氣候環境實驗室的穩定性分析范文

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摘要:氣候環境實驗室的中高溫載冷劑選用AS－6，采用溫度沖擊環境箱對載冷劑進行高、低溫循環試驗，測量其循環前后的物性參數，判斷載冷劑的穩定性。載冷劑在經歷20次高、低溫循環試驗后，其物性參數的變化都在實驗室環境模擬系統設計時所選用參考設計值的范圍內，所以認為載冷劑穩定。載冷劑黏度相對于其它參數變化較大，需要在后期試驗中進行監測，并針對黏度過大，采取合適的補救措施。

關鍵詞:制冷劑;載冷劑;穩定性;黏度

1引言

隨著我國航空裝備的快速發展，需要研制大量的不同功能、不同任務需求的航空武器裝備。未來對航空武器裝備的環境適應性要求越來越高，氣候環境模擬試驗也越來越廣泛。室內氣候環境試驗可以考核飛機的氣候環境適應性，縮短試驗周期、控制試驗條件、實現試驗的可重復性［1］。近年來，兵器工業、航天系統相繼建立了環境模擬實驗室，考核設備在極端氣候環境條件下的環境適應性。為考核系統裝備而建立的大型氣候環境實驗室，體量在1000m3量級，適用于航空裝備、汽車、火車等的氣候環境試驗，能夠模擬高溫、低溫、濕熱、日照、降雨、降霧、凍雨、大風、降雪等自然氣候環境［2］。氣候環境實驗室的溫度范圍為－55℃～+74℃［3］，由于實驗室所需要的試驗溫度范圍寬，不同試驗工況負荷變化很大，要求制冷系統的制冷量能在較大溫度范圍內調節。考慮到實驗室的安裝及設計等要求，選擇了復疊式制冷系統［4］與載冷系統聯合運行的制冷方式。載冷系統中的載冷劑作為氣候環境實驗室能量輸送的載體，在整個能量傳遞過程中起著舉足輕重的作用［5］。通過多次比較分析，氣候環境實驗室的中高溫載冷劑選用AS－6。AS－6的冰點為－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℃。由于實驗室設備的所有型號配置在實驗室建設完成后已經確定，如果載冷劑性能不夠穩定，在傳熱過程中性能發生變化，將會使傳熱效果受到影響，從而影響實驗室的升、降溫速率。載冷劑黏度變大需要泵提供更大的動力，有可能出現泵動力不足的情況。載冷劑性能的變化也有可能造成管道腐蝕，從而導致整個系統的滲漏等。由于實驗室的中高溫載冷劑采用有機物合成，性能的穩定性需要采用試驗方法得以驗證。為了保證系統運行的穩定性以及載冷劑的傳熱效果，需要對載冷劑在經歷高、低溫交變過程后的物理特性進行測量［6］。

2氣候實驗室載冷劑的運行方式

載冷劑在實驗室的循環風系統［7］(AHU)和發動機開車空氣補償系統(JMAU)中的運行如圖1所示。在氣候環境實驗室中進行飛機發動機試驗時，需消耗大量冷/熱空氣，導致室內溫度急劇上升/降低。因此，需及時向室內補充冷/熱空氣，使室內溫度處于恒定狀態。實驗室如果采用直接制冷或者直接蒸汽加熱的方式對空氣進行處理補氣，滿足不了實驗室在短時間內處理大量空氣所需要的冷量或熱量，需要采用載冷劑來進行蓄冷或者蓄熱。為了便于控制及管理，在氣候環境實驗室的循環風處理單元、發動機開車空氣補償單元中都采用載冷劑來向空氣傳遞冷量或者熱量［8-10］。實驗室的循環風通道采用并聯方式，載冷劑在A通道和B通道運行方式相同。在室內要求工況溫度為－55℃～－25℃時，二氯甲烷將復疊制冷系統低溫級的冷量輸送到循環風處理單元(AHU)或發動機開車空氣補償單元(JMAU)中的制冷換熱器，用于冷卻環境室送風或補償空氣。當試驗要求室內工況溫度為－25℃以上，且實驗室進行負溫試驗(實驗室試驗溫度低于外界環境溫度)時，AS－6將復疊制冷系統高溫級的冷量輸送到循環風處理單元(AHU)或發動機開車空氣補償單元(JMAU)的制冷換熱器，用于冷卻循環風或補償空氣;實驗室進行正溫試驗(實驗室試驗溫度高于外界環境溫度)時，將蒸汽熱量輸送到AHU或JMAU中的加熱換熱器，用于加熱環境室送風或補償空氣。

3載冷劑的穩定性分析

二氯甲烷作為低溫載冷劑，屬于比較成熟的產品，而AS－6屬于新研發的有機物合成產品，需要進一步考核其穩定性和腐蝕性，對其性能參數和經歷高、低溫循環后的性能參數進行對比分析，根據誤差判斷其穩定性。為了使試驗模擬后測得的數據更加真實有效，對循環次數進行了確定。氣候環境實驗室擬1年進行兩次氣候試驗，現需要測定使用10年后的載冷劑的物性參數，以判斷其穩定性。等效為載冷劑經歷20次最高溫(+90℃)和最低溫(－40℃)。利用溫度沖擊試驗箱對試驗件施加溫度環境，考慮到環境箱內的溫度上升和下降速率不能太大，確定試驗的環境譜如圖2所示。環境箱內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。此循環重復20次。載冷劑的黏度對基礎環境模擬系統泵的動力要求較高，如果黏度由于載冷劑使用循環次數變多而變大，按照原參數設計計算的泵的動力將會不足，所以黏度作為載冷劑的參數之一，在試驗中要尤為關注。載冷劑的導熱系數將會影響傳熱效果以及傳熱時間，而比熱和導熱系數息息相關，所以重點關注導熱系數。在測量黏度和導熱系數時，選取的溫度點較多，分別為90℃、60℃、20℃、0℃、－20℃、－35℃、－40℃(90℃為載冷劑所需要達到的最高溫度，－40℃為載冷劑使用中需要達到的最低溫度)。對于密度和比熱的測量，由于不是物性參數測量重點關注，僅選取90℃和－40℃兩個溫度點。由于需要測量－40℃載冷劑的黏度，而且密度也要同時測量，所以考慮采用振動弦測量方法。此方法測量液體黏度時，不需要液體的整體流動，而且所需試樣較少。導熱系數的測量采用瞬態熱線法，冰點的測量采用冰點測試儀進行測量，參考標準SH/T0090－1991《發動機冷卻液冰點測試標準》。在進行高、低溫試驗前，對載冷劑進行密度、導熱系數、比熱、黏度、冰點的測試。經歷20次高、低溫循環后，取出載冷劑，對載冷劑進行相同溫度下的物性參數測試，并比較測試結果。AS－6在試驗前后的物性參數變化如表1和表2所示。比較發現，導熱系數、比熱、密度在試驗前后的誤差都在2%以內，而黏度誤差在15%以內，但是黏度也小于30MPa•s，在系統的設計參數范圍內。鑒于只取了20次循環試驗后的樣品，黏度在循環次數大于20次后，可能會超出30MPa•s，所以在后期的使用過程中，需要定期取樣對其黏度進行監測。如果黏度過高，需要重新調配樣品中的有機物比例，使其在合理的范圍內。

4總結

本文對大型氣候環境實驗室所用的載冷劑進行了高、低溫循環試驗，并對試驗前后的載冷劑的物性參數進行了分析，以確定實驗室所用載冷劑的穩定性，對同類大型氣候環境實驗室制冷系統的制冷劑和載冷劑的選擇具有一定的指導意義。

參考文獻

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作者：張惠 吳敬濤 劉海燕 單位：中國飛機強度研究所