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温湿度试验箱技术现状与发展探讨

日期:2020-10-23 21:40
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摘要:

温湿度试验箱技术现状与发展探讨

纵观近十年中国环境试验行业迅速发展,主要源于两个动力:一是国际局势的动荡,特别是美国挑起的几场局部战争迫使中国加大国防工业技改经费投入;二是中国外向型企业,特别是外资企业数量、规模的增大及中国加入世界贸易组织后国内企业出于加强竞争力的需要。前者影响分散在内陆各省,甚至山区,如陕西、四川、贵州等;后者则集中在华东、华南、环渤海等沿海经济发达地区,近三年的需求量增长率在150%以上(仅国内生产厂家)。

温湿度试验箱近几年基本技术趋于成熟、稳定,只有温湿度控制器的发展突飞猛进:从*初的温度、湿度单独控制的分散仪表到双回路的可编程序控制器,再到PLC+触摸屏及专用触摸屏温湿度控制器。以下将对温湿度试验箱的现状进行浅略分析,欢迎各位同行批评指正。

一、基本性能:

多数规模化试验箱厂家生产的标准型温湿度试验箱可以达到试验要求的基本性能指标,如降温时间,温度、湿度偏差,均匀度等。但值得注意的是,近几年在江浙、重庆、广东的雨后春笋般冒出的许多小作坊式的工厂。由于技术水平很差,甚至连基本的技术指标都达不到,往往进行弄虚作假(如非正常校正仪表偏差等)达到验收目的。

为确保试验箱的性能达到需要的性能指标,用户可以请第三方(国家技术监督或计量单位)进行验收。第三方验收时,**验收、证明费用一般由用户用承担;**次验收不合格时厂家要进行再调试或设计变更,验收费用由生产厂家负责。

 

二、可靠性:

实际应用表明,目前普遍采用高性能的进口压缩机、制冷元器件及控制器、接触器后,温湿度试验箱机械故障越来越少。引发故障的原因主要是设计、工艺和维护。

1控制软件/程序bug主要发生在工业PCPLC作控制器非标准机型,引起的故障多数是由于试车不充分。另外,个别厂家为追求技术开创性,自己开发、生产控制器,由于软/硬件设计、零部件质量等原因引起的事故往往较为惨重。目前较为稳妥的方案是尽量使用专业厂家生产的温湿度控制器或使用较成熟软件的PLCIPC

2制冷剂泄漏是典型的螺纹连接、焊接工艺不过关引起的故障。为保证产品质量,试验箱生产厂家应具备完善的生产工艺。制冷系统主要部件布局不合理,管路未进行减振、降噪等都会影响试验箱质量,在运输过程中及长时间运转后会引起泄漏。

3加湿器断路、漏电除电热管本身质量外,安装过程的绝缘密封不佳和加湿用水水质达不到要求引起腐蚀是引起上述问题的常见原因。

4无故障连续运行时间(MTBF的要求也应当作为考量试验箱性能和可靠性的主要指标。试验箱极限工况和恶劣工作环境下的MTBF是考量试验箱可靠性的*佳选择。试验箱无故障连续运行时间选择应该视试验需要而定。

4.1 温湿度试验箱极限工况:

低温低湿2020%RH,露点温度-3.4,采用冷冻除湿可以连续运行24小时,若试验时间继续延长蒸发器结霜逐渐变厚引起蒸发温度降低,制冷/除湿量下降不能维持低温/低湿,甚至压缩机回气带液引起液击事故。此时应采取除霜或使用其他除湿方法,如转轮、干燥器等,但会大幅度增加材料成本。

低温时冷冻油粘度变大,甚至完全不能流动导致压缩机中的冷冻油积聚在蒸发器内,导致压缩机缺油损坏。为此,制冷系统设计时必须深入分析,根据具体情况选择采用高效填料式油分离器(DANFOSSCOALESCENTTEMPRITE)、回气气液分离器、蒸发发器自动除霜及考虑冷冻油与制冷剂互容性及絮凝点等可靠性措施。一些不负责任的生产厂家为了取得低价优势或设计人员技术水平原因,连必需的可靠性辅助部件如油分离器、压缩机高低压开关、漏电保护开关、压缩机热过载继电器等都节省掉了。这种以牺牲试验箱安全及可靠性达到降低成本目的的做法应当引起广大用户的注意。

4.2室温偏高时(许多工厂车间可能会超过35),风冷低温试验箱的低温极限、降温时间等低温性能会有所下降,甚至不能正常启动机器。试验箱使用环境、供电、供水条件具体见GB10586-89中有关条款。

三、安全性:

试验箱安全性涉及操作人员、试验物品及设备本身三方面。

1、针对操作人员保护主要包括

1.1漏电时切断试验箱总电源。

1.2高温试验时箱门打开时风机停止,防止高温气体**。

 

2设备安全主要考虑压缩机、加热器、加湿器、控制面板

2.1  压缩机:超压(高压/低压)、排气超温、马达线圈超温、油压、缺相、漏电、过载,具体视应用情况不同进行选取。此外油分离器、吸气气液分离器也是压缩机连续安全运行的保障。

2.2  加热/加湿主要防止漏电及电热管本体超温造成损坏。电加热器和加湿器上方安装气体式温度开关可以在超过设定温度时通过控制器切断电源。另外,利用加湿水盘水位开关防止加湿器在缺水的情况下干烧损坏。

2.3  控制面板主要是防止误操作,控制器可以设置键盘锁;另外可以选用钥匙电源开关。

3、为防止控制器或传感器故障引起箱内温度失控,温度过高损坏试验物品,在箱内安装独立的温度控制器和传感器,动作温度设置为试验温度高限+5~10。对于温度要求更高的试验物品,可以使用热电偶和记录器,用来监测箱内空气和试验物品表面的温度。

四、能耗:

温湿度试验箱的能耗主要是电和水。

耗电集中在制冷压缩机、加热、加湿、水泵、风机等几项,目前环境试验行业普遍采用高效低温制冷压缩机,如低温型全封闭往复活塞式的泰康(Tecumseh)、美优乐(Maneurop),低温型半封闭往复活塞式的德国谷轮(DWM Copeland)、比泽尔(Bitzer)等,但由于设计、工艺等原因,整个制冷系统的效率却差距悬殊:同样规格的试验箱,使用同样的压缩机,降温性能差距很大,所以一些技术水平较低的厂家只能配置较大型号的制冷压缩机来满足降温需求,如此一来在提高压缩机成本的同时也大大提高了用户的运行费用。生产厂家可以通过降低其他配置的档次来平衡成本,但用户购买机器以后的运行费用无暇顾及了。

温湿度试验箱的能耗80~90%集中在制冷系统及用于平衡调温调湿(BTHC)的加热、加湿,通过能量调节减小不必要的制冷量可以同时降低制冷压缩机、加热、加湿三方面的功耗。常见的能量调节方式有以下几种:

1 压缩机气缸卸载:较大功率的半封闭压缩机可以采用这种方式,德国比泽尔(Bitzer)的半封闭活塞式压缩机可以直接通过更换装有卸载电磁阀的压缩机气缸顶盖实现气缸卸载。

2 压缩机变频:压缩机变频在空调、冰箱中应用十分普遍,但离心供油的压缩机(全封闭和5HP以下的半封闭压缩机都采用离心供油)转速降低可能引起不上油或油压不足,润滑不佳会损坏压缩机,因此变频时需要使用专门设计的压缩机辅以变频部分成本太高。

3 压缩机排气旁通:压缩机排气不进入蒸发器吸热,一部分直接回到压缩机吸气;一部分通过冷凝器、膨胀阀节流后与未经过冷凝气的回流热气混合,防止回气温度过高。

4、电子膨胀阀或多回路冷量调节:目前在空调行业已广泛应用的电子膨胀阀由于技术原因在环境试验箱中应用较少,一般采用多回路冷量调节:制冷剂液体进入蒸发器时有若干电磁阀+膨胀阀组,通过不同的制冷剂流量及过热度来进行能量调节。

前面两种方法节能效果较好,压缩机、加热及加湿的功耗都有较大程度的减少;后面两种方法对加热、加湿能耗减少的同时压缩机能耗也有一定程度的减少。实际应用中可以将以上方法进行不同组合。家用中央空调中采用变频(或排气量连续可调)压缩机+电子膨胀阀节能效果*佳。

温湿度试验箱的加热、加湿量主要取决于平衡制冷降温和除湿的功率,制冷系统采取能量调节技术,如上述多回路流量控制、卸载、排气旁通、电子膨胀阀等可以大大降低耗电量。

温湿度试验箱用制冷压缩机的趋势如下:小型(1~10HP)采用低温型全封闭涡旋式压缩机代替现用的往复活塞式压缩机,全封闭涡旋式压缩机效率高、能量调节方便,可以进行卸载或变频,而且噪音比往复活塞式低5~10dBA。目前性能较好的涡旋压缩机有谷轮(CopelandScroll)、日立(HITACHI)、比泽尔(Bitzer)等;大型(15HP以上)采用低温型半封闭螺杆式压缩机,低温型半封闭螺杆式压缩机性能*好的是德国比泽尔,只是目前相对往复活塞式压缩机成本偏高。

 

下表是几种常见制冷压缩机的比较:

 

Bitzer半封闭

COPELAND半封闭

COPELAND涡旋

TECUMSEH全封闭

型号

4P-10.2Y

D3DC-100X

D3DC-150X

 

 

CAJ2464Z

TFH2511Z

名义马力

10HP

10HP

15HP

3.5HP

15HP

1.5HP

3HP

噪音dBA

~82

~85

61

72

70

73

排量m3/h

47.14

49.9

49.9

9..9

42.1

5.99

12.9

外形

L×W×H

674×420×367

 

680×370×480

710×370×490

243×242×452

324×294×593

219×165×282

246×200×354

质量Kg

145

173

178

31

119

23

32

备注

低温/4

低温/3

中低温/3

中低温

静音高效

低温

循环水泵功耗受水量、水压的影响。冷却水温随,冷却水水压调节阀可以根据排气压力的变化调节阀开度:当气温低而降低时,冷却水温随之下降,冷凝温度和压力也随之下降调节阀关小;反之则开大。

 

 

另外,采用高效换热器可以减小传热温差,降低能耗,并大大减小设备体积和重量。

下表是R507A40冷凝温度10KW换热量时几种换热器的对照。

类型

卧式壳管

套管

板式

2流程

4流程

传热系数

800~1200

 

800~1200

2300~2500

热流密度

5000~8000

 

7500~10000

 

外形体积比

100

150

~100

~20

重量比

100

150

~80

20~30

耗水量比

100

50

50

30~40

备注

管侧*大流速2.5m/s

只适用于小型

不锈钢钎焊

 

出于成本及对水质要求的原因,钎焊板式热交换主要在复叠式制冷系统中用作蒸发冷凝器。少数厂家用作水冷冷凝器,但由于设计安装过程中未对冷却水进行充分过滤,运行一段时间后出现冷凝效果差,压缩机排气压力过高等问题(壳管式冷凝器也会出现上述问题,只是短期内性能影响不显著)。板式换热器的板片间距仅为2mm,所以使用板式冷凝器时必须在冷却水进口60/平方英寸以上的过滤器,并装设反冲阀定期进行反冲清洗。长期使用后,必要时可以进行弱酸清洗。使用的弱酸可以是5%的磷酸或草酸溶液,反向循环24小时后清水冲洗至少30分钟。

五、维护性:

环境试验箱使用寿命除产品设计水平、制造工艺外,影响*大的就是日常维护和保养。许多用户对设备保养不够,甚至不了解项目,造成制冷系统冷凝压力过高、加湿水系统堵塞、湿度测量偏差大等故障频繁发生。

温湿度试验箱主要保养项目如下:

5.1冷凝器:风冷型试验箱运行一段时间后冷凝器翅片积灰尘逐渐增多,风道堵塞引起风量减小,制冷系统冷凝压力过高,*终导致制冷压缩机高压保护无法启动。水冷型试验箱同样会因冷凝器泥沙、污垢、水藻等引起传热温差增大,冷凝压力升高,*终导致制冷压缩机高压保护。用户在冷凝器前应安装过滤器,并定期清洗滤网。

5.2加湿水:为防止结垢、腐蚀损坏电热加湿器,加湿用水应进行过滤并去除矿物质。加湿用水一般采用蒸馏水或逆渗透处理的纯净水,电阻率应500Ω。为了便于使用,避免频繁人工加水,可以外接RO纯水机,进行自动补水,使用前只需接通普通自来水即可。

5.3湿球纱布:出于成本考虑(电容式Senser价格是普通Pt100干湿球Senser的几十倍)和技术上的原因,几乎所有Chamber厂家都采用干湿球法测量相对湿度。随着水分的蒸发,灰尘和矿物质在湿球纱布上积聚,造成湿球测量偏差加大。为此,MIL-标准中规定,湿球纱布每一个月或每次试验前必须更换。但一些温湿度箱厂家只随机附带了两片湿球纱布,用户购买时再高价出售。实际上客户可以直接用气象纱布自己制作,效果比许多厂家卖的还要好。目前欧洲及北美已经有耐高低温(-40/70~+120/180)及抗结露型的电容式湿度传感器,在98%RH以下,其精度远高于干湿球法测量。可以参考维萨拉的温湿度传感器。

传统的温湿度试验箱使用多个故障指示灯显示故障,现在使用触摸屏(中/英文界面)的单片机控制器具有故障自诊断系统,操作人员可以通过文字说明判断故障原因,如压缩机超压、过载、油压,循环风机过载,箱内超温,缺水等,在保修期外,这对用户判断机器故障非常有用。

六、综述:

随着环境试验要求的不断深入,用户对试验箱的性能、交货期要求越来越严格。为了满足这种状况,生产厂家应该加大技术和管理投入,针对用户需求迅速开发、生产出不同档次、不同规格的试验箱。这就要求环境试验设备生产厂家做好以下工作:

6.1 设计开发过程中采用部件化、功能模块化,缩短开发周期;

6.2 生产制造过程充分运用先进的管理运作系统,如MRPⅡ、ERP等,缩短生产周期;

6.3 公司运作严格执行ISO9001质量管理体系,确保产品质量;

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