技術(shù)探討：延長冷熱沖擊試驗箱溫度轉(zhuǎn)換時間的方法
作者：
salmon范
編輯：
瑞凱儀器
來源：
www.shubeikang.com
發(fā)布日期： 2020.04.25
近日，東莞市瑞凱環(huán)境檢測儀器有限公司受理一項高低溫快速溫度循環(huán)試驗箱定制任務(wù)，要求試驗的溫度平均變化為速率為10℃/min左右。當時僅有的兩臺利用液氮的快速溫度變化箱正在做24小時連續(xù)10天的試驗。而委托方要求通過試驗盡早確定試品的材料工藝性能，在滿足試品的試驗條件的要求下，經(jīng)過分析，我們設(shè)法在冷熱沖擊試驗箱的吊籃內(nèi)除存放試品外，再加上有一定熱容量的負載，運用熱交換的定律，延長冷熱沖擊試驗箱的高、低溫工作區(qū)極限溫度值的轉(zhuǎn)換時間來達到試驗要求。而冷熱沖擊試驗箱由于本身的結(jié)構(gòu)特點和國軍標對有關(guān)試驗設(shè)備的要求，冷熱沖擊試驗箱的高低溫工作區(qū)要有足夠的熱容量，以便使試品在放入試驗箱后，在5
min之內(nèi)高低溫工作區(qū)的極限溫度就能回復(fù)到規(guī)定值。換句話說，就是高低溫工作區(qū)的極限溫度轉(zhuǎn)換時間必須要在5 min之內(nèi)完成。
現(xiàn)在一般常見的冷熱沖擊試驗箱從箱體結(jié)構(gòu)上分主要有兩種。一種是一箱法，即箱體的中間是存放試品的工作區(qū)，箱體的兩邊分別是高溫室和低溫室，并且高低溫室與存放試品的工作區(qū)分別由風(fēng)門相通，打開或者關(guān)閉相應(yīng)的風(fēng)門就可讓高溫室或低溫室的空氣通過送風(fēng)電機快速強迫進人存放試品的工作區(qū)，從而使存放試品的工作區(qū)實現(xiàn)了快速溫度變化的操作。另一種是兩箱式上下結(jié)構(gòu)，上半部分為高溫工作區(qū)，下半部分為低溫工作區(qū)，中間由試品吊籃連接，試品吊籃由升降機構(gòu)在高低溫工作區(qū)內(nèi)上下移動。當?shù)趸@移至箱體的上半部分，試品就暴露在高溫工作區(qū)，當?shù)趸@移至箱體的下半部分，試品就暴露在低溫工作區(qū)。而極限溫度轉(zhuǎn)換時間是不能設(shè)置的。但溫度循環(huán)試驗的溫度變化的速率是可以根據(jù)試品的具體要求和設(shè)備的性能進行設(shè)置的，延長冷熱沖擊試驗箱的高低溫極限溫度值的轉(zhuǎn)換時間也就近似于減緩了溫度變化的速率。為此我們根據(jù)不同質(zhì)量和不同金屬材料所具有的熱容量及熱交換的定律作了模擬試驗，結(jié)果證明可以適當延長冷熱沖擊試驗箱高低溫極限溫度值的溫度轉(zhuǎn)換時間。
我們知道，物質(zhì)的熱容量是材料比熱系數(shù)和材料的質(zhì)量乘積：即
在同樣的質(zhì)量下，材質(zhì)不同，熱容量也不同。經(jīng)查找有關(guān)資料，鋁材和其它金屬材料相比，比熱系數(shù)較高，同質(zhì)量下熱容量較大。鋁材自然就作為首選。當存放有鋁材的吊籃上移至高溫工作區(qū)時，所吸收的熱量為
當存放有鋁材的吊籃下移至低溫工作區(qū)時就要釋放熱量Q放，由熱交換定律可知：
由試驗可知，在不考慮其它熱量損耗的情況下，由于鋁材熱量的釋放將低溫工作區(qū)的極限溫度升高△t1，當?shù)蜏貐^(qū)的工作空間一定時，Q吸越大，△t1也越大。并隨著鋁材的熱量不斷釋放，低溫工作區(qū)的溫度也在逐步上升，但此時由于冷熱沖擊試驗箱的低溫工作區(qū)在繼續(xù)制冷及風(fēng)扇電機的空氣強迫對流，終使冷熱沖擊試驗箱的低溫工作區(qū)的溫度逐漸趨向平衡而達到極限值。在這個溫度變化過程中由于鋁材的熱量不斷釋放，使得低溫工作區(qū)的極限溫度值的下降速率有所減緩，而不像溫度沖擊那樣，吊籃的溫度瞬間就下降到低溫的溫度極限值。反之，當?shù)趸@上升至高溫工作區(qū)時，也由于鋁材在不斷地吸收熱量，將高溫工作區(qū)的極限溫度下降△t1，同樣也由于高溫工作區(qū)的繼續(xù)加熱及風(fēng)扇電機的空氣強迫對流，終使冷熱沖擊試驗箱的高溫工作區(qū)的溫度逐漸趨向平衡而達到極限值。根據(jù)以上的試驗，我們在不影響冷熱沖擊試驗箱吊籃的承重力情況下通過多次適當?shù)恼{(diào)整鋁材的質(zhì)量，并按國家有關(guān)《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗的設(shè)備基本參數(shù)檢定方法》標準，在吊籃內(nèi)有關(guān)的位置布設(shè)相應(yīng)的溫度傳感器進行了測量，溫度偏差均在規(guī)定值內(nèi)，總的溫度平均速率也均在10℃/min左右。這樣在試品對溫度變化沒有線性度要求的情況下，基本上滿足了試品的試驗條件要求，使試品成功地通過了試驗。后來，我們根據(jù)同樣的方法又做了一次摸底試驗。兩次試驗不僅均滿足檢測需求，又節(jié)約了試驗材料費用4萬余元(按每天一瓶液氮450元計，共需90瓶)。
圖1、圖2是用冷熱沖擊試驗箱延長溫度轉(zhuǎn)換時間得到的溫度升降曲線。
從圖中可看出，高溫工作區(qū)的極限溫度與低溫工作區(qū)的極限溫度的轉(zhuǎn)換時間約在10~ 15 min之間，而且在溫度上升或下降區(qū)域的溫度變化速率較快。運用熱交換定律，用冷熱沖擊試驗箱做快速溫度循環(huán)試驗，每次做試驗，都要根據(jù)試品的質(zhì)量和具體試驗條件的要求，需反復(fù)進行測算和調(diào)整鋁材的質(zhì)量的模擬試驗。據(jù)了解，現(xiàn)國內(nèi)有兩種高低溫快速溫變試驗箱。一種是升降溫度速率沒有線性度要求的試驗箱，另一種是升降溫速率有線性度要求的試驗箱。經(jīng)試驗比較，從用熱交換定律和模擬試驗后的升降溫曲線來看，使用效果近似于沒有線性度要求的快速升降溫試驗箱。
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