1、西安某大学环境模拟实验室的设计 摘要： 环境模拟实验室可供军工领域、交通运势领域、冶金制造、医学、仪表工业、空间技术等方面模拟自然环境的温度湿度进行产品性能试验、周期试验。环境模拟实验室是可在有限的条件下，模拟出各地不同的气候条件。能满足不同的温度、湿度、风速以及不同的气压环境。本文主要介绍的实验室，是用以对电子产品及操作人员在不同的气候环境下的使用情况，以及人体在不同环境下的适应性。 关键词： 环境模拟实验室；复叠制冷系统；乙二醇；冷负荷。 Xian university lab environment design Abstract: environmental simulation la
2、boratory for military field, this field, metallurgical manufacturing traffic, medical, instrument industry, space technology and simulation of the natural environment temperature humidity for product performance test, the test cycle. Environmental simulation laboratory is available in limited condit
3、ions, simulate the different weather conditions. To meet the different temperature, humidity, wind speed and the pressure of the different environment. This paper mainly introduces the laboratory, to operating personnel of electronic products and in different climate environment of the use, and the
4、human body in different environment adaptability. Keywords: environmental simulation lab; Cascade refrigeration system; Glycol; Cold load. 1 绪论 1.1 研究课题的背景和意义 环境模拟实验室用于同时需大量的或大型的电子、汽车、橡胶、塑胶、航太科技、军品科技及通信器材或大型等产品进行温湿度环境测试。从而判断产品的可靠性及稳定性能等参数是否合格。提供预测和改进产品的质量和可靠性的依据。 环境模拟实验室大都采用拼装保温板结构，方便拆卸及安装。实验室的有效实验容
5、积可根据不同的实验要求自由拼装。配有先进的自动控制技术，可达到高精度控制、交变控制、及智能控制。 由于步入式实验室的各个系统模块都是独立的，一个实验室可以具备同时进行各种模拟环境的实验。如在高低温步入式实验室的基础上，加入加湿系统，配合 PLC 控制便可建造一个高低温交变湿热实验室；在高温实验室的基础上加上扬尘系统，便可模拟沙漠地带的高温沙尘的气候特点，建造高温砂尘实验室等等。 环境模拟试验室是航空、汽车、家电、科研等领域必备的测试设备，用于测试和确定电工、电子及其他产品及材料进行高温、低温、湿热度或恒定试验的温度环境变化后的参数及性能 . 主控仪表采用日本 OYO 温湿度数显仪表操作，直观方
6、便，控温控湿精确可靠。外壳采用 A3 钢板喷塑成型，内箱采用 SUS304 不绣钢，由于有低温要求，故采用了制冷系统（法 国原装“泰康”全封闭风冷式压缩机）风冷方式。内容积从最小的 100 升至 1 个立方均有标准型号。也可根据客户要求定做大型的实验室，只要是你想的到的要求，林频就能为科学的技术为您设计出合理的方案。产品应用广泛，成功案例多不胜数。应用领域如：电子行业，可以把电路板放到步入式试验室里面做 150 度的高温烘烤试验，也可以放到 0 度做低温检测实验，并且可以设定相应的温湿及湿度点，模拟外界一种湿度大的环境，看各种自然环境会对电路板造成怎么的影响，会不会损坏，从耐检定电路板是否合格
7、，是否可以用到生活及工作中去。 再比如：药店等单位 ，看药品在潮湿的情况下会不会发生化学及物理变化，会不会变质在还没有到保质期的情况下就不可以用了。设定药品常见的温度及大自然的湿度，模拟出自然气候，然后把药放进步入式试验室里面去，设定个 3-6 个月的时间，然后到时间后看结果。 除上述这类的实验外，恒温恒湿试验箱还适用于各行各业，很多大学，质检院，航空，航天，军工单位都会用到的。关键是要看满足哪种实验方法，做哪个标准，行业的大多数厂家都是符合国标的，也可以根据要求定做 GBJ、 IEC 等相关标准。 1.2 环境模拟实验室的发展 2012 年是中国经济突飞猛进 发展的一年，工业产品各类物件包括
8、蔬菜价格都在不断增长，各种原材料的缺乏到使生产出的成品物价一路飙涨。在此情况中，环境试验设备行业发展也有阻碍。各大高校及企业新建 高低温试验箱 实验室及其它产品的研发基寺的前景状态如何。面对国内外新形势，近年来，我国自主研发的脚步近乎迟缓，当中实验室建设备受关注，对 高低温试验箱 行业成果研究的影响也最大。按照 规划，到 2020 年，将建成一个全面满足航空航天、石油化工、电子信息等优势支柱产业检测需要的检测实验室服务体系，检测服务业收入将达到 180 亿元。 实验室是是国家组织高水平基础研究和应用基础研究、聚集和培养优秀科学家、开展高层次学术交流的重要基地。各种实验室已经批复正在兴建。近些年
9、，国家不断投入实验室建设，各地科研检测机构也纷纷响应，推进了全国步入式试验室实验室发展进程，取得了不俗的成绩。如果解决部分实验室缺乏先进的的科研检测仪器，无法深入开展工作，解决实际问题。大量采购所需设备，工厂产品一定会更精益求精。实验室的建设是企业发展的明智之举。 2 工程简介 2.1 课题研究的主要内容 （ 1） 分析环境模拟实验室的特点 ； （ 2） 制定设计方案 ； （ 3）冷 负荷计算； （ 4） 制冷系统设计 ； （ 5） 设备选型； （ 6） 绘制系统原理图和结构布置图 。 2.2 环境模拟实验室的特点 环境模拟实验室结构特点：环境模拟实验室，顾名思义是对室内温度进行调节的实验，从
10、而进行环境模拟你。采用进口高级温湿度控制仪表，带 PID 调节、快速自整定，可编程序 控制循环试验，可设定多种参数，数字式显示，读数极为方便；制冷系统采用原装进口大冷量、高效率免维护 型压缩机。采用二元复迭式制冷方式进口环保冷媒，冷量控制采用传统膨胀阀、毛细管，或者在高要求工况下采用电子膨胀阀。采用内不锈钢、外特种钢板喷塑处理的库板单元组合结构，内尺寸可以任意扩大，拆装方便，可依需求尺寸配合场地。步入式环境模拟试验室门与外壳之间设有耐高温密封条，有效保证工作室的密封性；具有系统参数监控、设备故障保护处诊断功能，故障时伴有报警音提示故障处理对策，并同时记录在册，方便维修人员了解设备病史。提高维修
11、质量及设备稳定性。 3 方案设计 3.1 工程概述 本文设计的试验室尺寸为： 3300mm 长 5100mm 宽 3000mm 高。室内温度的控制是通过墙体向室内辐射。每面墙体辐射温度可单独调控，调整范围为 -10至 +45。并在室内配置一台空气调节箱，对室内空气的温度湿度进行调节，以达到模拟自然环境气候的目的。 3.2 设计要求 （ 1）设计环境温度： 32； （ 2）试验室墙面温度范围： 45+45； （ 3）试验室内空气温度范围： -10+45 （ 4）试验室温度偏差： 3； （ 5）试验室墙面升温降温速率： 32 -45 120min； 32 45 120min； （ 6）试验室内空气
12、升温降温速率： 32 -10 120min； 32 45 120min； （ 7）试验室新风量： 90m/h； （ 8）试验房六面墙体可分别升温和降温； （ 9）试验室尺寸： 3300mm 长 5100mm 宽 3000mm 高； （ 10）试验室门尺寸： 900mm 1200mm； （ 11）试验室观察窗尺寸： 1200mm 1200mm。 3.3 围护及结构设计 （ 1） 保温层采用硬质聚氨酯夹芯保温板（如图 3-3 所示），其厚度选用 150mm。保温材料密度 42kg/m，导热系数 0.025W/(m K)，氧指数 30，自息性 3s，吸水率 0.2kg/m，抗压强度 2.5kg/m。
13、 （ 2） 库门为不锈钢硬质聚氨酯夹芯双开门保温门，厚度为 150mm，库门密封采用双层硅橡胶密封材料。库门周围绕有电热丝，加热防止库门在低温时凝露结霜，方便库门开启。 （ 3）试验室设有观察窗，窗玻璃为多层导电膜钢化真空玻璃，为防止低温时玻璃结霜，同时减少环境温度对试验室内的温度影响。 （ 4） 箱 体 内壁 采用 SUS3042B 不锈钢板 ，厚度为 0.8mm。箱体 外壁 采用 经过磷化电喷塑处理的优质碳素钢板 ，厚度为 0.5mm。 （ 5）箱内底板采用不锈钢网纹板，起到承重及防滑作用。箱体底部 采用 10#槽钢网状框架支撑，承重每平方 1 吨。 图 3-1 硬质聚氨酯夹芯保温板 3.
14、3 温控系统设计 （ 1）选用 6 套乙二醇温控箱，分别为实验室 6 面墙体的温度辐射提供冷源和热源。 （ 2）在试验室内设计 6 套换热器，与温控箱组成提供冷、热源的 6 套系统。换热器选用优质铝排管，用轻钢龙骨固定在六面墙体上，并按照国标要求，为保证冷、热源不直接与实验内容接触，在铝排管外附设一层不锈钢板。 （ 3）每个墙面由一套制冷系统、加热系统和温控箱组成，通过乙二醇给实验室内墙面换热器提供冷源热源，并通过控制箱控制实验室内温度。 （ 4） 根据设计要求墙面温度为 -45 +45 ，所以蒸发温度选取 -55 ，加热装置的加热温度为 +55。 （ 5）制冷系统选用二元复叠式压缩系统，保证
15、低温的持续性。加热系统采用瓷架镍铬丝电加热器，由仪表输出可控脉冲占空比 PID 信号，通过固态继电器来控制，控制热平衡。 （ 6）另选用两台压缩冷凝机组，对室内空气进行降温控制。两台机组可分别单独工作，提高效率、节省能源。由于工作温度交高，所以采用单级压缩制冷。 （ 7）在试验室内设计设计一台空气调节箱，内设蒸发器、风机、加湿器及加热器。可全方位位的模拟各种自然环境。 （ 8）油分离器 在压缩机排气管处设置一个油分离器，防止冷冻油进入制冷管路。 （ 9）冷凝器 制冷方式采用风冷凝器，冷凝温度取 +45 。 风冷凝器 系列是一种专与半封闭式和全封闭式等压缩机配套的散热器，可使用于 R22、 R1
16、34a、 R404A 等制冷工质，广泛配套于各种氟利昂制冷设备中，风冷凝器一般选用大功率、大风量、低转速电机，且内置安装，外形美观、噪音小，可配套噪音较低的机组中使用。 （ 10）储液器 在冷凝器后设置一个储液器， 储液器 又称贮液器或贮液桶。储液器的主要作用是储存冷凝器中的凝液，避免凝液在冷凝器中积存过多试 传热面积变小，影响传热效果。作为系统中高低压侧的液封，可防止高压侧的蒸汽和不凝性气体进入低压侧。储液器也起到过滤和消音的作用。 （ 11）过滤器 过滤器 用来消除介质中的杂质，以保护阀门及设备的正常使用。当流体进入置有一定规格滤网的滤筒后，其杂质被阻挡，而清洁的滤液则由过滤器出口排出，当
17、需要清洗时，只要将可拆卸的滤筒取出，处理后重新装入即可，因此，使用维护极为方便。 （ 12）节流装置 节流装置采用毛细管与膨胀阀节流制冷。由于温度并不恒定，需要在一定范围内调剂，故一级压缩时选用膨胀阀作为节流装置，可在要求温度不低 的情况下单级单循环制冷，控制制冷剂放出量达到控温的目的；而二级制冷选用毛细管，因为整体冷量不大于 10kw，所以毛细管不同于常用的膨胀阀，可以额定制冷量，保证低温温度的稳定性，并达到一定的节能作用。 （ 13）蒸发器 蒸发器分为两套：一是在乙二醇箱中的不锈钢光管式蒸发器，选用优质的不锈钢材质，能最大可能防止蒸发器在乙二醇液体中的腐蚀；二是在室内布置的铝排管，其用轻钢
18、龙骨固定，通入高温或低温的乙二醇液体，达到对墙面的辐射控温。 3.4 控制系统设计 （ 1）控制系统采用固态继电器。 （ 2）温度传感器采用 PT100 可以 保证精度。 （ 3）控制器可外接到用户的终端，在计算机上对箱体内温度进行监测。数据精度高，操做简便。 （ 4）可断电恢复设定，包括：断电后程序终止执行、断电后程序从断点连续运行。 （ 5）保护系统，整体设备超温、整体设备欠相 /逆相，制冷系统过载、制冷系统超压、整体设备定时，其它还有漏电、运行指示，故障报警后自动停机等保护。 3.5 试验室墙面辐射 负荷计算 环境模拟实验室的 耗冷量，即在单位时间内必须从制冷装置中取走的热 量，根据产生
19、的热源不要同，制冷装置耗冷量可分为类： Q1 围护结构传入热； Q2 玻璃观察窗传入热； Q3 内部电器放热； Q4 室内金属板； Q5 新风带入热 ； Q6 工作人员散热量； Q7 室内支架（轻钢龙骨）耗冷量； Q8 室内乙二醇热量。 3.5.1 围护结构热负荷 Q1 围护结构由 100mm 聚氨酯泡沫保温夹芯板构成，能起到良好的隔热效果。设计保温板后，试验室的轮廓尺寸为： 3500mm 长 5300mm 宽 3200 高。 公式： At/L Q （ kcal/h） (3-1) 其中： 围护结构材料的导热系数， kcal/（ m h ）。 保温板厚度， m。 室内外温差， 。 A 传热面积，
20、。 试验室外表面积总共为 95m2，由于 6面墙各配置一套系统。故选择最大面积的一面墙（ 3500mm 5300mm）进行计算，其中保温板导热系数为 0.025kcal/mh；面积为 18.55m2；温差为 45-（ -45） = 90。 因此， 所以围护结构 倾入热为： h/k c a l06.283 m55.1877m15.0 mh/k c a l025.0 At/L21Qt3.5.2 玻璃窗传入热 Q2 公式： t AKQ （ kW） （ 3-2） 根据任务书要求需要设计一块观察窗（ 1200mm 1200mm），现设计一块 3 层真空玻璃做观察用，其导热系数为 2.1w/mK 因此，
21、3.5.3 内部电器放热 Q3 根据任务书要求，用电器总耗电量为 380w 3=1.14kW。以用电量的 50%来计算热损耗，则散失的热量总共为 1.14 50%=0.57kW，分担到 6 面墙，每面的热量为 0.095kW。 所以用电器散热为 0.095kW。 3.5.4 室内金属板热量 Q4 室内金属板的面积为 15.81m；厚度为 1.5mm；体积为 23.7dm； 温度差为 77。 根据公式（ 3-1）得， 3.5.5 新风带入的热量 Q5 根据任务书要求，室内共有 3人，每人每小时需要的新风量为 30m。所以总共的新风量为 30 3=90m/h。 共有 6 套系统，故每套 系统所需分
22、担的新风量为 15m/h；空气的密度为 1.293kg/m；空气的比热为0.717kJ/kg。 根据公式（ 3-1）得，kW27.08 6 006.2 8 31 Qkw297.0s360077m/kg293.1m15kg/k717.0tt335JVCMCQkW2 3 3.08 4 8.2 3 277m44.1m/1.2t222WKWAKQkw91.02s3 6 0 077dm/kg8.7dm7.23kg/k46.0tt334JVCMCQ3.5.6 工作人员发热 Q6 根据任务书要求，室内工作人员共有 3 人，查表： 工作人员发热 库内温度 0 -5 -20 -25 -30 -35 -40 -4
23、5 -50 发热量 240 260 335 360 385 410 435 460 485 根据表格数据可知，每人的热量为 460kcal/h，共为 1380kcal/h 860=1.6kW。 则每面墙所需分担的热量为 1.6 6=0.27kW。 所以工作人员发热量为 0.27kW。 3.5.7 试验室内支架热量 Q7 每面墙设置 10 根轻钢龙骨，每根体积为 0.21dm 根据公式（ 3-1）得， 3.5.8 室内中的制冷液热量 Q8 每面墙由 10 根铝排管组成换热装置室内制，管径为 DN25，管长 4500mm。所以管内体积为： LLV53.241050225.014.3nr22）（管
24、冷液以 25L 计；乙二醇的比热为 2.1kJ/kg；密度为 0.8kg/dm。 根据公式（ 3-1）得， 3.5.9 照明散热 Q9 公式： HWQ 86.0 (kW) （ 3-3） kw45.02s3 6 0 077dm/kg8.0dm25kg/k1.2tt338JVCMCQkw08.02s36007710dm/kg8.7m21.0kg/k46.0tt337JVCMCQ根据室内面积（ 15m），设计照明电灯总共为 180W，分担到每面墙为 30W；照明时间取 2 小时。 因此， 3.5.10 新风机散热 Q10 单个风机功率为 90w，两个风机共有 180W，分担到每面墙为 30W。设其有
25、效率为 50%，则散热为 15。所以新风机造成的热量为 0.015kW 3.5.11 总热负荷 Q11 安全系数取 1.2 因此， . 1 4 7 k W31 . 20 . 0 1 5 k WkW0025.00 . 4 5 k WkW08.00 . 2 7 k W 0 . 2 9 7 k WkW91.0kW095.00 . 2 3 3 k WkW27.0）（总Q 反之加热量也选 3.147kW。 4 实验室环境温度负荷计算 环境模拟实验室的 耗冷量，即在单位时间内必须从制冷装置中取走的热量，根据产生的热源不要同，制冷装置耗冷量可分为类： Q1 围护结构传入热； Q2 玻璃观察窗传入热； Q3
26、内部电器放 热； Q4 室内金属板； Q5 新风带入热 ； Q6 工作人员散热量； Q7 室内支架（轻钢龙骨）耗冷量； Q8 室内乙二醇热量。 4.1 围护结构热负荷 Q1 围护结构由 100mm 聚氨酯泡沫保温夹芯板构成，能起到良好的隔热效果。设计保温板后，试验室的轮廓尺寸为： 3500mm 长 5300mm 宽 3200 高。 公式： At/L Q （ kcal/h） (4-1) kw0 0 2 5.0h/k c a l15.224h286.0w302486.09HWQ其中： 围护结构材料的导热系数， kcal/（ m h ）。 保温板厚度， m。 t 室内外温差， 。 A 传热面积，。
27、试验室外表面积总共为 95m2，其中保温板导热系数为 0.025kcal/mh；面积为 18.55m2；温差为 32-（ -10） = 42。 因此， 所以围护结构倾入热为： 4.2 玻璃窗传入热 Q2 公式： t AKQ （ kW） （ 4-2） 根据任务书要求需要设计一块观察窗（ 1200mm 1200mm），现设计一块 3 层真空玻璃做观察用，其导热系数为 2.1w/mK 因此， 4.3 内部电器放热 Q3 根据任务书要求，用电器总耗电量为 380w 3=1.14kW。以用电量的 50%来计算热损耗，则散失的热量总共为 1.14 50%=0.57kW。 所以用电器散热为 0.57kW。 4.4 室内金属板热量 Q4 室内金属板的面积为 73.2m；厚度为 1.5mm；体积为 109.8dm； 温度差为 42。 根据公式（ 4-1）得， h/k c a l665 m9542m15.0 mh/k c a l025.0 At/L21QkW77.08606651 QtkW2 3 3.08 4 8.2 3 277m44.1m/1.2t222WKWAKQ. 5 3 k w12s3 6 0 042dm/kg8.7dm2.73kg/k46.0tt334JVCMCQt
