备由常温到要求低温的制冷和温度冲击过程中 迅速制冷的要求,并保证箱内气流和温度均匀性要 求;高温箱结构应满足方便设备由常温到要求高温 的加热和温度冲击过程中迅速加热的要求,并保证 箱内气流和温度均匀性要求。 气流组织方式是设备设计中的重要环节。常用 的送风方式有上侧送下侧回和全面孔板顶送下侧回 的方式。由于全面孔板送风方式具有气流混合快混 合好、气流均匀平行扩散、温差和风速衰减快的优 点,从而使工作区温度和气流速度分布更加均匀。 因此低温箱、高温箱气流循环方式采用全面孔板送 风下侧回风方式,其气流循环过程为:风机抽吸的箱 内气流和制冷系统产生冷空气或加热系统产生的热 空气混合,再沿循环风道进入稳压层使气流均流均 压后送入箱内。 低温箱和高温箱均采用钢框架围护结构,加装保 温层。在距顶壁一定高度装全面孔板,全面孔板与顶 壁形成稳压层,箱前端为大门,箱后端设循环风道和 循环风机。低温箱、高温箱结构示意图如图2所示。 3.3转换装置的确定 为实现快速转换的功能,转换装置采用轨道式 转换方式,由轨道车和试件车组成。转换装置结构 示意图如图3所示。试件车作为试件的支架,和试 件一起在两个箱之间转移和试验;转换轨道车用于 将试件和试件车由一个箱迅速转换到另一个箱,下 设转轮在地面轨道上滚动,上设轨道方便和两个箱 内轨道的对接和试件小车的移动。 4　制冷、加热流程确定 目前低温箱制冷方式常采用蒸气压缩机制冷或 空气制冷。 ·6·2004年第3期　　　　　　　　《环境技术》　　　　　　　　　　　　　　·环境设备· 图2　低温箱、高温箱结构示意图 图3　转换装置结构示意图 　　空气制冷和蒸气压缩机制冷相比较具有以下优 点:在较低温度下制冷系数高,易于获得较低温度, 调温范围宽;对设备泄露不敏感,小的漏气对制冷性 能影响不大,制冷性能比较稳定;制冷剂为空气,对 环境无任何危害;运行可靠,操作简单,维护方便,运 行费用低。对于较大尺寸温度冲击试验设备,温度 变化速度要求较快,空气制冷是一种较好的选择。 正升压式制冷方式是用涡轮膨胀机二次压缩, 提高涡轮的膨胀比,加大涡轮机温降,提高制冷能 力。由于正升压式制冷方式有制冷系数高,调节性 能好,制冷性能稳定,启停以及调节过程平稳,装机 电量、运行能耗和设备投资较少等优点,系统采用正 升压式制冷系统。空气制冷系统分为气源和制冷两 部分。气源部分包括空压机组、后冷却器、干燥塔、 水分离器等;制冷部分包括涡轮机组、回冷器、水冷 器、过滤器等。低温箱空气正升压式制冷系统基本 流程图如图4所示。 高温箱加热采用电加热器加热的方式实现;采 用可控硅调控器对电加热器进行调节、控制,实现加 热量的无级调节。 图4　低温箱空气制冷基本流程图 5　制冷量、加热量的确定 制冷量、加热量的大小直接关系到制冷设备、加 热设备参数的确定、选择、设备成本、运行能耗和费 用等。因此,在确定制冷设备、加热设备之前要先确 定系统所需制冷量和加热量。 5.1　制冷量及制冷设备的确定 低温箱既可作为温度冲击试验的低温部分,又 可独立完成低温试验功能。因此,低温箱的制冷有 两种状态:状态1:低温试验过程中由大气温度到要 求低温的制冷过程;状态2:温度冲击试验过程中, 试件由高温箱迅速转移到低温箱时恢复原低温的制 冷过程。两种制冷状态不同,制冷负荷和冷量的变 化也不同。 a.状态1所需制冷量 低温试验过程中的制冷主要是将试件从常温降 ·环境设备·　　　　　　　　　　　　　　《环境技术》　　　　　　　　2004年第3期·7· 温到要求的低温。该制冷过程中的冷负荷主要包 括:试件Q1、全面孔板Q2、保温层Q3、循环风道Q4、 照明和风机做功发热量Q5等。这些冷量变化主要 是由负荷吸热而产生的,而照明和风机做功发热量 Q5与照明灯、风机电机功率以及作用时间有关。 制冷量计算公式如下: Q=Σ 5 i=1 Qi=Σ 4 i=1 cimiΔt+Q5(1) 式中: Q—总的制冷量 Qi、ci、mi—第i项冷负荷制冷量、比热、质量 Δt—温度差 b.状态2所需制冷量 温度冲击试验过程中,试件从高温箱迅速转到 低温箱后,低温箱温度回升,要求制冷系统迅速将低 温箱温度恢复到要求的低温。该制冷过程主要是低 温箱恢复低温的过程,热负荷主要包括:试件在高温 热透后转移到低温箱低温环境下的放热量Q1、打开 大门时外界进入的热量Q2、经围护结构传入热量 Q2、试件车放热量Q3、风机做功转化热量和照明灯 发热量Q4等。这些冷量变化包括由于对流换热而 产生的冷量和负荷吸热而产生的冷量,而照明和风 机做功发热量Q4与照明灯、风机电机功率以及作用 时间有关。 制冷量计算公式如下: Q=Σ 4 i=1 Qi=α1F1Δt1+α2F2Δt2+c3m3Δt3+Q4(2) 式中: Q—总的制冷量 α1、F1、Δt1—对流换热系数、试件表面积、试件表 面和箱内空气平均温差 α2、F2、Δt2—保温材料导热系数、围护结构表面 积、围护结构内外温差 c3、m3、Δt3—试件车材料的比热、质量、试件车表 面和箱内空气平均温差 由以上两种状态分别计算出所需制冷量。制冷 设备参数以两种制冷状态中所需最大制冷量来确定。 c.空气质量流量的计算 涡轮机组的选择通常依据空气质量流量而定,因 此必须计算出空气质量流量值。空气制冷设备的制 冷量与其空气质量流量成正比。其函数关系式为: Gaτ=A Q q0-qen ln q0 qen (3) 式中: Ga—空气制冷设备的空气质量流量,kg/h τ—要求的降温时间,h A—与降温速率有关的系数,在0.6～1.0范围内 Q—冷负荷,kcal q0、qen—初、终温时空气制冷设备的单位制冷 量,kcal/kg 空气制冷设备单位制冷量计算公式: q=cpTei(1- 1 π0.286 e )ηe-(Thi-Td)(1-ηh)(4) 式中: Tei=Thi-(Thi-Td)ηh q—单位制冷量,kcal/kg Tei、πe、ηe—膨胀涡轮进口温度(K)、膨胀比和热 效率 Thi、ηh—回冷换热器进口温度(K)、传热效率 Td—温压舱温度 d.制冷设备的确定 由式(3)和式(4)可计算出空气质量流量Ga,依 据空气质量流量确定涡轮机组的参数,而后进一步 确定出其它供气设备和气源设备。 5.2　加热量及加热设备的确定 高温箱的加热经历两种状态:由大气温度到要 求高温的加热过程和温度冲击试验过程中试件由低 温箱迅速转移到高温箱时恢复原高温的加热过程。 同样的方法,分别计算两种加热状态所需加热量。 以最大加热量确定电加热器的功率。 6　结束语 通过空气制冷方式和轨道式转换装置实现了温 度在5min内迅速恢复和试件在两箱之间1min内迅 速转换的指标要求,通过采用两箱式方案减小了设 备的制冷量和加热量。两箱式温度冲击试验设备的 成功研制,对于类似大、中型温度冲击试验设备的研 制和温度冲击试验的进行具有一定的借鉴意义。 参考文献: [1]　国家军用标准GJB150-86.军用设备环境试验方法 [S].总装备部,1986. [2]　MIL-STD-810F.环境工程考虑和实验室试验[S].中 国航空第三零一研究所,2000. [3]　王浚,黄本诚,万才大.环境模拟技术[M].北京:国防 工业出版社,1996.

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