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上海博迅医疗生物仪器股份有限公司高低温环境试验箱热负荷实验研究

[导读]准确估算热负荷是环境试验箱制冷系统设计选型的首要前提。搭建了一套高低温环境试验箱热负荷测试系统,测量并分析了不同温度工况下箱体的温度分布、稳态热负荷与动态热负荷的变化规律,得到了上海博迅医疗生物仪器股份有限公司试验箱稳态热负荷与热容热负荷的拟合公式

准确估算热负荷是环境试验箱制冷系统设计选型的首要前提。搭建了一套高低温环境试验箱热负荷测试系统,测量并分析了不同温度工况下箱体的温度分布、稳态热负荷与动态热负荷的变化规律,得到了试验箱稳态热负荷与热容热负荷的拟合公式,误差分别在10%与15%以内,最终给出了试验箱制冷量与制热量的估算公式及预测曲线。在温差100℃、温度变化速率5 K/min时,所需制冷量为3.63 kW,其中热容热负荷占77.28%,远高于漏热热负荷17.61%和风机热负荷5.11%,表明高低温环境试验箱的制冷热负荷主要来自于动态热负荷中的热容热负荷。

环境试验是一种通过人工方式来模拟所需要的环境条件,以测试产品在特定条件下性能指标的手段,它在电子通信、材料测试、机械制造、轨道交通、航空航天等各个领域有着广泛的应用[1,2,3,4]。现阶段我国在环境试验方面仍存在诸多问题,如试验标准体系不够完善、综合化程度低、置信度不高等问题,综合环境试验能力亟待发展[5]。高低温环境试验箱是工业生产测试中应用最广泛、市场占比最大的一种环境设备[6],它既可提供高温环境,又能提供低温环境,还能在一定范围内控制湿度,可测试产品在加热过程、冷却过程或高低温环境下的性能。随着各行业产品的发展与性能提升,市场对环境试验箱的要求也越来越高,逐渐向更宽广的极限温区、更高的温度变化速率、更大的承载范围和更节能环保方向发展。

相关学者在环境试验箱制冷系统设计与调控、箱体内温湿度均匀性等方面进行了大量研究,促进了环境试验箱的发展[7,8,9,10,11]。周默等人设计了一款高低温试验箱的制冷系统,在蒸发温度-80 ℃、中间温度-23 ℃时,R448a/R23复叠系统的理论COP最高可达0.612[12]。李佳等人设计了一款R404A/R23复叠制冷的高低温环境试验箱,其工作温度范围为-70~150 ℃,并实验研究了制冷剂充注量对系统性能的影响,最终确定高温级制冷剂充注量为750 g, 低温级制冷剂充注量为400 g[13]。刘俊宏等人研究了冷热旁通对系统性能的影响,冷热旁通调节可避免压缩机频繁启停,也利于保持箱内温湿度的稳定性[14]。杨东方等人通过数值模拟与实验的手段,研究了不同箱体结构对环境试验箱温度场均匀性的影响,研究结果可为箱体结构设计提供指导[15]。蒲亮等人对环境试验箱内湿度场分布进行了数值模拟与实验研究,结果表明“低温高湿”和“高温低湿”进风条件下箱内工作区的湿度均匀性更好[16]。薄祥余设计了一款最低温度为-190 ℃的低温环境试验箱(采用机械制冷+液氮制冷的方式),研究了该系统的控制方法,发现试验箱热负荷的计算对压缩机选型及制冷系统性能的影响很大,在计算过程中应该充分考虑[17]。

García-Contreras等人对汽车环境实验室的热负荷进行了理论与实验研究,发现风机热负荷在实验系统热负荷中占有较高比例,约为系统总能耗的20%,不容忽视[4]。Liang等人建立了汽车环境实验室的过渡态热模型,研究表明门封的能量损失和空气泄漏损失分别占比4%和10%[18]。王芳等人提出了一套现场测量环境试验箱围护结构传热系数和蓄热系数的方法,研究了降温过程中围护结构的非稳态传热特性[19,20]。

高低温环境试验箱的工作温区较大,制冷系统常采用冷热对冲的方式来提高温湿度控制精度,因此设备能耗较大。热负荷计算作为制冷系统设计的前提,对整个系统的设计选型影响巨大,特别是稳态热负荷与动态热负荷之间的不匹配关系,给最终制冷系统的节能运行与控制调节带来了困难。明确环境试验箱热负荷的组成对其制冷系统的设计与运行调控具有重要的指导意义。

基于以上研究背景,本文搭建了一套高低温环境试验箱热负荷测试系统,分析了不同温度工况下箱体的温度分布、稳态热负荷与动态热负荷的变化规律,最终拟合得到了箱体漏热负荷、风机热负荷及热容热负荷的计算关系式,给出了试验箱制冷量与制热量的估算公式及预测曲线。研究方法与分析结果可为高低温环境试验箱的负荷计算与运行控制提供参考。


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