手把手教你设计高低温实验箱1：原理与热负荷计算

一、高低温箱原理

高低温试验箱是主要通过控制高温、低温和湿度来对产品进行检测。在高低温试验箱的内部结构上就有控制相应环境温度的系统，分为制冷剂循环系统、空气循环系统和电气控制系统。他们分别控制高低温试验箱箱体内的温度、湿度和电气。

高低温箱的几种温度范围：

A：-40℃~150℃；

B：-60℃~150℃；

C：-70℃~150℃；

由于温度都比较低，一般高低温箱都会采用复叠式制冷循环系统，以下为高低温箱的制冷系统原理图：

低压级：R23制冷剂、主要包含低温压缩机、油分离器、预冷器、冷凝蒸发器（板换）、节流机构、蒸发器等；

高压级：R404A制冷剂，主要包含高温压缩机、油分离器、冷凝器、节流机构、冷凝蒸发器（板换），最后回到压缩机。

以上系统是一套最常见的高低温箱的系统原理图。

高低温箱制冷系统的设计，首要就是需要进行热负荷计算；高低温箱热负荷的计算是典型的封闭空间热负荷计算的方法，我们看以下的示意图：

二、热负荷计算：

根据能量守恒定律，我们配置的压缩机制冷量，只要满足把封闭空间内的热负荷去除即可，那么一个封闭空间内的热负荷主要有哪些呢？

我们根据以上的示意图，热负荷主要包括：

 

1、测试体的热负荷：从常温降低到指定温度需要的制冷量；

2、隔热层的热传导：无论保温效果有多好，我们都不能排除箱体一点漏热都没有，所以这部分的热传导需要计算；

3、门、缝等漏热：同样的箱体不可能做到百分百密封，所以需要考虑这部分的漏热；

4、箱体内结构负荷：箱体内壁一般采用不锈钢或者花纹板，当箱体内降温到-70℃的时候，内壁的钢铁同样需要降到-70℃，所以这部分热负荷也必须考虑；

5、箱体内设备负荷：箱体内可能存在一些降温的设备（蒸发器、蒸汽管等），这部分同样需要降到-70℃，需要考虑这部分热负荷；

6、箱体内发热体负荷：箱体内存在风机、照明灯等，这部分负荷也需要考虑；

7、箱体内空气降温的负荷：箱体内的空气需要从常温降低到-70℃，这部分的负荷也需要考虑。

 

密闭空间内的热负荷计算，通常我们需要考虑以上几个部分，这种思路不止适用于高低温箱体的制冷量计算，同样适用于其他密闭空间的热负荷计算，比如冰箱、冷柜、冷库系统、焓差实验室等；所以只要吃透了其中一种计算，其他小型制冷设备的热负荷计算也都可以举一反三。

为了方便各位学员的学习以及后续实际工作的展开，我们编写了一个Excel表格用来计算高低温的制冷量：

我们把刚刚的这些思路，计算过程转化到Excel表格当中；

蓝色部分为手动填写的部分，橙色部分为自动计算的结果；前面两大类为高低温箱的外形尺寸已经温度要求。

空气降温热负荷Q1计算：

我们只需要计算出初始的焓值和终了的焓值，再乘以空气的质量，即可计算出空气的降温热负荷。

Q1=58.67W

隔热层热传导与门缝漏热热负荷Q2计算：

保温层可以选择岩棉或者聚氨酯板，两者的传热系数不同，我们通过查资料手册，得到内侧不锈钢和外侧钢板的传热系数，通过计算得到箱体的传热系数K值；门缝的漏热一般很小（步入式的高低温箱可忽略不计），我们根据整体的漏热百分比来估算。

Q2=222.3W

 

蒸发器等设备降温热负荷Q3：

蒸发器整体是放在高低温箱体内，箱体需要降低到-70℃，蒸发器本体同样也需要降低到-70℃；计算的时候我们可以先预估下蒸发器的尺寸，把铜管的重量和铝翅片的重量估算出来（最后设计蒸发器的时候，可以调整这个重量）。但是有一点，该高低温箱18min需要从20℃下降到-70℃，最早是高低温箱内空气的温度到达这个温度，蒸发器、铝铁负载、内壁等这些会有延迟，并不是18min中内能够全部达到-70℃，所以有一个系数，我们用“降温时间/冷透时间”来表示。

箱体内结构负荷热负荷Q4：

计算方法同Q3；最后结果Q5=733.3W；

 

其他负载Q6：

其他负载包含：风机或者设备的功率、门框加热、玻璃窗加热、额定热负载、电加热等负荷。

 

最后把以上的负荷求和，我们再乘以一个余量1.2；得到最后的结果：

有了这个制冷量，我们就可以根据制冷量，选择合适的压缩机了。

我们将在后续的课程中，进一步介绍压缩机的选型方法，并编写一套关于制冷系统计算选型的程序；包含高低压双级压缩机的热力计算程序，初步效果如下：