高低溫試驗(yàn)箱制冷循環(huán)及制冷劑的確定

高低溫試驗(yàn)箱適用于工業(yè)產(chǎn)品高、低溫的可靠性試驗(yàn)。本文以一高低溫試驗(yàn)箱為對象，在完成制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括制冷劑選擇、制冷系統(tǒng)部件選型等工作的基礎(chǔ)上，對高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行制冷劑充注量實(shí)驗(yàn)，得到試驗(yàn)箱在最佳運(yùn)行狀態(tài)下的最佳充注量。

環(huán)境試驗(yàn)是驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)及質(zhì)量的主要手段環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)用人工手段，模擬出產(chǎn)品實(shí)際所處的環(huán)境，測試其性能指標(biāo)，及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷，可使人們對產(chǎn)品進(jìn)行有針對性的改進(jìn)。研制新產(chǎn)品時，無需將產(chǎn)品放置于難以達(dá)到的實(shí)際環(huán)境中實(shí)驗(yàn)，節(jié)約時間、成本、勞力和物力。環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備已成為現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)和驗(yàn)收時必不可少的設(shè)備在眾多的環(huán)境影響因素中，溫度影響始終是所占比例最大的一類。在各類環(huán)境試驗(yàn)裝置中，高低溫試驗(yàn)箱是占據(jù)比例最大的一種高低溫試驗(yàn)箱既能提供髙溫環(huán)境，又可提供低溫環(huán)境，有的還可以做濕度實(shí)驗(yàn)，其目的是測試產(chǎn)品在高/低溫下的可靠性。

受試產(chǎn)品經(jīng)過高低溫試驗(yàn)箱的加熱、冷卻過程，其產(chǎn)品的性能變化就顯現(xiàn)出來，及時發(fā)現(xiàn)缺陷及時加以修正，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展制冷技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，頗為重要的應(yīng)用之就是環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備。從近幾年發(fā)表的論文來看，對于試驗(yàn)箱的研究主要集中在隔熱層傳熱特性、制冷系統(tǒng)方式選擇與設(shè)計(jì)、制冷量調(diào)節(jié)、系統(tǒng)控制等方面，而在制冷劑充注量方面的研究十分有限。

制冷系統(tǒng)是高低溫試驗(yàn)箱中關(guān)鍵部分，其性能直接影響試驗(yàn)箱整體質(zhì)量的高低。通過對比確定制冷循環(huán)為經(jīng)典復(fù)疊式制冷循環(huán)，并對制冷劑的選擇情況介紹如下。

高低溫試驗(yàn)箱制冷系統(tǒng)選擇

經(jīng)典復(fù)疊式制冷系統(tǒng)是由兩個分別獨(dú)立的高、低溫級系統(tǒng)銜接而成，髙溫級和低溫級循環(huán)各自選取兩種合適的制冷劑，使壓縮機(jī)處于合適的壓力下工作，整個循環(huán)能在合適的壓比、蒸發(fā)溫度以及冷凝溫度下運(yùn)行。相關(guān)文獻(xiàn)表明，在較低溫度下，兩級壓縮制冷循環(huán)的理論輸氣量約為復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的(2～8)倍，其輸氣系數(shù)則比復(fù)疊式制冷系統(tǒng)小很多，在-70℃時，兩級壓縮制冷循環(huán)的輸氣系數(shù)下降迅速聞。復(fù)疊式制冷系統(tǒng)能經(jīng)濟(jì)地達(dá)到-40℃～120℃低溫，所以被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)制造、航天航空、化工等行業(yè)。本高低溫試驗(yàn)箱的溫度范圍為-70℃～150℃。根據(jù)以上原因，所以本高低溫試驗(yàn)箱選用復(fù)疊式制冷循環(huán)。

由廣州精秀熱工生產(chǎn)制造的-高低溫試驗(yàn)箱

制冷劑的選定

目前，國內(nèi)許多生產(chǎn)復(fù)疊式制冷機(jī)組的制造商大多采用的是R22/R13制冷劑組，R22是氫氯氟烴類制冷劑，而R13是氯氟烴類制冷劑，按照《關(guān)于破壞臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》的規(guī)定，R22將過渡使用、最后會被淘汰，R13已被發(fā)達(dá)國家禁用。

本課題的高低溫試驗(yàn)箱選用R404A為復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的高溫級制冷劑。R404A標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-46.6℃，將R125(標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-49℃)、R143a(標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-47.2℃)以及R134a(標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-26.1℃)

按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)44:52:4配比混合組成，熱物理性質(zhì)與R22相近，但R404A無毒且不破壞臭氧層。文獻(xiàn)表明在相同工況且使用相同壓縮機(jī)的情況下R404A制冷機(jī)組的制冷量比R22高約4%～10%當(dāng)環(huán)境溫度較高時，R22機(jī)組效率比R404A的略高;當(dāng)環(huán)境溫度較低時，R404A效率則較高。運(yùn)用在螺桿式機(jī)組中，R404A的制冷量大于R22，但其耗功增加了，綜合起來COP略有下降。運(yùn)用在渦旋式機(jī)組中，R404A制冷機(jī)組的COP值、制冷量受蒸發(fā)溫度及環(huán)境溫度影響比R22大;隨著蒸發(fā)溫度和環(huán)境溫度降低，R404A的制冷量和COP顯著提高;而R404A的系統(tǒng)充注量比R22大。

本文選用R23作為高低溫試驗(yàn)箱復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的低溫級制冷劑。R13、R23以及二者的混合物R503常被選作復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的低溫級制冷劑。但是由于R13為CFCs類制冷劑，已從1996年1月1日全面禁止使用，屬于被淘汰和禁用的制冷劑。而R23屬于HFCs類環(huán)保型制冷劑，不破壞臭氧層，可長期使用，被當(dāng)前世界絕大多數(shù)國家認(rèn)可并推薦，成為替代R13和R503的普遍選擇。作為被廣泛使用的超低溫制冷劑R23，其低溫時具有良好的熱力學(xué)性能以及能和潤滑油良好互溶再加上無毒、不可燃的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于新冷凍設(shè)備，如環(huán)境試驗(yàn)箱、生化試驗(yàn)箱、超低溫冰箱等設(shè)備復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的低溫級。