恒溫恒濕試驗(yàn)箱的基本原理和故障分析
1. 引言
恒溫恒濕試驗(yàn)箱是指能同時(shí)施加溫度、濕度應(yīng)力的試驗(yàn)箱。隨著我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品研制的需要，近幾年來，我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)了大批試驗(yàn)系統(tǒng)，為我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品的研制和定型發(fā)揮了重要作用。但由于其本身的復(fù)雜性，使得試驗(yàn)箱在運(yùn)行中出現(xiàn)了許多問題，而且出現(xiàn)了問題不能及時(shí)解決，大大延長(zhǎng)了試驗(yàn)周期，影響了產(chǎn)品的研制工作。而產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是對(duì)綜合試驗(yàn)箱的工作原理不了解。為此，我們對(duì)試驗(yàn)箱的基本工作原理作了一些簡(jiǎn)要闡述，并介紹如何對(duì)綜合試驗(yàn)箱試驗(yàn)設(shè)備的故障進(jìn)行分析和判斷。
2.恒溫恒濕試驗(yàn)箱的原理：綜合試驗(yàn)箱由制冷系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，濕度系統(tǒng)，空氣循環(huán)系統(tǒng)，和傳感器系統(tǒng)等組成， 上述系統(tǒng)分屬電氣和機(jī)械制冷兩大方面。下面初步敘述幾個(gè)主要系統(tǒng)的工作原理和工作過程：
2.1 制冷系統(tǒng)：制冷系統(tǒng)是綜合試驗(yàn)箱的關(guān)鍵部分之一。一般來說，試驗(yàn)箱的制冷方式都是機(jī)械制冷以及輔助液氮制冷，機(jī)械制冷采用蒸氣壓縮式制冷，該制冷方式是人工制冷中應(yīng)用廣泛而又經(jīng)濟(jì)的制冷方式之一。蒸氣壓縮式制冷型式有：?jiǎn)渭?jí)制冷、多級(jí)制冷和復(fù)疊式制冷，它們主要由壓縮機(jī)，冷凝器，節(jié)流機(jī)構(gòu)和蒸發(fā)器組成。由于我們?cè)囼?yàn)的溫度低溫要達(dá)到-55℃，單級(jí)制冷難以滿足要求，因此綜合試驗(yàn)箱的制冷方式一般采用復(fù)疊式制冷。下面以意大利ACS公司生產(chǎn)的綜合試驗(yàn)箱的制冷系統(tǒng)為例作一簡(jiǎn)要介紹，圖2為該制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖。它由兩部分組成，分別稱為高溫部分和低溫部分，每一部分都是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的制冷系統(tǒng)。高溫部分中制冷劑（HP80）的蒸發(fā)吸收來自低溫部分的制冷劑（R23）的熱量而汽化；低溫部分制冷劑的蒸發(fā)則從被冷卻的對(duì)象（試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣）吸熱以獲取冷量。高溫部分和低溫部分之間是用一個(gè)蒸發(fā)冷凝器聯(lián)系起來的，它既是高溫部分的蒸發(fā)器，也是低溫部分的冷凝器。ACS試驗(yàn)箱的高溫部分制冷劑采用中溫制冷劑HP80，低溫部分制冷劑采用低溫制冷劑R23，箱內(nèi)溫度能達(dá)到-70℃。
2.2 加熱系統(tǒng)：試驗(yàn)箱的加熱系統(tǒng)相對(duì)制冷系統(tǒng)而言，是比較簡(jiǎn)單的。它主要由大功率電阻絲組成。由于試驗(yàn)箱要求的升溫速率較大，因此試驗(yàn)箱的加熱系統(tǒng)功率都比較大，而且在試驗(yàn)箱的底板也設(shè)有加熱器。
2.3 控制系統(tǒng)：控制部分是綜合試驗(yàn)箱的核心，它決定了試驗(yàn)箱的升降溫速率，精度等重要指標(biāo)?，F(xiàn)有試驗(yàn)箱的控制器大都采用PID控制，也有少部分采用PID與模糊控制相結(jié)合的控制方式。由于控制系統(tǒng)基本上屬于軟件的范疇，而且此部分在使用過程中，一般不會(huì)出現(xiàn)問題，因此，本文不對(duì)控制系統(tǒng)作太多的介紹。
2.4 濕度系統(tǒng)：濕度系統(tǒng)分為加濕和除濕兩個(gè)子系統(tǒng)。
試驗(yàn)箱的加濕方式一般采用蒸氣加濕法，即將低壓蒸氣直接注入試驗(yàn)空間加濕。這種加濕方法加濕能力強(qiáng)，速度快，加濕控制靈敏，尤其在降溫時(shí)容易實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制加濕。
試驗(yàn)箱的除濕方式有兩種：機(jī)械制冷除濕和干燥器除濕。機(jī)械制冷除濕的除濕原理是將空氣冷卻到露點(diǎn)溫度以下，使大于飽和含濕量的水氣凝結(jié)析出，這樣就降低了濕度。干燥器除濕是利用氣泵將試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣抽出，并將干燥的空氣注入，同時(shí)將濕空氣送入可循環(huán)利用的干燥器進(jìn)行干燥，干燥完后又送入試驗(yàn)箱內(nèi)，如此反復(fù)循環(huán)進(jìn)行除濕?，F(xiàn)在大部分綜合試驗(yàn)箱采用前一種除濕方法。后一種的除濕方法，可以使露點(diǎn)溫度達(dá)到0℃以下，適用于有特殊要求的場(chǎng)合，但費(fèi)用較貴。
2.6 空氣循環(huán)系統(tǒng)空氣循環(huán)系統(tǒng)一般由離心式風(fēng)扇和驅(qū)動(dòng)其運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)構(gòu)成。它提供了試驗(yàn)箱內(nèi)空氣的循環(huán)。
3. 故障的分析判斷
由于試驗(yàn)箱是一個(gè)既有電氣又有制冷機(jī)械等多個(gè)系統(tǒng)組成的設(shè)備，因此，一旦設(shè)備出現(xiàn)問題，一定要全面地對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行檢查和綜合分析。一般來說，分析判斷的過程可以先"外"后"里"。即首先排除外部因素，如冷卻水、供電等，在完全排除外部因素后，根據(jù)故障現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備進(jìn)行先系統(tǒng)分解后系統(tǒng)綜合的分析判斷，可以采用倒推的方法查找故障原因：首先按照電氣接線圖查找是否電氣系統(tǒng)的問題，最后查找是否制冷系統(tǒng)的問題。表1提供了一些常見故障的分析表
故障現(xiàn)象 |
故障原因分析 |
排除故障方法 |
設(shè)備不降溫
或降溫緩慢 |
制冷系統(tǒng)制冷劑量不足（漏氟）。
制冷系統(tǒng)管路發(fā)生臟堵或冰堵。
向蒸發(fā)器供液的電磁閥損壞。
膨脹閥的流量過大或過小或損壞。
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查漏，并充氟。
更換被堵器件或干燥劑。
更換電磁閥。
調(diào)整或更換膨脹閥。
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設(shè)備升溫緩慢 |
加熱器的熱保險(xiǎn)被燒斷。
控制加熱器工作的接觸器損壞。
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更換熱保險(xiǎn)。
更換接觸器。
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系統(tǒng)不工作 |
離心式風(fēng)扇未運(yùn)轉(zhuǎn)。
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風(fēng)扇保險(xiǎn)燒壞，更換保險(xiǎn)；風(fēng)扇熱保護(hù)，復(fù)位保護(hù)開關(guān)。
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壓縮機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn) |
壓縮機(jī)的保險(xiǎn)燒壞。
電源電壓不夠。
控制壓縮機(jī)啟動(dòng)的接觸器損壞。
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更換保險(xiǎn)。
提高供電電壓。
更換接觸器。
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排氣壓力過高 |
制冷系統(tǒng)中有空氣。
冷卻水量不足或溫度過高。
冷凝器水管積垢過厚。
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放空氣。
增加供水量。
清洗冷凝器。
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吸氣壓力過低 |
制冷系統(tǒng)制冷劑量不足。
膨脹閥冰堵或損壞。
過濾器堵塞。
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查漏，并充氟。
對(duì)管路進(jìn)行干燥或更換膨脹閥。
更換過濾器。
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系統(tǒng)不能加濕 |
1.加濕鍋爐的保險(xiǎn)燒壞。
2.控制加濕鍋爐工作的接觸器損壞。
3.加濕鍋爐由于缺水而保護(hù)。 |
1.更換保險(xiǎn)。
2.更換接觸器。
3.更換浮子開關(guān)或供水。 |
系統(tǒng)不能除濕 |
用于除濕的壓縮機(jī)未啟動(dòng)。
除濕電磁閥不工作。
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1.參照壓縮機(jī)不工作的排故方法對(duì)照解決。
2.更換電磁閥。 |
4.典型故障分析－－－－－－－－
一試驗(yàn)箱在-55℃低溫保持階段出現(xiàn)了溫度保持不住的現(xiàn)象，其溫度曲線大致如圖3。
圖2 溫度運(yùn)行曲線示意圖
對(duì)該故障現(xiàn)象進(jìn)行分析：
1）試驗(yàn)箱能夠制冷，說明外部因素-冷卻水的問題可以排除。
2） 由于是溫度保持不住，觀察制冷壓縮機(jī)在試驗(yàn)箱運(yùn)行過程中是否能夠正常啟動(dòng)，壓縮機(jī)在試驗(yàn)箱運(yùn)行過程中都能夠啟動(dòng)，說明從主電源到各壓縮機(jī)的電氣線路正常，電氣系統(tǒng)方面也沒有問題。
3） 電氣系統(tǒng)沒有問題，繼續(xù)檢查制冷系統(tǒng)。首先檢查兩組制冷機(jī)組的排氣和吸氣壓力，發(fā)現(xiàn)主機(jī)組的低溫（R23）級(jí)壓縮機(jī)的排氣和吸氣壓力都較正常值偏低，而且吸氣壓力呈抽真空狀態(tài)，說明主制冷機(jī)組的制冷劑量不足。用手摸主機(jī)組R23壓縮機(jī)的排氣和吸氣管路，發(fā)現(xiàn)排氣管路的溫度不高，吸氣管路的溫度也不低（未結(jié)霜），這也說明了主機(jī)組的R23制冷劑缺乏，系統(tǒng)漏氟。
4） 為確定故障原因，結(jié)合試驗(yàn)箱的控制過程進(jìn)一步確認(rèn)故障原因，該試驗(yàn)箱擁有兩套制冷機(jī)組，一為主機(jī)組，另一為輔助機(jī)組。在降溫速率較大時(shí)，兩組機(jī)組同時(shí)工作，在溫度保持階段初期，兩組機(jī)組依然同時(shí)工作。待溫度初步穩(wěn)定下來，輔助機(jī)組停止工作，由主機(jī)組來維持溫度的穩(wěn)定。如果主機(jī)組的R23泄漏，會(huì)使主機(jī)組制冷效果不大，由于降溫過程中，兩組機(jī)組同時(shí)工作，故沒有溫度穩(wěn)定不住的現(xiàn)象，而只是降溫速率降低。在溫度保持階段，一旦輔助機(jī)組停止工作，主機(jī)組又無制冷作用，試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣就會(huì)緩慢上升，當(dāng)溫度上升到一定程度，控制系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)輔助機(jī)組來降溫，將溫度下降至設(shè)定值（-55℃）附近，然后輔助機(jī)組又停止工作，如此反復(fù)，便會(huì)出現(xiàn)如圖3所示的故障現(xiàn)象。至此，已確認(rèn)為產(chǎn)生故障的原因是主機(jī)組的低溫（R23）級(jí)機(jī)組的制冷劑R23泄漏。
5） 對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行查漏，用檢漏儀和肥皂水相結(jié)合的方法檢查，發(fā)現(xiàn)是一熱氣旁通電磁閥的閥桿開裂了一約1cm的細(xì)縫。更換此電磁閥后，對(duì)系統(tǒng)重新充氟，系統(tǒng)運(yùn)行正常。由上文可以看出，對(duì)該故障現(xiàn)象的分析和判斷基本上是由易至難，先"外"后"里"，先"電氣"后"制冷"的脈絡(luò)進(jìn)行分析和判斷的，熟悉和了解試驗(yàn)箱的原理和工作過程是分析故障和判斷故障的基礎(chǔ)。
5.結(jié)束語
綜上所述，只有深入了解試驗(yàn)箱的工作原理和工作過程，才能迅速地解決試驗(yàn)箱在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題。希望本文能夠?qū)氖颅h(huán)境設(shè)備管理運(yùn)行維護(hù)人員有所裨益，共同推動(dòng)我國(guó)環(huán)境工程的發(fā)展。
