USST_Arts_117060179高低温试验箱制冷系统性能研究

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3.0 牛悦 2025-01-09 4 4 3.91MB 72 页 15积分

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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

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

1.1 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%

19%

27% 温度（高、低温及温度

变化）

其它

湿度

振动

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