高低溫交變濕熱試驗箱是國防、航天、汽車、電子、電器、儀器儀表、材料、化工、食品及制藥等領域廣泛應用的測試設備，供用戶對整機（或部件）、電器、儀器、材料、涂層、鍍層等作相應的高低溫漸變試驗.濕熱試驗、耐寒與耐高溫試驗等，對試樣在特定環境條件下的性能、適應性作出分析及評價，是科學研究和生產過程必不可少的重要試驗設備。
    據相關調查統計，高低溫濕熱試驗箱是需求廣泛的環境試驗設備之一。由于生產和科研需求的增加，溫濕度的要求范圍越來越大，控制精度要求也越來越高，傳統的高低溫濕熱試驗箱已不能滿足現代社會發展的需求。因此，本文利用R404A作為制冷工質，采用單級壓縮制冷、PID控制和電加熱蒸汽加濕技術，結合空氣循環優化，構建了高精度高低溫交變濕熱試驗箱，并對其溫濕度性能進行了實驗研究。

    1、制冷工質的選擇

    氟(fu)利(li)昂(ang)根(gen)據其(qi)要(yao)素構成分(fen)為三類(lei)(lei)(lei)：一(yi)是(shi)氯(lv)氟(fu)烴(jing)類(lei)(lei)(lei)，簡稱(cheng)CFC，這類(lei)(lei)(lei)氟(fu)利(li)昂(ang)分(fen)子(zi)(zi)中含(han)有(you)兩個(ge)(ge)(ge)或三個(ge)(ge)(ge)氯(lv)離(li)子(zi)(zi)；二是(shi)氫(qing)(qing)氯(lv)氟(fu)烴(jing)類(lei)(lei)(lei)，簡稱(cheng)HCFC，這類(lei)(lei)(lei)氟(fu)利(li)昂(ang)分(fen)子(zi)(zi)中含(han)有(you)-一(yi)個(ge)(ge)(ge)或兩個(ge)(ge)(ge)氯(lv)分(fen)子(zi)(zi)：三是(shi)氫(qing)(qing)氟(fu)烴(jing)類(lei)(lei)(lei)，簡稱(cheng)HFC，這類(lei)(lei)(lei)氟(fu)利(li)昂(ang)中不含(han)氯(lv)離(li)子(zi)(zi)。根(gen)據《蒙特利(li)爾議定書》的(de)規定，發達國(guo)(guo)家CFC類(lei)(lei)(lei)產(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)(pin)1996年(nian)1月1日停(ting)用，HCFC類(lei)(lei)(lei)產(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)(pin)2030年(nian)1月1日停(ting)用。發展(zhan)中國(guo)(guo)家CFC類(lei)(lei)(lei)產(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)(pin)2010年(nian)全部停(ting)止(zhi)使(shi)用： HCFC類(lei)(lei)(lei)產(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)(pin)2016年(nian)開始(shi)受限，2040 年(nian)全部停(ting)止(zhi)使(shi)用。《京都議定書》規定，二氧化(hua)碳(tan)、甲(jia)烷、氧化(hua)亞氮、HFC類(lei)(lei)(lei)產(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)(pin)、氫(qing)(qing)氟(fu)碳(tan)化(hua)合物和(he)六氟(fu)化(hua)硫等6類(lei)(lei)(lei)氣(qi)體均屬于溫室氣(qi)體，對發達國(guo)(guo)家提出了減少溫室氣(qi)體排放要(yao)求。為滿(man)足高低溫交變濕熱試驗箱的(de)低溫環境要(yao)求，兼顧制(zhi)冷系(xi)統性能及(ji)壓縮機工作的(de)可靠性，本文選擇R404A作為制(zhi)冷劑(ji)。R404A由HFC143、HFC125、HFC134a組成，其(qi)物理(li)性質(zhi)見表1。

    2、實驗裝置與實驗

     圖1為 高低溫交變濕熱試驗箱裝置原理圖。該(gai)實驗(yan)裝(zhuang)置(zhi)(zhi)主(zhu)要(yao)包括(kuo)制(zhi)冷(leng)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)、加(jia)(jia)熱(re)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)、加(jia)(jia)濕(shi)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)、控(kong)制(zhi)和(he)數據(ju)測量與采(cai)集系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)。制(zhi)冷(leng)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)由壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)機(ji)(ji)、；冷(leng)凝器(qi)、蒸發器(qi)、膨(peng)脹(zhang)閥(fa)(fa)、干燥過濾(lv)器(qi)和(he)蒸發壓(ya)(ya)(ya)力(li)調節閥(fa)(fa)等(deng)(deng)組(zu)(zu)成(cheng)(cheng)。加(jia)(jia)熱(re)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)采(cai)用(yong)(yong)鰭片式(shi)不(bu)銹鋼電加(jia)(jia)熱(re)器(qi)。加(jia)(jia)濕(shi)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)采(cai)用(yong)(yong)電加(jia)(jia)熱(re)蒸汽(qi)加(jia)(jia)濕(shi)方(fang)式(shi)，減(jian)小加(jia)(jia)濕(shi)對溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)波動的影響。試(shi)(shi)驗(yan)箱的外型設(she)計尺寸(cun)為(wei)950mmx 1325mmx 1850mm，內(nei)箱尺寸(cun)為(wei)750mmx755mmx850mm，容積約480L。為(wei)了(le)使溫(wen)(wen)(wen)濕(shi)度(du)(du)的控(kong)制(zhi)精度(du)(du)能快速達到設(she)定的環(huan)境要(yao)求，實驗(yan)裝(zhuang)置(zhi)(zhi)采(cai)用(yong)(yong)并聯5組(zu)(zu)電磁閥(fa)(fa)和(he)膨(peng)脹(zhang)閥(fa)(fa)，分別承擔不(bu)同溫(wen)(wen)(wen)濕(shi)度(du)(du)條(tiao)件下(xia)的功能。RC1和(he)RC2膨(peng)脹(zhang)閥(fa)(fa)起(qi)到快速降溫(wen)(wen)(wen)的作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)； RC3膨(peng)脹(zhang)閥(fa)(fa)應用(yong)(yong)于(yu)(yu)一般除(chu)濕(shi)，RC4膨(peng)脹(zhang)閥(fa)(fa)用(yong)(yong)于(yu)(yu)強(qiang)除(chu)濕(shi)工況； RC5膨(peng)脹(zhang)閥(fa)(fa)不(bu)經過蒸發器(qi)，直接接到壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)機(ji)(ji)進氣口，保護壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)機(ji)(ji)（蒸發器(qi)出口溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)在(zai)-11℃以(yi)下(xia)常閉，-11℃以(yi)上常開(kai)，冷(leng)卻壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)機(ji)(ji)）。具體工作(zuo)(zuo)工況見(jian)表(biao)2。控(kong)制(zhi)和(he)測試(shi)(shi)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)包括(kuo)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)傳(chuan)感器(qi)、壓(ya)(ya)(ya)力(li)表(biao)和(he)數據(ju)采(cai)集器(qi)等(deng)(deng)組(zu)(zu)成(cheng)(cheng)。為(wei)了(le)研(yan)究壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)機(ji)(ji)吸、排(pai)氣的狀況，在(zai)壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)機(ji)(ji)的進出口設(she)置(zhi)(zhi)了(le)壓(ya)(ya)(ya)力(li)測試(shi)(shi)點。另外，在(zai)高低溫(wen)(wen)(wen)交變濕(shi)熱(re)試(shi)(shi)驗(yan)箱內(nei)、壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)機(ji)(ji)進出口和(he)壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)機(ji)(ji)外殼等(deng)(deng)設(she)置(zhi)(zhi)測溫(wen)(wen)(wen)點。

    單級壓縮制冷系統抽真空后充入適量R404A制冷劑。為了防止誤操作，電源接通后壓縮機延遲30s再啟動。當設定溫度為高溫時（高于環境溫度10℃），直接采用鰭片加熱器加熱，制冷系統不工作。在PID調節下，當加熱輸出功率與箱體散熱達到平衡時，試驗箱內溫度達到穩定。設定溫度為低溫工況時，制冷系統啟動，溫度接近設定溫度時，加熱器在PID控制下開始輸出熱量，試驗箱溫度穩定在需要的范圍。當溫度和濕度同時需要控制時，濕度控制采用冷卻除濕與蒸汽加濕相結合，達到濕平衡。如果是高溫控濕，溫度控制是電加熱和箱體對外散熱相結合，如果是低溫控濕，溫度控制是電加熱和制冷系統相結合，使得試驗箱內溫濕度穩定在需要的范圍。本文對高低溫交變試驗箱高低溫工況、高濕工況、中濕工況和低濕工況的進行了測試，研究高低溫交變濕熱試驗箱溫濕度的控制性能和穩定性。

    3、結果與討論

    圖(tu)2為試(shi)驗箱制(zhi)(zhi)冷系統I作過程(cheng)中壓(ya)縮(suo)(suo)機(ji)的吸(xi)(xi)氣(qi)和排氣(qi)壓(ya)力(li)變化情況。圖(tu)2表明(ming)，機(ji)組啟動后(hou)，吸(xi)(xi)氣(qi)壓(ya)力(li)迅(xun)速下降，然后(hou)吸(xi)(xi)氣(qi)壓(ya)力(li)逐漸穩(wen)(wen)定；排氣(qi)壓(ya)力(li)先迅(xun)速升高，然后(hou)逐漸下降后(hou)穩(wen)(wen)定。575 秒后(hou)制(zhi)(zhi)冷系統壓(ya)縮(suo)(suo)機(ji)的排氣(qi)壓(ya)力(li)穩(wen)(wen)定在0.9MPa 左(zuo)右，吸(xi)(xi)氣(qi)壓(ya)力(li)在0.1MPa左(zuo)右，壓(ya)縮(suo)(suo)機(ji)的壓(ya)比大約為9，表明(ming)壓(ya)縮(suo)(suo)機(ji)工(gong)作穩(wen)(wen)定。

    圖3是試驗箱高溫工況的升溫曲線。試驗箱內溫度設定目標為150℃，在該工況制冷機組停止工作。在控制器PID的調節下，根據試驗箱的實際測量溫度信號與設定溫度之間的差值控制加熱器的輸出功率，試驗箱內溫度逐漸升高。開始時段由于試驗箱內實際溫度與設定溫度相差較大，加熱輸出功率大，升溫速率大。隨著試驗箱內溫度接近設定溫度，加熱器輸出功率減小，試驗箱內的升溫速率逐漸降低，經過約2200s， 溫度穩定在150℃， 溫度波動不超過±0.3℃.

    圖4為試驗(yan)箱低溫(wen)(wen)工況的降溫(wen)(wen)曲線，實驗(yan)設定溫(wen)(wen)度(du)條件是(shi)-40℃，由(you)于是(shi)低溫(wen)(wen)工況，不控制(zhi)(zhi)濕(shi)度(du)。制(zhi)(zhi)冷系統啟動(dong)后，試驗(yan)箱內(nei)溫(wen)(wen)度(du)隨時間逐漸降低，開始時段的降溫(wen)(wen)速率明顯大于后面時段的降溫(wen)(wen)速率。當試驗(yan)箱內(nei)溫(wen)(wen)度(du)接近(jin)設定溫(wen)(wen)度(du)，加熱器(qi)在PID控制(zhi)(zhi)下(xia)開始輸出(chu)熱量，溫(wen)(wen)度(du)逐漸穩定，經(jing)過(guo)約3200s，溫(wen)(wen)度(du)穩定在-40℃，溫(wen)(wen)度(du)波動(dong)在±0.2℃以(yi)內(nei)。

    高溫和低溫工況都(dou)是(shi)典型的(de)(de)不(bu)控制(zhi)濕(shi)度(du)(du)(du)的(de)(de)工況，圖(tu)5~圖(tu)7是(shi)3組典型的(de)(de)溫濕(shi)度(du)(du)(du)同(tong)時(shi)控制(zhi)條件下的(de)(de)試驗箱(xiang)溫濕(shi)度(du)(du)(du)實(shi)(shi)驗結(jie)(jie)果(guo)。圖(tu)5是(shi)溫度(du)(du)(du)設定(ding)(ding)(ding)為(wei)20℃、濕(shi)度(du)(du)(du)為(wei)98%RH高濕(shi)工況實(shi)(shi)驗結(jie)(jie)果(guo)，試驗箱(xiang)內溫度(du)(du)(du)隨(sui)時(shi)間(jian)逐(zhu)漸降(jiang)低并穩(wen)定(ding)(ding)(ding)，濕(shi)度(du)(du)(du)隨(sui)時(shi)間(jian)逐(zhu)漸上升。實(shi)(shi)驗開始時(shi)段(duan)的(de)(de)升濕(shi)速(su)(su)率(lv)明(ming)顯大于(yu)后(hou)面時(shi)段(duan)的(de)(de)升濕(shi)速(su)(su)率(lv)。圖(tu)5同(tong)時(shi)表明(ming)溫度(du)(du)(du)穩(wen)定(ding)(ding)(ding)后(hou)濕(shi)度(du)(du)(du)也逐(zhu)漸穩(wen)定(ding)(ding)(ding)。經(jing)過約1400s，溫濕(shi)度(du)(du)(du)均達到了設定(ding)(ding)(ding)值。溫度(du)(du)(du)穩(wen)定(ding)(ding)(ding)在20±0.2℃，濕(shi)度(du)(du)(du)穩(wen)定(ding)(ding)(ding)在98±1.0%RH。

    圖6的實驗工況條件是(shi)溫度(du)(du)65℃，  濕度(du)(du)為40%RH，是(shi)典型的中溫中濕實驗條件。實驗結果表(biao)明(ming)，試驗箱(xiang)(xiang)內溫度(du)(du)隨時(shi)間(jian)差不多呈(cheng)線性(xing)降(jiang)低，濕度(du)(du)隨時(shi)間(jian)先逐漸(jian)上升然后逐漸(jian)下(xia)降(jiang)。濕度(du)(du)一開始_上升可能是(shi)由于(yu)試驗箱(xiang)(xiang)內溫度(du)(du)降(jiang)低而除濕沒(mei)有及時(shi)去除。隨著(zhu)時(shi)間(jian)的推移，溫度(du)(du)和濕度(du)(du)逐漸(jian)降(jiang)低，穩(wen)定在設定值(zhi)。經過約900s，溫度(du)(du)穩(wen)定在65±0.3℃，濕度(du)(du)穩(wen)定在40±1.3%RH。

圖7的實驗(yan)條件是溫度(du)(du)(du)設(she)定(ding)為60℃，濕(shi)(shi)度(du)(du)(du)為10%RH，屬于(yu)低濕(shi)(shi)實驗(yan)工況。試(shi)驗(yan)箱內溫度(du)(du)(du)隨時間逐漸(jian)(jian)上升并穩(wen)定(ding)，濕(shi)(shi)度(du)(du)(du)隨時間逐漸(jian)(jian)下降并趨于(yu)穩(wen)定(ding)。經(jing)過(guo)約400s，溫度(du)(du)(du)和濕(shi)(shi)度(du)(du)(du)接(jie)近(jin)于(yu)設(she)定(ding)值(zhi)，PID運算減少加(jia)熱器的輸(shu)出，由于(yu)10%RH較低，經(jing)過(guo)一段時間波動后(hou)，終(zhong)經(jing)過(guo)約550s， 溫度(du)(du)(du)穩(wen)定(ding)在60±0.3℃，濕(shi)(shi)度(du)(du)(du)穩(wen)定(ding)在10±1.5%RH。

    4、結論

    利用近共沸混合制冷劑R404A作為制冷工質的單級蒸氣壓縮制冷，采用PID控制電加熱和蒸汽加濕以及冷熱平衡技術，設計并構建了高低溫交變濕熱試驗箱實驗裝置，實現了-40℃~ 150℃控溫，10%~98%RH控濕的需求。實驗結果表明，在高溫、低溫、高濕、中濕和低濕實驗過程中，系統控溫和控濕過程穩定、可靠。在制冷循環工作過程中，壓縮機的吸氣、排氣壓力分別穩定在0.1MPa和0.9MPa左右，壓縮比在合理范圍內。高低溫交變濕熱試驗箱溫度穩定偏差不超過±0.3℃，濕度穩定偏差不超過±1.5%RH，滿足控制箱的多種工況的需要，  測試結果表明高低溫交變濕熱試驗箱性能良好，控制精度高，可滿足用戶對試驗箱溫濕度控制精度的要求。