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)(fu)利昂(ang)根(gen)據其(qi)要(yao)素構成(cheng)分(fen)為(wei)三(san)類(lei)(lei)(lei)：一是(shi)氯氟(fu)(fu)烴(jing)類(lei)(lei)(lei)，簡稱CFC，這(zhe)類(lei)(lei)(lei)氟(fu)(fu)利昂(ang)分(fen)子(zi)中(zhong)(zhong)含(han)有兩(liang)個或(huo)三(san)個氯離(li)子(zi)；二是(shi)氫氯氟(fu)(fu)烴(jing)類(lei)(lei)(lei)，簡稱HCFC，這(zhe)類(lei)(lei)(lei)氟(fu)(fu)利昂(ang)分(fen)子(zi)中(zhong)(zhong)含(han)有-一個或(huo)兩(liang)個氯分(fen)子(zi)：三(san)是(shi)氫氟(fu)(fu)烴(jing)類(lei)(lei)(lei)，簡稱HFC，這(zhe)類(lei)(lei)(lei)氟(fu)(fu)利昂(ang)中(zhong)(zhong)不含(han)氯離(li)子(zi)。根(gen)據《蒙特利爾議定(ding)書(shu)》的規定(ding)，發達國家CFC類(lei)(lei)(lei)產(chan)品(pin)1996年1月1日停(ting)用(yong)，HCFC類(lei)(lei)(lei)產(chan)品(pin)2030年1月1日停(ting)用(yong)。發展中(zhong)(zhong)國家CFC類(lei)(lei)(lei)產(chan)品(pin)2010年全(quan)部(bu)停(ting)止使用(yong)： HCFC類(lei)(lei)(lei)產(chan)品(pin)2016年開(kai)始受限(xian)，2040 年全(quan)部(bu)停(ting)止使用(yong)。《京(jing)都(dou)議定(ding)書(shu)》規定(ding)，二氧(yang)化(hua)碳、甲(jia)烷、氧(yang)化(hua)亞氮、HFC類(lei)(lei)(lei)產(chan)品(pin)、氫氟(fu)(fu)碳化(hua)合物(wu)和六氟(fu)(fu)化(hua)硫等6類(lei)(lei)(lei)氣(qi)體均(jun)屬于溫(wen)室(shi)氣(qi)體，對發達國家提(ti)出了減少(shao)溫(wen)室(shi)氣(qi)體排放要(yao)求(qiu)。為(wei)滿(man)足高(gao)低(di)溫(wen)交(jiao)變濕熱試驗(yan)箱的低(di)溫(wen)環(huan)境要(yao)求(qiu)，兼顧制冷系統性能及壓縮機工作(zuo)(zuo)的可靠性，本文選擇R404A作(zuo)(zuo)為(wei)制冷劑。R404A由HFC143、HFC125、HFC134a組成(cheng)，其(qi)物(wu)理性質見表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。該實(shi)驗(yan)裝置主(zhu)要(yao)包(bao)括(kuo)制(zhi)冷(leng)系(xi)統(tong)(tong)、加(jia)熱(re)系(xi)統(tong)(tong)、加(jia)濕(shi)系(xi)統(tong)(tong)、控(kong)(kong)制(zhi)和(he)(he)(he)數據測量與采集系(xi)統(tong)(tong)。制(zhi)冷(leng)系(xi)統(tong)(tong)由壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)機、；冷(leng)凝器(qi)(qi)(qi)、蒸(zheng)發(fa)(fa)(fa)器(qi)(qi)(qi)、膨脹閥、干(gan)燥過濾器(qi)(qi)(qi)和(he)(he)(he)蒸(zheng)發(fa)(fa)(fa)壓(ya)力調節閥等組(zu)成。加(jia)熱(re)系(xi)統(tong)(tong)采用(yong)(yong)(yong)鰭(qi)片式不(bu)銹(xiu)鋼(gang)電加(jia)熱(re)器(qi)(qi)(qi)。加(jia)濕(shi)系(xi)統(tong)(tong)采用(yong)(yong)(yong)電加(jia)熱(re)蒸(zheng)汽(qi)加(jia)濕(shi)方式，減小加(jia)濕(shi)對溫(wen)(wen)度(du)波動的(de)影響(xiang)。試(shi)驗(yan)箱的(de)外型設(she)計尺寸(cun)為950mmx 1325mmx 1850mm，內(nei)箱尺寸(cun)為750mmx755mmx850mm，容積約480L。為了使溫(wen)(wen)濕(shi)度(du)的(de)控(kong)(kong)制(zhi)精度(du)能快速達到(dao)設(she)定(ding)的(de)環境(jing)要(yao)求，實(shi)驗(yan)裝置采用(yong)(yong)(yong)并(bing)聯5組(zu)電磁閥和(he)(he)(he)膨脹閥，分別承擔不(bu)同(tong)溫(wen)(wen)濕(shi)度(du)條件下(xia)的(de)功(gong)能。RC1和(he)(he)(he)RC2膨脹閥起到(dao)快速降溫(wen)(wen)的(de)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)； RC3膨脹閥應用(yong)(yong)(yong)于一般除濕(shi)，RC4膨脹閥用(yong)(yong)(yong)于強除濕(shi)工(gong)況(kuang)； RC5膨脹閥不(bu)經過蒸(zheng)發(fa)(fa)(fa)器(qi)(qi)(qi)，直接(jie)接(jie)到(dao)壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)機進氣(qi)口，保護壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)機（蒸(zheng)發(fa)(fa)(fa)器(qi)(qi)(qi)出(chu)(chu)口溫(wen)(wen)度(du)在(zai)-11℃以下(xia)常(chang)閉，-11℃以上常(chang)開，冷(leng)卻壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)機）。具體(ti)工(gong)作(zuo)工(gong)況(kuang)見表(biao)2。控(kong)(kong)制(zhi)和(he)(he)(he)測試(shi)系(xi)統(tong)(tong)包(bao)括(kuo)溫(wen)(wen)度(du)傳感(gan)器(qi)(qi)(qi)、壓(ya)力表(biao)和(he)(he)(he)數據采集器(qi)(qi)(qi)等組(zu)成。為了研究壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)機吸、排氣(qi)的(de)狀(zhuang)況(kuang)，在(zai)壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)機的(de)進出(chu)(chu)口設(she)置了壓(ya)力測試(shi)點。另外，在(zai)高低溫(wen)(wen)交變濕(shi)熱(re)試(shi)驗(yan)箱內(nei)、壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)機進出(chu)(chu)口和(he)(he)(he)壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)機外殼等設(she)置測溫(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2為(wei)試驗箱制冷系(xi)統I作(zuo)過程中(zhong)壓(ya)(ya)(ya)縮機(ji)的吸(xi)氣(qi)(qi)和排氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)變化情況。圖2表明，機(ji)組(zu)啟動(dong)后(hou)，吸(xi)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)迅(xun)速下降，然后(hou)吸(xi)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)逐(zhu)漸(jian)穩定；排氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)先迅(xun)速升(sheng)高，然后(hou)逐(zhu)漸(jian)下降后(hou)穩定。575 秒后(hou)制冷系(xi)統壓(ya)(ya)(ya)縮機(ji)的排氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)穩定在0.9MPa 左右，吸(xi)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)在0.1MPa左右，壓(ya)(ya)(ya)縮機(ji)的壓(ya)(ya)(ya)比大約(yue)為(wei)9，表明壓(ya)(ya)(ya)縮機(ji)工作(zuo)穩定。

    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)(wen)工況(kuang)的降溫(wen)(wen)(wen)曲(qu)線，實(shi)驗(yan)設(she)定溫(wen)(wen)(wen)度條件是(shi)(shi)-40℃，由于(yu)是(shi)(shi)低溫(wen)(wen)(wen)工況(kuang)，不(bu)控制濕度。制冷系(xi)統啟動后(hou)，試驗(yan)箱內溫(wen)(wen)(wen)度隨時(shi)間逐漸(jian)降低，開始(shi)時(shi)段的降溫(wen)(wen)(wen)速(su)率(lv)明顯大于(yu)后(hou)面時(shi)段的降溫(wen)(wen)(wen)速(su)率(lv)。當試驗(yan)箱內溫(wen)(wen)(wen)度接近設(she)定溫(wen)(wen)(wen)度，加熱(re)(re)器在PID控制下開始(shi)輸(shu)出熱(re)(re)量(liang)，溫(wen)(wen)(wen)度逐漸(jian)穩定，經過約(yue)3200s，溫(wen)(wen)(wen)度穩定在-40℃，溫(wen)(wen)(wen)度波(bo)動在±0.2℃以內。

    高溫(wen)和(he)低溫(wen)工(gong)況都是(shi)典(dian)(dian)型的(de)不控(kong)制濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)的(de)工(gong)況，圖5~圖7是(shi)3組典(dian)(dian)型的(de)溫(wen)濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)同時(shi)(shi)控(kong)制條(tiao)件下的(de)試(shi)驗(yan)箱溫(wen)濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)實驗(yan)結(jie)果(guo)(guo)。圖5是(shi)溫(wen)度(du)(du)設定為20℃、濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)為98%RH高濕(shi)(shi)(shi)工(gong)況實驗(yan)結(jie)果(guo)(guo)，試(shi)驗(yan)箱內溫(wen)度(du)(du)隨(sui)時(shi)(shi)間逐(zhu)漸降低并穩(wen)定，濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)隨(sui)時(shi)(shi)間逐(zhu)漸上升。實驗(yan)開始(shi)時(shi)(shi)段(duan)的(de)升濕(shi)(shi)(shi)速(su)率(lv)明顯大于后面時(shi)(shi)段(duan)的(de)升濕(shi)(shi)(shi)速(su)率(lv)。圖5同時(shi)(shi)表明溫(wen)度(du)(du)穩(wen)定后濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)也(ye)逐(zhu)漸穩(wen)定。經過(guo)約1400s，溫(wen)濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)均(jun)達到了(le)設定值。溫(wen)度(du)(du)穩(wen)定在20±0.2℃，濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)穩(wen)定在98±1.0%RH。

    圖(tu)6的(de)實驗(yan)工況條(tiao)件是(shi)溫(wen)(wen)度(du)65℃，  濕(shi)(shi)度(du)為(wei)40%RH，是(shi)典(dian)型的(de)中溫(wen)(wen)中濕(shi)(shi)實驗(yan)條(tiao)件。實驗(yan)結(jie)果表明，試(shi)(shi)驗(yan)箱(xiang)內溫(wen)(wen)度(du)隨(sui)時(shi)間(jian)差不多呈線性降(jiang)低，濕(shi)(shi)度(du)隨(sui)時(shi)間(jian)先逐漸上升(sheng)然后逐漸下(xia)降(jiang)。濕(shi)(shi)度(du)一開始_上升(sheng)可能是(shi)由于試(shi)(shi)驗(yan)箱(xiang)內溫(wen)(wen)度(du)降(jiang)低而(er)除濕(shi)(shi)沒有及時(shi)去(qu)除。隨(sui)著時(shi)間(jian)的(de)推移(yi)，溫(wen)(wen)度(du)和(he)濕(shi)(shi)度(du)逐漸降(jiang)低，穩定在(zai)設定值。經過約900s，溫(wen)(wen)度(du)穩定在(zai)65±0.3℃，濕(shi)(shi)度(du)穩定在(zai)40±1.3%RH。

圖7的實(shi)(shi)驗條件是(shi)溫度(du)設定(ding)為60℃，濕(shi)度(du)為10%RH，屬于(yu)(yu)低(di)濕(shi)實(shi)(shi)驗工況。試驗箱(xiang)內溫度(du)隨(sui)時(shi)間(jian)逐(zhu)(zhu)漸(jian)(jian)上升并穩(wen)(wen)定(ding)，濕(shi)度(du)隨(sui)時(shi)間(jian)逐(zhu)(zhu)漸(jian)(jian)下降(jiang)并趨于(yu)(yu)穩(wen)(wen)定(ding)。經過約400s，溫度(du)和濕(shi)度(du)接近于(yu)(yu)設定(ding)值，PID運算(suan)減少加熱器的輸出，由于(yu)(yu)10%RH較低(di)，經過一段時(shi)間(jian)波動后，終經過約550s， 溫度(du)穩(wen)(wen)定(ding)在(zai)60±0.3℃，濕(shi)度(du)穩(wen)(wen)定(ding)在(zai)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。