氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的穩(wěn)定性分析范文

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摘要:氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的中高溫載冷劑選用AS－6，采用溫度沖擊環(huán)境箱對(duì)載冷劑進(jìn)行高、低溫循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)量其循環(huán)前后的物性參數(shù)，判斷載冷劑的穩(wěn)定性。載冷劑在經(jīng)歷20次高、低溫循環(huán)試驗(yàn)后，其物性參數(shù)的變化都在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所選用參考設(shè)計(jì)值的范圍內(nèi)，所以認(rèn)為載冷劑穩(wěn)定。載冷劑黏度相對(duì)于其它參數(shù)變化較大，需要在后期試驗(yàn)中進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并針對(duì)黏度過(guò)大，采取合適的補(bǔ)救措施。

關(guān)鍵詞:制冷劑;載冷劑;穩(wěn)定性;黏度

1引言

隨著我國(guó)航空裝備的快速發(fā)展，需要研制大量的不同功能、不同任務(wù)需求的航空武器裝備。未來(lái)對(duì)航空武器裝備的環(huán)境適應(yīng)性要求越來(lái)越高，氣候環(huán)境模擬試驗(yàn)也越來(lái)越廣泛。室內(nèi)氣候環(huán)境試驗(yàn)可以考核飛機(jī)的氣候環(huán)境適應(yīng)性，縮短試驗(yàn)周期、控制試驗(yàn)條件、實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的可重復(fù)性［1］。近年來(lái)，兵器工業(yè)、航天系統(tǒng)相繼建立了環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室，考核設(shè)備在極端氣候環(huán)境條件下的環(huán)境適應(yīng)性。為考核系統(tǒng)裝備而建立的大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，體量在1000m3量級(jí)，適用于航空裝備、汽車、火車等的氣候環(huán)境試驗(yàn)，能夠模擬高溫、低溫、濕熱、日照、降雨、降霧、凍雨、大風(fēng)、降雪等自然氣候環(huán)境［2］。氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的溫度范圍為－55℃～+74℃［3］，由于實(shí)驗(yàn)室所需要的試驗(yàn)溫度范圍寬，不同試驗(yàn)工況負(fù)荷變化很大，要求制冷系統(tǒng)的制冷量能在較大溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。考慮到實(shí)驗(yàn)室的安裝及設(shè)計(jì)等要求，選擇了復(fù)疊式制冷系統(tǒng)［4］與載冷系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的制冷方式。載冷系統(tǒng)中的載冷劑作為氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室能量輸送的載體，在整個(gè)能量傳遞過(guò)程中起著舉足輕重的作用［5］。通過(guò)多次比較分析，氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的中高溫載冷劑選用AS－6。AS－6的冰點(diǎn)為－55℃，使用溫度范圍為－50℃～+100℃。低溫載冷劑選擇二氯甲烷，其使用溫度范圍為－70℃～+40℃。由于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的所有型號(hào)配置在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)完成后已經(jīng)確定，如果載冷劑性能不夠穩(wěn)定，在傳熱過(guò)程中性能發(fā)生變化，將會(huì)使傳熱效果受到影響，從而影響實(shí)驗(yàn)室的升、降溫速率。載冷劑黏度變大需要泵提供更大的動(dòng)力，有可能出現(xiàn)泵動(dòng)力不足的情況。載冷劑性能的變化也有可能造成管道腐蝕，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的滲漏等。由于實(shí)驗(yàn)室的中高溫載冷劑采用有機(jī)物合成，性能的穩(wěn)定性需要采用試驗(yàn)方法得以驗(yàn)證。為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及載冷劑的傳熱效果，需要對(duì)載冷劑在經(jīng)歷高、低溫交變過(guò)程后的物理特性進(jìn)行測(cè)量［6］。

2氣候?qū)嶒?yàn)室載冷劑的運(yùn)行方式

載冷劑在實(shí)驗(yàn)室的循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)［7］(AHU)和發(fā)動(dòng)機(jī)開車空氣補(bǔ)償系統(tǒng)(JMAU)中的運(yùn)行如圖1所示。在氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，需消耗大量冷/熱空氣，導(dǎo)致室內(nèi)溫度急劇上升/降低。因此，需及時(shí)向室內(nèi)補(bǔ)充冷/熱空氣，使室內(nèi)溫度處于恒定狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)室如果采用直接制冷或者直接蒸汽加熱的方式對(duì)空氣進(jìn)行處理補(bǔ)氣，滿足不了實(shí)驗(yàn)室在短時(shí)間內(nèi)處理大量空氣所需要的冷量或熱量，需要采用載冷劑來(lái)進(jìn)行蓄冷或者蓄熱。為了便于控制及管理，在氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的循環(huán)風(fēng)處理單元、發(fā)動(dòng)機(jī)開車空氣補(bǔ)償單元中都采用載冷劑來(lái)向空氣傳遞冷量或者熱量［8-10］。實(shí)驗(yàn)室的循環(huán)風(fēng)通道采用并聯(lián)方式，載冷劑在A通道和B通道運(yùn)行方式相同。在室內(nèi)要求工況溫度為－55℃～－25℃時(shí)，二氯甲烷將復(fù)疊制冷系統(tǒng)低溫級(jí)的冷量輸送到循環(huán)風(fēng)處理單元(AHU)或發(fā)動(dòng)機(jī)開車空氣補(bǔ)償單元(JMAU)中的制冷換熱器，用于冷卻環(huán)境室送風(fēng)或補(bǔ)償空氣。當(dāng)試驗(yàn)要求室內(nèi)工況溫度為－25℃以上，且實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行負(fù)溫試驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)溫度低于外界環(huán)境溫度)時(shí)，AS－6將復(fù)疊制冷系統(tǒng)高溫級(jí)的冷量輸送到循環(huán)風(fēng)處理單元(AHU)或發(fā)動(dòng)機(jī)開車空氣補(bǔ)償單元(JMAU)的制冷換熱器，用于冷卻循環(huán)風(fēng)或補(bǔ)償空氣;實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行正溫試驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)溫度高于外界環(huán)境溫度)時(shí)，將蒸汽熱量輸送到AHU或JMAU中的加熱換熱器，用于加熱環(huán)境室送風(fēng)或補(bǔ)償空氣。

3載冷劑的穩(wěn)定性分析

二氯甲烷作為低溫載冷劑，屬于比較成熟的產(chǎn)品，而AS－6屬于新研發(fā)的有機(jī)物合成產(chǎn)品，需要進(jìn)一步考核其穩(wěn)定性和腐蝕性，對(duì)其性能參數(shù)和經(jīng)歷高、低溫循環(huán)后的性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)誤差判斷其穩(wěn)定性。為了使試驗(yàn)?zāi)M后測(cè)得的數(shù)據(jù)更加真實(shí)有效，對(duì)循環(huán)次數(shù)進(jìn)行了確定。氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室擬1年進(jìn)行兩次氣候試驗(yàn)，現(xiàn)需要測(cè)定使用10年后的載冷劑的物性參數(shù)，以判斷其穩(wěn)定性。等效為載冷劑經(jīng)歷20次最高溫(+90℃)和最低溫(－40℃)。利用溫度沖擊試驗(yàn)箱對(duì)試驗(yàn)件施加溫度環(huán)境，考慮到環(huán)境箱內(nèi)的溫度上升和下降速率不能太大，確定試驗(yàn)的環(huán)境譜如圖2所示。環(huán)境箱內(nèi)溫度從常溫先升至高溫50℃，保持5min，再升至90℃，保持15min，再降至常溫，保持5min，再降溫至－40℃，保持15min，最后回到常溫。此循環(huán)重復(fù)20次。載冷劑的黏度對(duì)基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)泵的動(dòng)力要求較高，如果黏度由于載冷劑使用循環(huán)次數(shù)變多而變大，按照原參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算的泵的動(dòng)力將會(huì)不足，所以黏度作為載冷劑的參數(shù)之一，在試驗(yàn)中要尤為關(guān)注。載冷劑的導(dǎo)熱系數(shù)將會(huì)影響傳熱效果以及傳熱時(shí)間，而比熱和導(dǎo)熱系數(shù)息息相關(guān)，所以重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)熱系數(shù)。在測(cè)量黏度和導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，選取的溫度點(diǎn)較多，分別為90℃、60℃、20℃、0℃、－20℃、－35℃、－40℃(90℃為載冷劑所需要達(dá)到的最高溫度，－40℃為載冷劑使用中需要達(dá)到的最低溫度)。對(duì)于密度和比熱的測(cè)量，由于不是物性參數(shù)測(cè)量重點(diǎn)關(guān)注，僅選取90℃和－40℃兩個(gè)溫度點(diǎn)。由于需要測(cè)量－40℃載冷劑的黏度，而且密度也要同時(shí)測(cè)量，所以考慮采用振動(dòng)弦測(cè)量方法。此方法測(cè)量液體黏度時(shí)，不需要液體的整體流動(dòng)，而且所需試樣較少。導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量采用瞬態(tài)熱線法，冰點(diǎn)的測(cè)量采用冰點(diǎn)測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量，參考標(biāo)準(zhǔn)SH/T0090－1991《發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液冰點(diǎn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》。在進(jìn)行高、低溫試驗(yàn)前，對(duì)載冷劑進(jìn)行密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、黏度、冰點(diǎn)的測(cè)試。經(jīng)歷20次高、低溫循環(huán)后，取出載冷劑，對(duì)載冷劑進(jìn)行相同溫度下的物性參數(shù)測(cè)試，并比較測(cè)試結(jié)果。AS－6在試驗(yàn)前后的物性參數(shù)變化如表1和表2所示。比較發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度在試驗(yàn)前后的誤差都在2%以內(nèi)，而黏度誤差在15%以內(nèi)，但是黏度也小于30MPa•s，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)。鑒于只取了20次循環(huán)試驗(yàn)后的樣品，黏度在循環(huán)次數(shù)大于20次后，可能會(huì)超出30MPa•s，所以在后期的使用過(guò)程中，需要定期取樣對(duì)其黏度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如果黏度過(guò)高，需要重新調(diào)配樣品中的有機(jī)物比例，使其在合理的范圍內(nèi)。

4總結(jié)

本文對(duì)大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室所用的載冷劑進(jìn)行了高、低溫循環(huán)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)前后的載冷劑的物性參數(shù)進(jìn)行了分析，以確定實(shí)驗(yàn)室所用載冷劑的穩(wěn)定性，對(duì)同類大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室制冷系統(tǒng)的制冷劑和載冷劑的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

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作者：張惠 吳敬濤 劉海燕 單位：中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所