高低溫交變濕熱試驗箱是國防、航天、汽車、電子、電器、儀器儀表、材料、化工、食品及制藥等領域廣泛應用的測試設備，供用戶對整機（或部件）、電器、儀器、材料、涂層、鍍層等作相應的高低溫漸變試驗.濕熱試驗、耐寒與耐高溫試驗等，對試樣在特定環(huán)境條件下的性能、適應性作出分析及評價，是科學研究和生產過程必不可少的重要試驗設備。
    據(jù)相關調查統(tǒng)計，高低溫濕熱試驗箱是需求廣泛的環(huán)境試驗設備之一。由于生產和科研需求的增加，溫濕度的要求范圍越來越大，控制精度要求也越來越高，傳統(tǒng)的高低溫濕熱試驗箱已不能滿足現(xiàn)代社會發(fā)展的需求。因此，本文利用R404A作為制冷工質，采用單級壓縮制冷、PID控制和電加熱蒸汽加濕技術，結合空氣循環(huán)優(yōu)化，構建了高精度高低溫交變濕熱試驗箱，并對其溫濕度性能進行了實驗研究。

    1、制冷工質的選擇

    氟利昂根據(jù)其要素構成分為三類：一是氯氟烴類，簡稱CFC，這類氟利昂分子中含有兩個或三個氯離子；二是氫氯氟烴類，簡稱HCFC，這類氟利昂分子中含有-一個或兩個氯分子：三是氫氟烴類，簡稱HFC，這類氟利昂中不含氯離子。根據(jù)《蒙特利爾議定書》的規(guī)定，發(fā)達國家CFC類產品1996年1月1日停用，HCFC類產品2030年1月1日停用。發(fā)展中國家CFC類產品2010年全部停止使用： HCFC類產品2016年開始受限，2040 年全部停止使用?！毒┒甲h定書》規(guī)定，二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、HFC類產品、氫氟碳化合物和六氟化硫等6類氣體均屬于溫室氣體，對發(fā)達國家提出了減少溫室氣體排放要求。為滿足高低溫交變濕熱試驗箱的低溫環(huán)境要求，兼顧制冷系統(tǒng)性能及壓縮機工作的可靠性，本文選擇R404A作為制冷劑。R404A由HFC143、HFC125、HFC134a組成，其物理性質見表1。

    2、實驗裝置與實驗

     圖1為 高低溫交變濕熱試驗箱裝置原理圖。該實驗裝置主要包括制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、控制和數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)由壓縮機、；冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、干燥過濾器和蒸發(fā)壓力調節(jié)閥等組成。加熱系統(tǒng)采用鰭片式不銹鋼電加熱器。加濕系統(tǒng)采用電加熱蒸汽加濕方式，減小加濕對溫度波動的影響。試驗箱的外型設計尺寸為950mmx 1325mmx 1850mm，內箱尺寸為750mmx755mmx850mm，容積約480L。為了使溫濕度的控制精度能快速達到設定的環(huán)境要求，實驗裝置采用并聯(lián)5組電磁閥和膨脹閥，分別承擔不同溫濕度條件下的功能。RC1和RC2膨脹閥起到快速降溫的作用； RC3膨脹閥應用于一般除濕，RC4膨脹閥用于強除濕工況； RC5膨脹閥不經(jīng)過蒸發(fā)器，直接接到壓縮機進氣口，保護壓縮機（蒸發(fā)器出口溫度在-11℃以下常閉，-11℃以上常開，冷卻壓縮機）。具體工作工況見表2?？刂坪蜏y試系統(tǒng)包括溫度傳感器、壓力表和數(shù)據(jù)采集器等組成。為了研究壓縮機吸、排氣的狀況，在壓縮機的進出口設置了壓力測試點。另外，在高低溫交變濕熱試驗箱內、壓縮機進出口和壓縮機外殼等設置測溫點。

    單級壓縮制冷系統(tǒng)抽真空后充入適量R404A制冷劑。為了防止誤操作，電源接通后壓縮機延遲30s再啟動。當設定溫度為高溫時（高于環(huán)境溫度10℃），直接采用鰭片加熱器加熱，制冷系統(tǒng)不工作。在PID調節(jié)下，當加熱輸出功率與箱體散熱達到平衡時，試驗箱內溫度達到穩(wěn)定。設定溫度為低溫工況時，制冷系統(tǒng)啟動，溫度接近設定溫度時，加熱器在PID控制下開始輸出熱量，試驗箱溫度穩(wěn)定在需要的范圍。當溫度和濕度同時需要控制時，濕度控制采用冷卻除濕與蒸汽加濕相結合，達到濕平衡。如果是高溫控濕，溫度控制是電加熱和箱體對外散熱相結合，如果是低溫控濕，溫度控制是電加熱和制冷系統(tǒng)相結合，使得試驗箱內溫濕度穩(wěn)定在需要的范圍。本文對高低溫交變試驗箱高低溫工況、高濕工況、中濕工況和低濕工況的進行了測試，研究高低溫交變濕熱試驗箱溫濕度的控制性能和穩(wěn)定性。

    3、結果與討論

    圖2為試驗箱制冷系統(tǒng)I作過程中壓縮機的吸氣和排氣壓力變化情況。圖2表明，機組啟動后，吸氣壓力迅速下降，然后吸氣壓力逐漸穩(wěn)定；排氣壓力先迅速升高，然后逐漸下降后穩(wěn)定。575 秒后制冷系統(tǒng)壓縮機的排氣壓力穩(wěn)定在0.9MPa 左右，吸氣壓力在0.1MPa左右，壓縮機的壓比大約為9，表明壓縮機工作穩(wěn)定。

    圖3是試驗箱高溫工況的升溫曲線。試驗箱內溫度設定目標為150℃，在該工況制冷機組停止工作。在控制器PID的調節(jié)下，根據(jù)試驗箱的實際測量溫度信號與設定溫度之間的差值控制加熱器的輸出功率，試驗箱內溫度逐漸升高。開始時段由于試驗箱內實際溫度與設定溫度相差較大，加熱輸出功率大，升溫速率大。隨著試驗箱內溫度接近設定溫度，加熱器輸出功率減小，試驗箱內的升溫速率逐漸降低，經(jīng)過約2200s， 溫度穩(wěn)定在150℃， 溫度波動不超過±0.3℃.

    圖4為試驗箱低溫工況的降溫曲線，實驗設定溫度條件是-40℃，由于是低溫工況，不控制濕度。制冷系統(tǒng)啟動后，試驗箱內溫度隨時間逐漸降低，開始時段的降溫速率明顯大于后面時段的降溫速率。當試驗箱內溫度接近設定溫度，加熱器在PID控制下開始輸出熱量，溫度逐漸穩(wěn)定，經(jīng)過約3200s，溫度穩(wěn)定在-40℃，溫度波動在±0.2℃以內。

    高溫和低溫工況都是典型的不控制濕度的工況，圖5~圖7是3組典型的溫濕度同時控制條件下的試驗箱溫濕度實驗結果。圖5是溫度設定為20℃、濕度為98%RH高濕工況實驗結果，試驗箱內溫度隨時間逐漸降低并穩(wěn)定，濕度隨時間逐漸上升。實驗開始時段的升濕速率明顯大于后面時段的升濕速率。圖5同時表明溫度穩(wěn)定后濕度也逐漸穩(wěn)定。經(jīng)過約1400s，溫濕度均達到了設定值。溫度穩(wěn)定在20±0.2℃，濕度穩(wěn)定在98±1.0%RH。

    圖6的實驗工況條件是溫度65℃，  濕度為40%RH，是典型的中溫中濕實驗條件。實驗結果表明，試驗箱內溫度隨時間差不多呈線性降低，濕度隨時間先逐漸上升然后逐漸下降。濕度一開始_上升可能是由于試驗箱內溫度降低而除濕沒有及時去除。隨著時間的推移，溫度和濕度逐漸降低，穩(wěn)定在設定值。經(jīng)過約900s，溫度穩(wěn)定在65±0.3℃，濕度穩(wěn)定在40±1.3%RH。

圖7的實驗條件是溫度設定為60℃，濕度為10%RH，屬于低濕實驗工況。試驗箱內溫度隨時間逐漸上升并穩(wěn)定，濕度隨時間逐漸下降并趨于穩(wěn)定。經(jīng)過約400s，溫度和濕度接近于設定值，PID運算減少加熱器的輸出，由于10%RH較低，經(jīng)過一段時間波動后，終經(jīng)過約550s， 溫度穩(wěn)定在60±0.3℃，濕度穩(wěn)定在10±1.5%RH。

    4、結論

    利用近共沸混合制冷劑R404A作為制冷工質的單級蒸氣壓縮制冷，采用PID控制電加熱和蒸汽加濕以及冷熱平衡技術，設計并構建了高低溫交變濕熱試驗箱實驗裝置，實現(xiàn)了-40℃~ 150℃控溫，10%~98%RH控濕的需求。實驗結果表明，在高溫、低溫、高濕、中濕和低濕實驗過程中，系統(tǒng)控溫和控濕過程穩(wěn)定、可靠。在制冷循環(huán)工作過程中，壓縮機的吸氣、排氣壓力分別穩(wěn)定在0.1MPa和0.9MPa左右，壓縮比在合理范圍內。高低溫交變濕熱試驗箱溫度穩(wěn)定偏差不超過±0.3℃，濕度穩(wěn)定偏差不超過±1.5%RH，滿足控制箱的多種工況的需要，  測試結果表明高低溫交變濕熱試驗箱性能良好，控制精度高，可滿足用戶對試驗箱溫濕度控制精度的要求。