1、高低温冲击试验箱制冷系统设计毛雪东1,王铁军1,石国丽2,左承基1（ 1 . 合肥工业大学 机械与汽车工程学院， 安徽 合肥 2 3 0 0 0 9 ； 2 . 中国电子科技集团公司第十六研究所， 安徽 合肥 2 3 0 0 4 3 ）为检测仪器、 仪表、 机械、 电工、 电子产品整机及零部件等在耐寒、 温度快速变化或渐变条件下的适应性， 以便对试验品在拟定环境条件下的性能、行为作出分析及评价，需要一种能使被测元件和仪器经受反复快速的温度变化的环境装置。高低温冲击试验箱通过高低温的交替变化， 检测样品的电性能和机械耐久性的变化情况从而筛选出结构上的缺陷， 诸如包装密封不佳、 引线焊接不良、 塑
2、料裂缝等。在高低温冲试验装置中， 为了得到低温环境，近年来自然复叠式制冷系统循环以其结构简单、效率高和适应强等优点而不断地得到应用1,2。本文首先对高低温冲击试验箱的工作原理进行阐述，并根据温度冲击试验的要求选定了自然复叠制冷系统，进而确定试验箱热负荷， 并对制冷系统设计进行深入分析。1 试验箱工作原理1 . 1 工作原理图 1 是高低温冲击试验箱的原理示意图。试验箱通过机组的加热系统和制冷系统，分别产生一个高温环境（ 7 0 1 2 5 ） 和一个低温环境（ - 2 5 - 7 0 ） ， 根据温度冲击试验的相关要求，将被测元件放入指定温室的载物篮内， 待两温室达到预设温度且稳定时， 通过传
3、动机构牵动载物篮， 实现篮内被测元件在高低温室间的移动。 移动过程中高低温室相通，被测元件也由高温或低温状态进入另一温室， 所以会有大量冷热负荷带入， 机组要通过制冷系统或加热系统迅速恢复到各温室预定温度。当被测元件所在温室温度长时间保持稳定后，再经过传动机构将载物篮反向牵动， 把被测元件带回原温室， 同样须迅速恢复到预定温度， 当温度再次长时间稳定后， 再重复上述操作， 完成多次温度循环冲击试验。高低温冲击试验箱结构上划分为制冷系统、加热系统、 传动系统和电气控制系统四部分， 试验箱的箱体采用两箱纵向布置， 此种布置方式整体结构简单， 降低了载物篮在两温室间运动时发生故障的可能性。传动系统采
4、用气压传动装置， 而且便于载物篮和元件移动速度的调节，可快速实现被测元件在高低温室间的温度冲击。1 . 2 技术指标试验箱的设计执行 温度冲击实验（ G J B 1 5 0 . 5 - 8 6 ）技术标准， 温度冲击试验条件：试验温度： 高温为 7 0 ； 低温为- 5 5 。试验温度保持时间： 1 h 或直至试验样品达到温度稳定， 以时间长为准。转换时间： 5 m i n 。循环次数： 3 次。试验箱也可根据检测的要求，预先设定各温室温度和传动机构的移动速度， 完成不同等级的温度冲击试验。温度冲击试验箱可实现的等级温度冲击试验：高温温度等级为：7 0 8 51 0 01 2 5（ ）低温温度
5、等级为：- 2 5- 4 0- 5 5- 6 5（ ）2 制冷系统确定2 . 1 制冷方式选择高低温冲击试验箱选用自然复叠式制冷系统，通过一台压缩机实现混合工质循环，具有精馏装置的自然复叠式制冷是在传统制冷系统的基础上， 增加了精馏装置、中间换热器和冷凝蒸发器，有效将不同沸点组分制冷剂分凝， 提高制冷系统运行效率， 可以实现- 2 5 - 7 0 宽范围内的温度调节3 6。图 2 为制冷系统原理图。当混合工质从压缩机 A排出后，在冷凝器 B充分冷5 5机械工程师2 0 0 6 年第 2 期摘要：高低温冲击试验箱是一种提供高、 低温的环境设备， 主要用于机械、 电子、 电工等领域的一些产品进行高
6、、 低温环境的性能测试、 筛选或考核实验。文中进行了高低温冲击试验装置结构及其制冷系统设计， 利用具有精馏装置的自然复叠式制冷循环系统获得冷源， 使用 R 2 2 / R 2 3混合工质， 低温室内温度可到达- 7 0 ， 实现宽范围的温度自动调节。试验箱执行 温度冲击实验（ G J B 1 5 0 . 5 - 8 6 ） 技术标准， 可以满足温度冲击试验的需求。关键词：试验装置；制冷系统温度冲击；自然复叠中图分类号： T H 8 7 1 . 4文献标识码： A文章编号： 1 0 0 2 - 2 3 3 3（ 2 0 0 6 ） 0 2 - 0 0 5 5 - 0 3Me c h a n i
7、c a l De s i g n机 械 设 计凝后进入精馏柱 C的柱釜加热柱釜液，然后节流进入塔内， 经过精馏分离后， 低温制冷剂 R 2 3 热交换后进入柱顶蒸发器， 而含 R 2 2 制冷剂被冷却成液体从柱底流出， 经节流再与 R 2 3 回气混合，在冷凝蒸发器内- 2 0 温度下蒸发， 蒸发将柱顶 R 2 3 制冷剂冷凝为液体， 混合制冷剂在压缩机的吸气作用下经回热器 E回到压缩机。而冷凝后的R 2 3 液体节流蒸发， 蒸发器 D获得低温。 该循环采用精馏柱代替多级分凝器，有效将高沸点与低沸点制冷剂在精馏柱内分离， 在循环中实现复叠。自然复叠制冷系统只有一台压缩机，其它设备为非运动件，
8、结构简单， 降低运行故障率， 简化系统控制。 与二元复叠制冷相比， 系统紧凑减小了机组尺寸， 节约出更多安装空间； 可以制取更低温度的低温环境， 进行宽范围的温度调节。2 . 2 负荷分析与确定高低温冲击试验箱制冷系统设备的选取，是以低温室热负荷为依据， 逐步确定其它的制冷设备。分析温度冲击试验的技术标准、 被测元件运动中漏热特点、 材料的应用等因素7 8。高低温冲击试验箱的理论热负荷如图 3 所示，被测元件正进行由高温区向低温区运动的温度冲击试验。Q =（ Q1+ Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6） Q1载物篮运动过程中高温室与低温室的空气漏热；Q2载物篮带入低温室的自身热负荷；Q3低温
9、室与外界环境换热；Q4试验箱自身热容；Q5被测元件带入低温室的热负荷；Q6其它附件热负荷。其中 Q2、 Q4、 Q5为主要热负荷，约占低温室总热负荷的 8 5 %左右， 主要因被测元件的材质不同， 而使温度冲击试验热负荷发生变化。结合加工水平与试验箱整体结构漏热点较多等特点， 热负荷的修正系数取值 = 1 . 3 ， 所以最终确定温度冲击试验热负荷为 3 . 5 k W。2 . 3 混合工质计算分析冲击试验箱以- 7 0 为设计工况：低温室温度恒定为- 7 0 ， 被测元件的转换时间不大于 5 m i n 。蒸发器内制冷剂在- 7 5 温度下蒸发， 压缩机吸气温度为 1 0 ， 可保证进入压缩
10、机的制冷剂为气态工质9， 表 1 为制冷系统状态表。使用 R 2 2 和 R 2 3 非共沸混合工质，试验箱低温室所需冷量为 3 5 0 0 W。为了便于循环中工质计算， 作以下假设：（ 1 ） 忽略管道内的压力损失， 系统中只有高压 Pk、 中压 Pm、 低压 Po。（ 2 ） 循环时热量交换只在换热器内进行， 换热器、 管道与环境无热量交换， 而且各换热器间无相互干扰。（ 3 ） 混合工质循环时， 高低温制冷剂在精馏柱内完全分离， 在循环中无有害积液。制冷剂充注时，结合系统工作原理和系统各点状态进行分析和比例计算， 来确定高低温工质组分构成。 试验箱完成温度冲击试验的负荷为 Q = 3 .
11、 5 k W， 即低温级蒸发器制取的冷量，如图 2 所示低温制冷剂 R 2 3 流出后经过节流阀 J 1 ， 以 1 0 点状态进入蒸发器， 通过压缩机的吸气作用， 再以 1 1 点的饱和蒸汽状态流出蒸发器， 蒸发器内所需低温制冷剂 R 2 3 量为：m2 3= Q /（ h1 1- h1 0） = 2 5 . 8 g同理结合系统状态表 1 的参数，可得出冷凝蒸发器E负荷 QE为:QE= Q（ h2 1- h2 0） /（ h1 1- h1 0） = 5 . 3 k W 冷凝蒸发器 E换热效率， = 0 . 9 ；而冷凝蒸发器内所需高温制冷剂量为:m2 2= QE/（ h8- h7） = 6
12、1 . 4 g自然复叠制冷系统通过冷凝蒸发器将高温级与低温级有机结合起来，只有当制冷系统高温级充分冷却了低温级冲击试验负荷时， 整体系统才可以稳定工作， 所以系统中高温工质与低温工质的比例:m2 2/ m2 3= 2 . 3 85 6机械工程师2 0 0 6 年第 2 期表 1 系统状态点状态点0123781 01 11 32 02 1压力/ k P a2 4 22 2 5 02 2 5 01 5 5 02 4 22 4 22 4 22 4 22 4 21 5 5 01 5 5 0温度/ 1 09 04 13 5- 2 0- 1 5- 7 5- 7 0- 3 4- 1 72 5焓/ k J k
13、 g- 14 0 54 6 62 9 32 6 72 8 63 2 51 8 52 2 52 5 71 9 23 6 2熵/ k J（ k g K ）- 11 . 9 0 21 . 8 7 81 . 2 7 91 . 1 9 51 . 3 4 51 . 7 0 51 . 0 8 51 . 5 9 41 . 5 6 50 . 9 1 91 . 6 9 5干度1110 . 1 3 80 . 4 9 610 . 4 0 110 . 6 4 30 . 0 1 11机 械 设 计Me c h a n i c a l De s i g n考虑制冷系统运行压力不可太高和快速降温的要求， R 2 2 占组分
14、7 3 %、 R 2 3 占组分的 2 7 %，可产生足够冷量来冷却低温室， 保证试验箱温度冲击试验的冷量需求。2 . 4 制冷系统部件设计分析高低温冲击试验箱的工作负荷大， 且试验箱体积大，一般安装在试验室拐角位置， 空气流通不畅， 影响冷凝设备、 压缩机的换热。故冷凝冷却器采用高效板式换热器，压缩机采用水冷方式， 如图 4 所示 。夏季工况冷却水进口温度为 2 7 ， 回水温度 3 1 ， 将试验箱各发热装置的热量带走， 明显提高工作效率。 冷却水进水先由冷凝冷却器流入， 冷却散热器内混合工质后，进入压缩机环肋部冷却水绕管， 冷却压缩机， 可保证冷却水冷却机组冷凝负荷后，还有足够的温度空间
15、冷却压缩机， 增强换热效果。压缩机的高低工作压力各设定为 2 2 5 0 k P a 、 2 4 2 k P a ，高压部安装有高压旁通阀，保证制冷系统在安全压力范围内运行。 采用谷轮公司高效低温压缩机， 对压缩机的外部结构进行适当改动， 充分利用压缩机的环肋结构， 将板式换热器的回水管固定在肋槽内，使冷却水管紧密缠绕在压缩机的外壁， 增强冷却水与压缩机的换热效果， 使压缩机在正常温度范围内工作，提高压缩机工作效率和稳定性， 同时减小了冷却水的流动阻力。 在选定的环境工况下，根据自然复叠式制冷机的工作原理和低温箱体结构尺寸进行热力计算来选择设备：根据压缩机理论输气量和实际输气量计算， 选用了一
16、台排气量为 5 5 m3/ h（ 功率为 1 1 h p ）的谷轮压缩机，作为高低温级制冷剂循环使用。蒸发器负荷由试验箱热负荷和箱内换热系数确定， 面积为 1 5 . 5 m2， 且蒸发器面积有 1 5 %的余量， 采用 1 0 1紫铜管 2 6 m ， 布置于低温室内侧。 蒸发器的前部配有 3 5 0 的轴流风扇， 以提高箱内温场均匀度， 增强换热。冷凝蒸发器选择的是壳管式结构，内部为螺纹型紫铜管, 采用逆流式换热方式。 冷凝蒸发器热负荷为 5 . 6 k W。冷凝冷却器热负荷为 8 . 7 k W， 压缩机散热量为 2 k W，传热温差设计t = 5 ， 经过计算板式换热器面积约为2m2。
17、精馏装置根据内部工作压力和传热计算，采用8 0 5（ 壁厚） 2 5 0（ 柱高） m m不锈钢筒 2件作为上下精馏柱使用， 内置多枚 1 0 1 紫铜材料拉西环和多层铜网， 柱顶设有障板、 冷却器， 保证系统稳定工作同时增强柱内混合工质换热，达到充分分离不同沸点组分的目的。过滤器采用的是除蜡型过滤器, 其目的是为了有效除去冷冻油中的石蜡, 以降低系统油堵的可能性。3 试验箱实验结果通过以上计算分析，我们对自然复叠制冷系统和二元复叠制冷系统的工作特性进行了比较，认为完全可以满足冲击试验的要求， 降温特性、 多等级温度冲击特性达到了试验箱技术指标的要求，但是仍需对低温室内的蒸发器及室内风扇做相应
18、的调整，以进一步提高低温室内的温场均匀度， 其性能测试及试验比较见表 2 。从表 2 对比情况可以看出， 自然复叠制冷系统应用于高低温冲击试验箱是完全可行的，而且使试验箱的结构得到简化， 提高了机组运行稳定性。 为我国目前同类试验设备研发做了一定的尝试。4 结束语本文设计了一个改进型自然复叠式制冷系统装置， 选用环保型 R 2 2 、 R 2 3 非共沸点混合工质作为制冷剂，使用单台压缩机， 系统得到简化， 提高了系统的制冷量， 实现宽范围的温度调节。该系统具有结构简单、 效率高和适应强等优点， 可以满足各行业不同等级的温度冲击试验要求。 参考文献 1 韩润虎. 自然复叠系统与低温制冷 J .
19、 制冷学报， 1 9 9 9 ， ( 4 ) ： 5 9 -6 1 . 2 L i t t l eW A . K l e e m e n k oC y c l eC o o l e r s ： L o wc o s tR e f r i g e r a t i o na tC r y o g e n i c T e m p e r a t u r e s M . I C E C 1 7 ， 1 9 9 8 . 1 - 9 . 6 卞荷洁， 谷波. - 8 0 低温冰柜的系统设计 J . 低温工程， 2 0 0 3 ，( 2 ) ： 5 4 - 5 9 . 7 罗二仓， 周远. 混合物节流制冷机
20、的优化原理 J . 低温与超导，1 9 9 6 ， 2 6 ( 3 ) ： 1 -6 . 8 曹丹， 一种新型的自动复叠制冷循环研究 D . 杭州： 浙江大学，2 0 0 3 . 2 0 - 3 4 . 9 张绍志， 王剑锋， 张红线， 等. 具有精馏装置的自然复叠制冷循环分析 J . 工程热物理学报, 2 0 0 1 , 2 2 ( 1 ) ： 2 5 - 2 7 . 1 0 杨世铭， 陶文铨. 传热学第三版 M . 北京： 高等教育出版社,1 9 9 8 . 1 5 2- 1 7 4 . 1 1 吴业正. 小型制冷装置设计指导 M . 北京： 机械工业出版社,2 0 0 1 . 2 4 7
21、 - 2 6 5 . 1 2 吴业正， 韩宝琦. 制冷原理及设备 M . 西安： 西安交通大学出版社， 1 9 9 7 . 8 4- 1 0 5 .（ 编辑 黄荻）作者简介： 毛雪东（ 1 9 8 0 - ） ， 男， 硕士研究生， 研究方向现代制冷装置设计。王铁军（ 1 9 5 6 - ） ， 男， 合肥工业大学副教授， 硕士生导师。收稿日期： 2 0 0 5 - 1 0 - 3 1项 目有效负荷/ W制冷剂压缩机数量/ 台排气温度/ 绝热效率降温范围7 0 - 5 5 2 5 - 7 0 二元复叠3 5 0 0高温级 R 2 2低温级 R 2 326 2 6 76 5 %温度稳定用时2 m i n 左右3 m i n 左右自然复叠3 5 0 0R 2 2 与 R 2 3混合制冷剂18 6 9 46 0 %温度稳定用时2 m i n 左右4 m i n 左右表 2 主要技术指标5 7机械工程师2 0 0 6 年第 2 期Me c h a n i c a l De s i g n机 械 设 计
