USST_Arts_117060179高低温试验箱制冷系统性能研究
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摘要
高低温试验箱适用于工业产品高、低温的可靠性试验。对电子电工、汽车摩
托、航空航天、船舶兵器、高等院校、科研单位等相关产品的零部件及材料在高、
低温（交变）循环变化下的情况，检验其各项性能指标。测试样品经升温、降温
过程后，其产品性能好坏就展现出来，可有针对性加以修正，以提高产品的质量。
本课题参与海尔集团的产学研项目，主要研究高低温试验箱用制冷系统。
本文以一高低温试验箱为对象，致力于研究其复叠制冷系统性能，运用理论
知识对制冷系统热力性能、制冷剂选择、制冷部件选型设计以及制冷系统运行方
式进行分析，最后结合实验对机组进行验证并深入分析，促进试验箱性能提高。
本文首先回顾了高低温试验箱及其制冷系统的发展，提出了适合高低温试验
箱的双级复叠制冷系统流程，高温级可以单独运行-15~39℃环境，双级耦合运行
-16~-70℃环境。
确定了 R404A/R23 作为复叠系统的循环制冷剂，并 对制冷系统进行热力分析
以及设计计算；随后对复叠制冷系统部件，包括压缩机、蒸发器、冷凝器、冷凝
蒸发器等在内的设计选型；对高低温试验箱进行制冷剂充注量实验，得到试验箱
在最佳运行状态下的最佳充注量，高低温试验箱复叠系统高温级制冷剂充注量为
750g，低温级制冷剂充注量为 400g；对确定制冷剂充注量的高低温试验箱进行升
降温试验，以实验结果所得的性能指标衡量试验箱的性能优劣，结果显示指标均
满足设计要求；最后进行高低温试验箱复叠制冷系统特征点运行实验，结果显示
各制冷部件、阀件以及毛细管等运行稳定，高低温试验箱在此设计下运行良好，
安全可靠。
关键词：高低温试验箱 理论设计 复叠制冷 制冷剂充注
ABSTRACT
High and low temperature test chamber is suitable for the reliability test at
high/low temperatures for industrial products. It provides a high or low temperature
environment for some parts and materials of the products in the field of electronic and
electrician, automobile, aerospace, ships and weapons, universities and research
institutes and then the quality of testing products through warming/cooling process will
be apparent. This subject participates in the research projects of Haier and concentrates
on the refrigeration system of the high and low temperature test chamber
The research object of this article is about a high and low temperature test
chamber, which carrying a cascade refrigeration system. By applying theoretical
knowledge, the thermal property of the cascade refrigeration system, the design and
selection of refrigeration components, the choice of refrigerant and the operation of
refrigeration are analyzed. Finally, the chamber is verified by experiments and
analyzed deeply in order to promote the development of high and low temperature test
chamber.
The development of high and low temperature test chamber as well as its
refrigeration system is reviewed first in this article. A two-stage cascade refrigeration
system is proposed in this article for the high and low temperature test chamber. The
high-temp grade can be run separately when the inside temperature is between
-15~39℃. The two-stage cascade refrigeration system is needed when the temperature
is between -16~-70℃.
Thermodynamic design and calculation for the high and low temperature test
chamber have been carried out after choosing R404A/R23 as cycle refrigerant for the
cascade refrigeration system. Subsequently, the cascade refrigeration system
components, containing a compressor, evaporator, condenser, condenser-evaporator,
are designed and selected. In order to get the optimal refrigerant charge for the
chamber at the best operating state, the refrigerant charge experiments are being done.
The results show that the best refrigerant charges for the high-temp and low-temp
grade are respectively 750g and 400g. Then the heating and cooling tests are conducted
to measure the performance of the test chamber and the results show that indicators are
satisfied with the design requirements. Finally, the experiments for the feature point of
the cascade refrigeration system are done and it shows that all the refrigeration
components operate stably. The high and low temperature test chamber is safe and
reliable under this design.
Keywords: High and low temperature test chamber, Theoretical
design, Cascade refrigeration, Refrigerant charge
目录
摘 要
ABSTRACT
第一章绪论 .................................................................................................................. 1
1.1 引言 ................................................................................................................... 1
1.2 环境试验的发展历程 ....................................................................................... 3
1.3 高低温试验箱概述 ........................................................................................... 4
1.3.1 高低温试验箱国外概况 ............................................................................ 4
1.3.2 高低温试验箱国内概况 ............................................................................. 5
1.3.3 高低温试验箱的系统组成 ........................................................................ 5
1.4 高低温试验箱的研究方向 ............................................................................... 7
1.5 本课题高低温试验箱的设计指标 ................................................................... 7
1.6 本课题的研究意义及主要工作 ....................................................................... 8
1.6.1 本课题的研究意义 .................................................................................... 8
1.6.2 本课题主要工作 ........................................................................................ 8
第二章高低温试验箱制冷循环及制冷剂的确定 ...................................................... 9
2.1 低温技术简介 .................................................................................................... 9
2.1.1 两级蒸汽压缩式制冷循环 ........................................................................ 9
2.1.2 复叠式制冷循环 ........................................................................................ 9
2.1.3 复叠制冷循环与两级蒸汽压缩式制冷循环比较 .................................... 11
2.2 复叠系统研究进展及现状 ............................................................................. 12
2.3 制冷剂选择要求 .............................................................................................. 13
2.4 制冷剂的选定 ................................................................................................. 14
2.4.1 高温级制冷剂的选定 .............................................................................. 14
2.4.2 低温制冷剂的选定 .................................................................................. 16
2.5 本章小结 ......................................................................................................... 18
第三章高低温试验箱的制冷系统设计 .................................................................... 19
3.1 高低温试验箱热工计算 ................................................................................. 19
3.1.1 高低温试验箱冷负荷计算 ...................................................................... 19
3.1.2 高低温试验箱电加热功率计算 ............................................................... 20
3.2 本试验箱循环方式提出与循环特点 ............................................................. 21
3.3 复叠系统热力设计 ......................................................................................... 24
3.3.1 低温级系统热力计算 .............................................................................. 25
3.3.2 高温级热力计算 ...................................................................................... 27
3.3.4 压缩机选择 .............................................................................................. 28
3.4 本章小结 .......................................................................................................... 29
第四章换热器及配件选型 ........................................................................................ 30
4.1 蒸发器的设计计算 ......................................................................................... 30
4.2 冷凝器的设计选型 ......................................................................................... 32
4.3 冷凝蒸发器的设计选型 ................................................................................. 35
4.4 制冷系统其它配件 ......................................................................................... 39
4.5 本章小结 ......................................................................................................... 44
第五章实验测试及其结果分析 ................................................................................ 45
5.1 实验测试系统 ................................................................................................. 45
5.2 高低温试验箱制冷剂充注实验 ..................................................................... 48
5.2.1 高低温试验箱高温级制冷剂充注实验 ................................................... 48
5.2.2 高低温试验箱低温级制冷剂充注实验 ................................................... 50
5.3 高低温试验箱性能实验分析 ......................................................................... 53
5.3.1 高低温试验箱升温实验分析 .................................................................. 53
5.3.2 高低温试验箱降温实验分析 ................................................................... 55
5.3.3 高低温试验箱制冷系统特征点测试 ...................................................... 57
5.4 本章小结 ......................................................................................................... 59
第六章结论与展望 .................................................................................................... 60
6.1 主要结论 ......................................................................................................... 60
6.2 展望 ................................................................................................................. 61
符号表 ........................................................................................................................ 62
参考文献 .................................................................................................................... 64
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................................ 67
致谢 ............................................................................................................................ 68
第一章 绪论
1
第一章 绪论
1.1 引言
任何一种产品在使用和存储过程中都将暴露在一定的气候、生物化学、力学
环境中。环境问题是一个产品不可回避的问题，产品性能的恶化是由诸多环境因
素影响的，如温、湿度的影响可将电子元件的保护层破坏，导致电阻值发生变化
而损坏；大气中的盐分、水分及一些其它污染物会引起化学反应而腐蚀；又如汽
车工业中，汽车传动轴上的橡胶保护套会因环境温度的变化而加速老化，保护效
果降低等。
环境的破坏作用将降低产品的使用寿命，对于一般的电子电工产品，由于环
境因素导致的失效比例统计见图 1-1[1]，由图可见由于温度变化引起的设备失效所
占比例最大，高达 45%，此足以显示环境试验的重要性和必要性。
图1-1 环境因素导致的产品失效比例统计图
随着中国的工业生产和军事装备的快速发展和更新，军工制造业产品的质量
和可靠性的要求也越来越高。有资料显示，50%以上总故障是由于环境影响造成
的，表 1-1 所罗列的是历史上环境作用对军用设备和装置产生不良反应的案例总
结[2]。航空产品是一类特殊产品，它具有一般产品没有的特点，其可靠性和使用
寿命需要得到精确的保障，表 1-2 中美军用航空产品故障情况统计表[1]，二战后
各大发达国家都认识到军用装置以及航空产品对环境的可适应性很重要，纷纷在
世界各地建造环境试验站，环境测试涵盖了各种全球典型自然环境条件，环境测
试结果作为军事和航空航天产品质量判定的重要手段[3]。
45%
9%
19%
27% 温度（高、低温及温度
变化）
其它
湿度
振动
上海理工大学硕士学位论文
2
表1-1 环境作用对军用设备和装置产生不良反应的案例总结表
时间节点
不利的影响
第一次世
界大战
英国海军的军舰由于海水盐雾腐蚀，主机部件发生失效故障，使得
40%的军舰必须返港修复。
日本侵华
战役
日军步枪装子弹的地方没有遮挡物，作战时风沙涌入枪管，导致枪
管被堵塞，不能再继续装弹药。
第二次世
界大战
美国战场上运用的电子设备，在经过长时间运载、贮存后，有一半
的设备不能正常运行。
美国侵略
朝鲜战争
期间
美军雷达频频出现问题，无法工作的时间长达 84%。半数以上的陆
军电子设备也因故障而失效，空军五年内的电子设备维修费约为设
备购置费用的 10 倍，这是电子设备在不同环境下的运行不可靠性问
题的充分表现。
1986 年1
月28 日
美国的航天飞机——“挑战者”号的聚硫橡胶密封垫不适应严寒气候
环境，致使飞机在起飞 74 秒时突然爆炸。
1991 年海
湾战争
在海湾沙漠环境中，多国部队直升机的发动机运行约 30~50 小时，
就需进行拆下维修，有些甚至在刚抵达海湾地区时就需维修。
1998 年8
月
具有隐形功能的美国 B-2 轰炸机，主要依靠涂抹于外壳上的特殊金
属塑料复合材料，不过这种复合材料在湿热环境下失去对雷达波的
吸收能力，致使飞机反射雷达波并被地面监测到，丧失了隐形功能。
表1-2 中美军用航空产品故障情况表
国家
中国
美国
产品
机载用
沿海基地
用
175 架同种飞机中 31 种
的两年故障原因
F/A-18 大
黄蜂飞机
因环境影响
导致的设备
故障
52.7%
52%
52%
51%
温度（高/低
温）
42%
40%
55%
40%
振动
21.6%
27%
20%
27%
湿度
19%
19%
19%
19%
砂尘
7.8%
14%
6%
6%
盐雾
3.9%
/
/
4%
低气压
3.6%
/
/
2%
第一章 绪论
3
冲击
2.1%
/
/
2%
由此可见，环境因素对电子电工产品、军用设备以及航天产品等的影响非常
大，不可忽视，而且在所罗列的影响因素中温度因素又是所占比例最大的。
为了使航空产品，各种材料，各种仪器仪表，电子产品及元件对环境具有良
好的适应性，在产品的研发期甚至使用期都需进行环境试验。
环境试验是验证产品设计及质量的主要手段[4]。环境试验设备运用人工手段，
模拟出产品实际所处的环境，测试其性能指标，及时发现产品的缺陷，可使人们
对产品进行有针对性的改进。研制新产品时，无需将产品放置于难以达到的实际
环境中实验，节约时间、成本、劳力和物力，并可提高产品综合性能。环境试验
设备已成为现代高技术产品研发和验收时必不可少的设备。
1.2 环境试验的发展历程
工业发达国家为了提高产品的环境可靠性及适应性，领导开展环境试验。环
境试验最早是在自然环境条件下开展的，其可靠、直观，且无需特殊设备，不过
易受环境条件限制，而且测试时间长，重复性差。为了能准确而又及时的验证产
品的环境可靠性、适应性，各个国家不惜花重金开始研制能模拟天然环境条件的
试验设备。J.A.Capp 于1914 年做了一个简单的测试设备来模拟盐雾环境；1921
年世界上第一台交变湿热试验箱在德国诞生；世界上第一个环境试验设备制造商
于1929 年在德国开业；美、英、日等发达国家也相继开展了环境试验装置的开发
工作。
近几年来，工业发达国家对环境试验技术研究的发展方向，主要体现在以下
几方面[3]：
1）建立、完善相应机构，提高对环境技术研究重视度。作为增长国内需求、
增加对外贸易往来、加强国防建设手段之一，许多国家将环境技术研究视为研究
重点，因此不惜重金创建各级环境技术研究部门，从事环境试验研究，设计，设
备开发等工作。如国际电工委员会(IEC)、欧洲空间技术研究中心(ESTEC)、日本
环境电磁技术研究所等，这些机构都推动了环境技术的发展。
2）环境试验的有关标准和规范相应提高。IEC TC50 和TC75 以及由这两个
TC 合并而成的 IEC TC104，制定并修订了一系列的环境试验标准。在指导和规范
环境试验方法上起重要的作用。很多国家都引用或参照 IEC 标准来制定并完善自
己国家的环境试验标准。
3）更全面的理解环境技术。近些年来越来越多的学者意识到环境技术不仅只
含有环境试验，还应囊括环境的基础、设计及管理等工作。
4）环境设计工作将前移。应在产品研发前就考虑到将会遇到的各种环境条件，
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2025-01-09 21
作者：牛悦
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：72 页
大小：3.91MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
