高低温环境试验箱的制冷系统设计
摘要：高低温环境试验箱是一种提供高、低温环境的试验设备，主要用于机械、电子、电工、航空、航天及军事等领域的些电子产品在高、低温环境下的性能测试、筛选及考核试验。试验箱制冷系统采用以R22/R23为工质的复叠制冷循环，以系统热负荷和试验箱性能指标为依据，计算出了系统各点的状态参数，以此为基础对压缩机进行了选型，对系统的其它制冷部件进行了设计。
1、产品概述
高低温试验箱主要由加热系统、制冷系统、控制系统三部分组成，加热采用高效电加热管，制冷采用进口全封闭压缩机两级复叠制冷方式，温度控制采用进口智能化温控器。该型试验箱具有体积小、移动方便、控制面板简洁、操作简单、变温快、温度均匀、噪音小等优点，特别适用于电子产品、小体积产品的研制过程中对产品进行温度适应性测试，是科学研究技术开发、生产和质量控制领域进行质量检验和例行试验的理想设备。
高低温环境试验箱
2、工作原理
高低温试验箱由外箱体、保温材料、内箱体、控制系统、加热系统、制冷系统等组成。
高温试验的加热是通过电加热来实现的，低温试验是通过二元复叠制冷循环来实现的，控温系统运用PD模糊自整定技术通过感温元件在工作温度点附近的变温情况来控制加热或制冷的输出量，从而大大提高了系统的控温精度，当平衡时控温精度≤±05℃，同时工作腔内的温度均匀度、波动度也得到提高。
如图1所示，复叠制冷系统是由高温循环（B、C、D、E）和低温循环（A、E、F、G、H、I）组成。
高温循环使用中温制冷剂R22低温循环使用低温制冷剂R23它们各自都是一个完整的单级压缩系统。高温循环和低温循环是由一个冷凝蒸发器F联系起来。它对高温循环起蒸发器的作用，对低温循环起冷凝器的作用。高温循环是作为预冷级向低温循环提供冷量，使其中的低温制冷剂冷凝；只有在低温循环中，制冷剂的蒸发才在低温下对外提供冷量。
图1 复叠制冷系统图和lgp-h图
A.低温级压缩机；B高温级压缩机；C风冷冷凝器；D.高温级热力膨胀阀；E.冷凝蒸发器F.电磁阀；G.低温级热力膨胀阀；H.试验空间；I膨胀容器
3、主要性能指标
(1)环境温度:0℃～+35℃；
(2)试验温度范围:-70℃～+125℃；
(3)升降温时间:25℃～-70℃≤40mn(空载)，25℃～+125℃≤40min(空载)；
(4)控温精度:≤±05℃(空载
(5)温度均匀度:≤2℃(空载)。
4、制冷系统设计
4.1试验箱的理论总热负荷Q₀分析计算
通常热负荷由以下四部分组成:
Q₀=（Q₁+Q₂+Q₃+Q₄）
Q₁为隔热层漏热量；
Q₂为货物热因试验箱为空载，所以该部分负荷设定为0；
Q₃为开门换气漏热量；
Q₄为箱体热容量。
经计算
Q₁+Q₂+Q₃+Q₄=118.74W
4.2制冷循环方式的选择
为了获取-60℃～-120℃之间较低的蒸发温度，即当需要-60℃以下的蒸发温度时，可采用中温制冷剂的双级、多级蒸汽压缩式制冷循环或复叠式制冷循环。双级、多级蒸汽压缩式制冷循环因受到制冷剂凝固点、制冷循环压力比及蒸发压力比过低的限制不能满足要求；所以为了获得在低温下蒸发时合适的蒸发压力，同时在环境温度下冷凝时适中的冷凝压力，可以将中温制冷剂与低温制冷剂结合起来，即采用复叠式制冷循环。
4.3制冷系统热力参数计算
箱内试验目标温度为-70℃，循环压焓图如图2。
图2 R22与R23复叠循环 lgp-h图
计算得蒸发器负荷为118.74W，冷凝蒸发器负荷为147.68W，冷凝器负荷为221.6W。
4.4压缩机选型
根据计算结果，选用两台2P17S225ANQ型号压缩机，在冷凝温度为35℃、蒸发温度为-30℃时，制冷量为450W，满足设计要求。
4.5蒸发器的设计计算
（1）根据箱体结构设计空间，先选取蒸发器结构尺寸参数：
紫铜管Φ8×1mm；翅片间距3mm；翅片厚度0.2mm；沿流动方向管排数n=1；单排12根管，铝片热导率λ=204W/(m.K)，套片后管外径db=8.4mm。
（2）计算蒸发器的传热温差为
△t=（ta1-ta2）/In [（ta1-t0）/（ta2-t0）] =11.542℃。
（3）蒸发器传热系数:据经验取传热系数K为40W/(㎡.K)；
（4）用已知热负荷计算实际所需蒸发器传热面积：A需=Q0/（K*△t）=118.74/(40×11.542)≈0.3㎡。
计算表明，先选取的蒸发器的外型结构尺寸大于实际所需面积，即符合实际设计要求。
4.6冷凝器的设计与传热计算
(1)根据箱体结构设计空间，先选取冷凝器外型结构尺寸:
紫铜管Φ10×1mm；翅片间距2mm；翅片厚度0.2mm；沿流动方向管排数n=2；双排22根管，铝片热导率λ=204W/(m.K)，套片后管外径db10.4mm。
（2）计算得△t=14.4℃。
（3）冷凝器传热系数K取35W/(㎡.K)，用已求冷凝器热负荷计算所需冷凝器传热面积，结果表明，所选取的冷凝器的外型结构尺寸符合设计要求。
4.7冷凝蒸发器
采用人字形板式换热器，其传热系数K值可达5800W/(㎡.K)。取适当K值核算所需冷凝蒸发器换热面积小于实用冷凝蒸发器面积。
4.8膨胀阀
确定膨胀阀容量时，一般取蒸发器热负荷的1.2-13倍。
5、结论
本文应用两级复叠制冷技术设计了一台高低温环境试验设备，其高温可达125℃，最低制冷温度可以达到-70℃，实际测试结果满足设计性能指标；其外形方便小巧、简洁美观，性能达到国内外先进水平。
