高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱是國(guó)防、航天、汽車、電子、電器、儀器儀表、材料、化工、食品及制藥等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的測(cè)試設(shè)備，供用戶對(duì)整機(jī)（或部件）、電器、儀器、材料、涂層、鍍層等作相應(yīng)的高低溫漸變?cè)囼?yàn).濕熱試驗(yàn)、耐寒與耐高溫試驗(yàn)等，對(duì)試樣在特定環(huán)境條件下的性能、適應(yīng)性作出分析及評(píng)價(jià)，是科學(xué)研究和生產(chǎn)過(guò)程必不可少的重要試驗(yàn)設(shè)備。
    據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，高低溫濕熱試驗(yàn)箱是需求廣泛的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備之一。由于生產(chǎn)和科研需求的增加，溫濕度的要求范圍越來(lái)越大，控制精度要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的高低溫濕熱試驗(yàn)箱已不能滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需求。因此，本文利用R404A作為制冷工質(zhì)，采用單級(jí)壓縮制冷、PID控制和電加熱蒸汽加濕技術(shù)，結(jié)合空氣循環(huán)優(yōu)化，構(gòu)建了高精度高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱，并對(duì)其溫濕度性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

    1、制冷工質(zhì)的選擇

    氟利昂根據(jù)其要素構(gòu)成分為三類：一是氯氟烴類，簡(jiǎn)稱CFC，這類氟利昂分子中含有兩個(gè)或三個(gè)氯離子；二是氫氯氟烴類，簡(jiǎn)稱HCFC，這類氟利昂分子中含有-一個(gè)或兩個(gè)氯分子：三是氫氟烴類，簡(jiǎn)稱HFC，這類氟利昂中不含氯離子。根據(jù)《蒙特利爾議定書(shū)》的規(guī)定，發(fā)達(dá)國(guó)家CFC類產(chǎn)品1996年1月1日停用，HCFC類產(chǎn)品2030年1月1日停用。發(fā)展中國(guó)家CFC類產(chǎn)品2010年全部停止使用： HCFC類產(chǎn)品2016年開(kāi)始受限，2040 年全部停止使用。《京都議定書(shū)》規(guī)定，二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、HFC類產(chǎn)品、氫氟碳化合物和六氟化硫等6類氣體均屬于溫室氣體，對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家提出了減少溫室氣體排放要求。為滿足高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱的低溫環(huán)境要求，兼顧制冷系統(tǒng)性能及壓縮機(jī)工作的可靠性，本文選擇R404A作為制冷劑。R404A由HFC143、HFC125、HFC134a組成，其物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

    2、實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)

     圖1為 高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱裝置原理圖。該實(shí)驗(yàn)裝置主要包括制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、控制和數(shù)據(jù)測(cè)量與采集系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、；冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、干燥過(guò)濾器和蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)閥等組成。加熱系統(tǒng)采用鰭片式不銹鋼電加熱器。加濕系統(tǒng)采用電加熱蒸汽加濕方式，減小加濕對(duì)溫度波動(dòng)的影響。試驗(yàn)箱的外型設(shè)計(jì)尺寸為950mmx 1325mmx 1850mm，內(nèi)箱尺寸為750mmx755mmx850mm，容積約480L。為了使溫濕度的控制精度能快速達(dá)到設(shè)定的環(huán)境要求，實(shí)驗(yàn)裝置采用并聯(lián)5組電磁閥和膨脹閥，分別承擔(dān)不同溫濕度條件下的功能。RC1和RC2膨脹閥起到快速降溫的作用； RC3膨脹閥應(yīng)用于一般除濕，RC4膨脹閥用于強(qiáng)除濕工況； RC5膨脹閥不經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器，直接接到壓縮機(jī)進(jìn)氣口，保護(hù)壓縮機(jī)（蒸發(fā)器出口溫度在-11℃以下常閉，-11℃以上常開(kāi)，冷卻壓縮機(jī)）。具體工作工況見(jiàn)表2?？刂坪蜏y(cè)試系統(tǒng)包括溫度傳感器、壓力表和數(shù)據(jù)采集器等組成。為了研究壓縮機(jī)吸、排氣的狀況，在壓縮機(jī)的進(jìn)出口設(shè)置了壓力測(cè)試點(diǎn)。另外，在高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)、壓縮機(jī)進(jìn)出口和壓縮機(jī)外殼等設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)。

    單級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)抽真空后充入適量R404A制冷劑。為了防止誤操作，電源接通后壓縮機(jī)延遲30s再啟動(dòng)。當(dāng)設(shè)定溫度為高溫時(shí)（高于環(huán)境溫度10℃），直接采用鰭片加熱器加熱，制冷系統(tǒng)不工作。在PID調(diào)節(jié)下，當(dāng)加熱輸出功率與箱體散熱達(dá)到平衡時(shí)，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定。設(shè)定溫度為低溫工況時(shí)，制冷系統(tǒng)啟動(dòng)，溫度接近設(shè)定溫度時(shí)，加熱器在PID控制下開(kāi)始輸出熱量，試驗(yàn)箱溫度穩(wěn)定在需要的范圍。當(dāng)溫度和濕度同時(shí)需要控制時(shí)，濕度控制采用冷卻除濕與蒸汽加濕相結(jié)合，達(dá)到濕平衡。如果是高溫控濕，溫度控制是電加熱和箱體對(duì)外散熱相結(jié)合，如果是低溫控濕，溫度控制是電加熱和制冷系統(tǒng)相結(jié)合，使得試驗(yàn)箱內(nèi)溫濕度穩(wěn)定在需要的范圍。本文對(duì)高低溫交變?cè)囼?yàn)箱高低溫工況、高濕工況、中濕工況和低濕工況的進(jìn)行了測(cè)試，研究高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱溫濕度的控制性能和穩(wěn)定性。

    3、結(jié)果與討論

    圖2為試驗(yàn)箱制冷系統(tǒng)I作過(guò)程中壓縮機(jī)的吸氣和排氣壓力變化情況。圖2表明，機(jī)組啟動(dòng)后，吸氣壓力迅速下降，然后吸氣壓力逐漸穩(wěn)定；排氣壓力先迅速升高，然后逐漸下降后穩(wěn)定。575 秒后制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)的排氣壓力穩(wěn)定在0.9MPa 左右，吸氣壓力在0.1MPa左右，壓縮機(jī)的壓比大約為9，表明壓縮機(jī)工作穩(wěn)定。

    圖3是試驗(yàn)箱高溫工況的升溫曲線。試驗(yàn)箱內(nèi)溫度設(shè)定目標(biāo)為150℃，在該工況制冷機(jī)組停止工作。在控制器PID的調(diào)節(jié)下，根據(jù)試驗(yàn)箱的實(shí)際測(cè)量溫度信號(hào)與設(shè)定溫度之間的差值控制加熱器的輸出功率，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度逐漸升高。開(kāi)始時(shí)段由于試驗(yàn)箱內(nèi)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度相差較大，加熱輸出功率大，升溫速率大。隨著試驗(yàn)箱內(nèi)溫度接近設(shè)定溫度，加熱器輸出功率減小，試驗(yàn)箱內(nèi)的升溫速率逐漸降低，經(jīng)過(guò)約2200s， 溫度穩(wěn)定在150℃， 溫度波動(dòng)不超過(guò)±0.3℃.

    圖4為試驗(yàn)箱低溫工況的降溫曲線，實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度條件是-40℃，由于是低溫工況，不控制濕度。制冷系統(tǒng)啟動(dòng)后，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度隨時(shí)間逐漸降低，開(kāi)始時(shí)段的降溫速率明顯大于后面時(shí)段的降溫速率。當(dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)溫度接近設(shè)定溫度，加熱器在PID控制下開(kāi)始輸出熱量，溫度逐漸穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)約3200s，溫度穩(wěn)定在-40℃，溫度波動(dòng)在±0.2℃以內(nèi)。

    高溫和低溫工況都是典型的不控制濕度的工況，圖5~圖7是3組典型的溫濕度同時(shí)控制條件下的試驗(yàn)箱溫濕度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖5是溫度設(shè)定為20℃、濕度為98%RH高濕工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度隨時(shí)間逐漸降低并穩(wěn)定，濕度隨時(shí)間逐漸上升。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)段的升濕速率明顯大于后面時(shí)段的升濕速率。圖5同時(shí)表明溫度穩(wěn)定后濕度也逐漸穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)約1400s，溫濕度均達(dá)到了設(shè)定值。溫度穩(wěn)定在20±0.2℃，濕度穩(wěn)定在98±1.0%RH。

    圖6的實(shí)驗(yàn)工況條件是溫度65℃，  濕度為40%RH，是典型的中溫中濕實(shí)驗(yàn)條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度隨時(shí)間差不多呈線性降低，濕度隨時(shí)間先逐漸上升然后逐漸下降。濕度一開(kāi)始_上升可能是由于試驗(yàn)箱內(nèi)溫度降低而除濕沒(méi)有及時(shí)去除。隨著時(shí)間的推移，溫度和濕度逐漸降低，穩(wěn)定在設(shè)定值。經(jīng)過(guò)約900s，溫度穩(wěn)定在65±0.3℃，濕度穩(wěn)定在40±1.3%RH。

圖7的實(shí)驗(yàn)條件是溫度設(shè)定為60℃，濕度為10%RH，屬于低濕實(shí)驗(yàn)工況。試驗(yàn)箱內(nèi)溫度隨時(shí)間逐漸上升并穩(wěn)定，濕度隨時(shí)間逐漸下降并趨于穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)約400s，溫度和濕度接近于設(shè)定值，PID運(yùn)算減少加熱器的輸出，由于10%RH較低，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間波動(dòng)后，終經(jīng)過(guò)約550s， 溫度穩(wěn)定在60±0.3℃，濕度穩(wěn)定在10±1.5%RH。

    4、結(jié)論

    利用近共沸混合制冷劑R404A作為制冷工質(zhì)的單級(jí)蒸氣壓縮制冷，采用PID控制電加熱和蒸汽加濕以及冷熱平衡技術(shù)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了-40℃~ 150℃控溫，10%~98%RH控濕的需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高溫、低溫、高濕、中濕和低濕實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)控溫和控濕過(guò)程穩(wěn)定、可靠。在制冷循環(huán)工作過(guò)程中，壓縮機(jī)的吸氣、排氣壓力分別穩(wěn)定在0.1MPa和0.9MPa左右，壓縮比在合理范圍內(nèi)。高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱溫度穩(wěn)定偏差不超過(guò)±0.3℃，濕度穩(wěn)定偏差不超過(guò)±1.5%RH，滿足控制箱的多種工況的需要，  測(cè)試結(jié)果表明高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱性能良好，控制精度高，可滿足用戶對(duì)試驗(yàn)箱溫濕度控制精度的要求。