Камеры для испытаний на повышенное давление

Низкотемпературные холодильные установки

Испытательные камеры служат для создания необходимого микроклимата в условиях ограниченного пространства с целью определения характеристик объекта путем воздействия на него ряда факторов. К первым относится влажность, давление воздуха температура, атмосферные осадки, радиация и др., ко вторым — ускорение, удар, вибрация.

Такие камеры универсальны по своему назначению и отвечают стандартным требованиям. В зависимости от создаваемых ими факторов испытательные камеры разделяют на следующие типы: термокамеры, термобарокамеры, термовлагокамеры, термобаровиброкамеры и т.д. Их назначение не сложно определить по их названию, так термобарокамеры предназначены для измерения положительных и отрицательных температур, а также давления воздуха и вибрации.

Термокамеры используют для испытания объектов, посредством воздействия на них положительных и отрицательных температур в определенных диапазонах. Их применяют:

• для длительного хранения медикаментов и прочих биологических материалов;
• исследования свойств материалов, искусственного старения оптических линз, печатных плат и дюралюминиевых заклепок;
• для холодильной обработки материалов;
• с целью испытания изделий электронной, машиностроительной, электротехнической и строительной промышленности.

Наибольшей популярностью пользуются термокамеры со следующими диапазонными характеристиками: температура −70 … +180°С; полезный объем 0,015-2,0 м3; скорость нагревания: от 20 до 180°С 40-60 мин; скорость охлаждения от 20 до 70°С 90-120 мин; точность поддержания температуры 0,2-2,0 К. Но существуют термокамеры с большей вместимостью, более высокой и низкой температурами. Большинство из них имеют вид прямоугольного блока, в котором и располагается сама камера, холодильное оборудование, пульт управления и сигнализации. Утепленный корпус камеры выполнен из антикоррозионной стали, смотровое окно имеет многослойное остекление, а двери оборудованы резиновым уплотнителем. Изоляция корпуса выполняется из теплоизоляционного материала – стекловаты, пенополиуритана, толщина которого определяется согласно рекомендованной плотности теплового потока 16-20 Вт/м2. Ее располагают как внутри, так и снаружи корпуса. Если теплоизоляция находится с внутренней стороны, то это уменьшает количество тепловых мостиков в местах опоры корпуса, но при этом размеры камеры также уменьшаются.

Внутреннее пространство камеры, выделенное для исследования объекта, называется полезным объемом. В нем находятся воздухопроводы, охлаждающие батареи, крыльчатка вентилятора и т.д.

Полезный объем камеры является ее основной технической характеристикой. Холодильное оборудование располагают в камере на опорной раме, установленной в нижней части блока. Система воздухораспределения состоит из жалюзей, решеток и каналов, которые обеспечивают подачу воздуха (преимущественно он циркулирует снизу вверх). Электронагреватели размещают в воздухопроводе. При помощи пульта производится выбор режимов работы камеры: автоматическая настройка оборудования, сигнализации и контроля параметров, а также защиты от предотвращения аварийных ситуаций.

Термобарокамеры используют для испытания объектов на действие положительных и отрицательных температур, вакуума в определенных диапазонах с определенной скоростью и точностью поддержания.

В основном их применяют для испытания электронных, электротехнических, космических, авиационных, медицинских, химических и биологических объектов. Термобарокамеры получили более широкое применение, чем термокамеры, поскольку их технические характеристики шире: время нагревания составляет от 20 до 150°С 40-60 мин, время охлаждения от 20 до −70°С 90-120 мин, точность поддержания температур — 0,2-2,0 К, время снижения давления от 110 до 0,1 кПа 30-50 мин, точность поддержания давления 1% при объеме 0,5-100 м3, температуре −70 … +150°С и давлении 0,1-110 кПа. Существуют термобарокамеры с большим объемом, более низким вакуумом и более высокой или низкой предельной температурой. Стандартные термобарокамеры обладают объемом до 8 м3, имеют корпус цилиндрической формы. Такая конструкция, в отличие от прямоугольной, обеспечивает большую стойкость агрегата к нагрузкам. Камеры большего объема имеют многоугольную конструкцию с дополнительными ребрами жесткости.

Небольшие термобарокамеры (до 2 м3) имеют вид небольшого блока, в который вмонтировано все необходимо оборудование. Что же касается камер большого объема, то они имеют несколько блоков: отдельно камеры для вакуумного насоса, холодильного агрегата, сигнализации и пульта управления. При этом теплоизоляцию преимущественно располагают поверх вакуумированного пространства, поскольку она может в своих порах содержать газ, для устранения которого требуется повышенная производительность вакуумного насоса. В термобарокамерах используют два вида испарителей: воздухоохладители и панельные батареи. Последние располагают как можно ближе к испытуемому объекту для того чтобы увеличить площадь поверхности радиационного обмена.

В камерах объемом выше 10 м3 воздухоохладители размещают вдоль стенок между корпусом и панелями. Благодаря такому распределению соблюдается равномерность температуры и рациональность использования пространства. В случае, если необходима большая скорость, используют дополнительные батареи, которые устанавливают внутри слоя изоляции, для ее быстрого охлаждения. В некоторых случаях также устанавливается охлаждение стального корпуса. В основе вентиляторов, как правило, лежит двухскоростной двигатель, который используется для того, чтобы при понижении давления воздуха (29 кПа и менее) перейти на большую частоту вращения вала и сохранить при этом интенсивность конвективного теплообмена. Если давление воздуха составляет 1,9 кПа, вентилятор перестает работать, функционируют только панельные батареи. Нагревательная система состоит из спиральных, трубчатых, либо же панельных многосекционных нагревательных элементов. Последние располагаются по принципу охлаждающих панельных батарей.

В камерах способных нагревать температуру до 200°С, предусматриваются специальные меры против перегрева, т.е повышения давления в системе холодильной установки. Это обычно обеспечивается подключением к работе верхней ветви каскада. В случае, если температура поднимается выше указанной, то предусматриваются конструкционные меры защиты.

Термовлагокамеры предназначены для испытания объектов при положительных и отрицательных температурах и заданной в определенных диапазонах влажности. Самые популярные термовлагокамеры имеют следующий диапазон технических характеристик: объем 0,25-10 м3; относительную влажность 10-98%; температуру −70…+100°С; точность поддержания влажности 2,5-5%. В зависимости от объема термовлагокамеры могут иметь один или несколько блоков. Для создания и поддержания определенной влажности используется парогенератор. Испытание объекта производят при положительных температурах — 10°С и выше.

Термовлагобарокамеры включают в себя все возможности указанных выше камер. Что касается конструкции и технических характеристик, то они больше приближены к термобарокамерам.

Термобаровлаговиброкамеры являются самыми универсальными среди всех остальных по количеству воздействующих факторов одновременно. В среднем их вместимость не превышает 4 м3, а по конструктивным особенностям и диапазону технических характеристик они близки к термобарокамерам. Под такой камерой обычно располагается электродинамический вибростенд, с помощью которого и создаются механические воздействующие факторы: ускорение, различные формы колебания и частоты.

Холодильные установки

Основой низкотемпературных холодильных установок преимущественно являются парокомпрессионные холодильные агрегаты, которые, в свою очередь, бывают одноступенчатыми, двуступенчатыми и каскадными. Но также допускается использование холодильных установок других типов. Например, для получения температуры менее −70°С применяют воздушные холодильные машины, а для получения температуры ниже −100°С – газовые.

В камерах объемом до 0,05 м3, которые чаще всего используют для кратковременных испытаний, применяют воздушные и термоэлектрические холодильные устройства, а также машины, охлаждающие при помощи азота и сухого льда.

Низкотемпературные установки содержат оборудование, которое отличается от базового рядом конструктивных особенностей некоторых узлов и материалов. Это связано с воздействием более низких температур, а также рабочих процессов и свойств некоторых материалов. Так поршневые компрессоры должны регулярно смазываться маслом и иметь небольшое вредное пространство и т.д. Используемый для изготовления деталей материал должен сохранять свои свойства и при максимально допустимой низкой температуре.

Работающие на хладагентах R502, R504 и R13B1 одноступенчатые ходильные установки используют для получения температур в диапазоне −60…-40°С. В первую очередь, получение низкой температуры зависит от температуры конденсации, а во вторую — от типа компрессора и вида хладагента. Так, если температура конденсации tк = 35°С, а отношении давлении конденсации к давлению кипения п = 12, то в процессе испытания можно достичь температуры −42°С на R502 и R504; −46°С на R13B1, а если tк = 13°С и п = 12, то можно добиться −54°С на R502 и −60°С на R13B1.

Для получения более низкой температуры многие технологи предпочитают использовать хладагент R502 при сохранении других технологических условий. Следует отметить, что поршневые компрессоры больше зависят от соотношения давлений п, чем винтовые, поэтому для них и соблюдается условие п Одноступенчатые холодильные установки включают компрессорный агрегат (поршневой, винтовой), линейный ресивер, воздухоохладитель, капиллярную трубку или терморегулирующий вентиль, конденсатор с водяным охлаждением и, в некоторых случаях, регенеративный теплообменник, отделитель жидкости. На жидкостном трубопроводе ставят соленоидный вентиль, фильтр-осушитель и смотровой глазок.

Для понижения температурной границы (до −70°С) и повышения термодинамической эффективности в одноступенчатых холодильных машинах применяют неазеотропные смеси. В качестве температурного компонента в них используют R13, R13B1, R14 и R11, R12, R22, R114 – для высокотемпературной среды. Чем больше концентрация низкотемпературного компонента и меньше температура конденсации, тем более низкая температура может быть достигнута. Если стандартная одноступенчатая холодильная установка работает на смеси R13/R14 и двухступенчатой ее конденсации, то даже без вакуума в испарителе удастся получить температуру −63°С.

Для достижения температур в диапазоне −75…-40°С используют двухступенчатые холодильные установки. Данные компрессорные агрегаты работают на хладагентах R22, R502, R13B1. Их комплектуют из винтовых, поршневых, а также бустерно-винтовых компрессоров. В зависимости от типа компрессора, температуры кипения и конденсации, отношение объемов нижней и верхней ступени компрессора может составлять 2:1 и 6:1. Стандартная холодильная установка традиционно включает в себя маслоотделитель, линейный ресивер, конденсатор (водяной или воздушный), промежуточный сосуд и теплообменник. Для уменьшения гидравлического сопротивления испарителя в большинстве случаев используют воздухоохладитель с небольшими трубками, при этом терморегулирующий вентиль настраивают на небольшой нагрев, что впоследствии увеличивает вероятность влажного хода компрессора. При использовании R502 целесообразно применять теплообменник, при других хладагентах необходимо увеличивать температуру нагнетания.

Для получения более низких температур подходят также каскадные холодильные установки. Используя установку с двумя одноступенчатыми ветвями, верхняя из которых работает на R12, R22, R502, R13B1, а нижняя — на R13, R13B1, R503 можно получить температуру кипения −95…-40°С. Для достижения более низких температурных показателей (до −110°С) используют установку с верхней одноступенчатой ветвью и нижней двухступенчатой. Чтобы достичь самых низких температур в парокомпрессорных установках используют каскадные схемы с тремя одноступенчатыми ветвями.

Наибольшее распространение получили каскадные установки с двумя одноступенчатыми ветвями. Их серийно используют в испытательных камерах для поддержания температур в широком диапазоне. К преимуществам таких камер следует отнести: компактность, простоту в использовании, а также способность быстро автоматизироваться.