恒溫恒濕試驗箱的基本原理和故障分析
1. 引言
恒溫恒濕試驗箱是指能同時施加溫度、濕度應力的試驗箱。隨著我國工業產品研制的需要，近幾年來，我國從國外引進了大批試驗系統，為我國工業產品的研制和定型發揮了重要作用。但由于其本身的復雜性，使得試驗箱在運行中出現了許多問題，而且出現了問題不能及時解決，大大延長了試驗周期，影響了產品的研制工作。而產生這些現象的原因是對綜合試驗箱的工作原理不了解。為此，我們對試驗箱的基本工作原理作了一些簡要闡述，并介紹如何對綜合試驗箱試驗設備的故障進行分析和判斷。
2.恒溫恒濕試驗箱的原理：綜合試驗箱由制冷系統，加熱系統，控制系統，濕度系統，空氣循環系統，和傳感器系統等組成， 上述系統分屬電氣和機械制冷兩大方面。下面初步敘述幾個主要系統的工作原理和工作過程：
2.1 制冷系統：制冷系統是綜合試驗箱的關鍵部分之一。一般來說，試驗箱的制冷方式都是機械制冷以及輔助液氮制冷，機械制冷采用蒸氣壓縮式制冷，該制冷方式是人工制冷中應用廣泛而又經濟的制冷方式之一。蒸氣壓縮式制冷型式有：單級制冷、多級制冷和復疊式制冷，它們主要由壓縮機，冷凝器，節流機構和蒸發器組成。由于我們試驗的溫度低溫要達到-55℃，單級制冷難以滿足要求，因此綜合試驗箱的制冷方式一般采用復疊式制冷。下面以意大利ACS公司生產的綜合試驗箱的制冷系統為例作一簡要介紹，圖2為該制冷系統簡化圖。它由兩部分組成，分別稱為高溫部分和低溫部分，每一部分都是一個相對獨立的制冷系統。高溫部分中制冷劑（HP80）的蒸發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則從被冷卻的對象（試驗箱內的空氣）吸熱以獲取冷量。高溫部分和低溫部分之間是用一個蒸發冷凝器聯系起來的，它既是高溫部分的蒸發器，也是低溫部分的冷凝器。ACS試驗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，箱內溫度能達到-70℃。
2.2 加熱系統：試驗箱的加熱系統相對制冷系統而言，是比較簡單的。它主要由大功率電阻絲組成。由于試驗箱要求的升溫速率較大，因此試驗箱的加熱系統功率都比較大，而且在試驗箱的底板也設有加熱器。
2.3 控制系統：控制部分是綜合試驗箱的核心，它決定了試驗箱的升降溫速率，精度等重要指標。現有試驗箱的控制器大都采用PID控制，也有少部分采用PID與模糊控制相結合的控制方式。由于控制系統基本上屬于軟件的范疇，而且此部分在使用過程中，一般不會出現問題，因此，本文不對控制系統作太多的介紹。
2.4 濕度系統：濕度系統分為加濕和除濕兩個子系統。
試驗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空間加濕。這種加濕方法加濕能力強，速度快，加濕控制靈敏，尤其在降溫時容易實現強制加濕。
試驗箱的除濕方式有兩種：機械制冷除濕和干燥器除濕。機械制冷除濕的除濕原理是將空氣冷卻到露點溫度以下，使大于飽和含濕量的水氣凝結析出，這樣就降低了濕度。干燥器除濕是利用氣泵將試驗箱內的空氣抽出，并將干燥的空氣注入，同時將濕空氣送入可循環利用的干燥器進行干燥，干燥完后又送入試驗箱內，如此反復循環進行除濕。現在大部分綜合試驗箱采用前一種除濕方法。后一種的除濕方法，可以使露點溫度達到0℃以下，適用于有特殊要求的場合，但費用較貴。
2.6 空氣循環系統空氣循環系統一般由離心式風扇和驅動其運轉的電機構成。它提供了試驗箱內空氣的循環。
3. 故障的分析判斷
由于試驗箱是一個既有電氣又有制冷機械等多個系統組成的設備，因此，一旦設備出現問題，一定要全面地對整個設備進行檢查和綜合分析。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，根據故障現象，對設備進行先系統分解后系統綜合的分析判斷，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的問題，最后查找是否制冷系統的問題。表1提供了一些常見故障的分析表
故障現象 |
故障原因分析 |
排除故障方法 |
設備不降溫
或降溫緩慢 |
制冷系統制冷劑量不足（漏氟）。
制冷系統管路發生臟堵或冰堵。
向蒸發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。
調整或更換膨脹閥。
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設備升溫緩慢 |
加熱器的熱保險被燒斷。
控制加熱器工作的接觸器損壞。
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更換熱保險。
更換接觸器。
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系統不工作 |
離心式風扇未運轉。
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風扇保險燒壞，更換保險；風扇熱保護，復位保護開關。
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壓縮機不運轉 |
壓縮機的保險燒壞。
電源電壓不夠。
控制壓縮機啟動的接觸器損壞。
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更換保險。
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。
對管路進行干燥或更換膨脹閥。
更換過濾器。
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系統不能加濕 |
1.加濕鍋爐的保險燒壞。
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。 |
1.更換保險。
2.更換接觸器。
3.更換浮子開關或供水。 |
系統不能除濕 |
用于除濕的壓縮機未啟動。
除濕電磁閥不工作。
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1.參照壓縮機不工作的排故方法對照解決。
2.更換電磁閥。 |
4.典型故障分析－－－－－－－－
一試驗箱在-55℃低溫保持階段出現了溫度保持不住的現象，其溫度曲線大致如圖3。
圖2 溫度運行曲線示意圖
對該故障現象進行分析：
1）試驗箱能夠制冷，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，觀察制冷壓縮機在試驗箱運行過程中是否能夠正常啟動，壓縮機在試驗箱運行過程中都能夠啟動，說明從主電源到各壓縮機的電氣線路正常，電氣系統方面也沒有問題。
3） 電氣系統沒有問題，繼續檢查制冷系統。首先檢查兩組制冷機組的排氣和吸氣壓力，發現主機組的低溫（R23）級壓縮機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，說明主制冷機組的制冷劑量不足。用手摸主機組R23壓縮機的排氣和吸氣管路，發現排氣管路的溫度不高，吸氣管路的溫度也不低（未結霜），這也說明了主機組的R23制冷劑缺乏，系統漏氟。
4） 為確定故障原因，結合試驗箱的控制過程進一步確認故障原因，該試驗箱擁有兩套制冷機組，一為主機組，另一為輔助機組。在降溫速率較大時，兩組機組同時工作，在溫度保持階段初期，兩組機組依然同時工作。待溫度初步穩定下來，輔助機組停止工作，由主機組來維持溫度的穩定。如果主機組的R23泄漏，會使主機組制冷效果不大，由于降溫過程中，兩組機組同時工作，故沒有溫度穩定不住的現象，而只是降溫速率降低。在溫度保持階段，一旦輔助機組停止工作，主機組又無制冷作用，試驗箱內的空氣就會緩慢上升，當溫度上升到一定程度，控制系統就會啟動輔助機組來降溫，將溫度下降至設定值（-55℃）附近，然后輔助機組又停止工作，如此反復，便會出現如圖3所示的故障現象。至此，已確認為產生故障的原因是主機組的低溫（R23）級機組的制冷劑R23泄漏。
5） 對制冷系統進行查漏，用檢漏儀和肥皂水相結合的方法檢查，發現是一熱氣旁通電磁閥的閥桿開裂了一約1cm的細縫。更換此電磁閥后，對系統重新充氟，系統運行正常。由上文可以看出，對該故障現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"的脈絡進行分析和判斷的，熟悉和了解試驗箱的原理和工作過程是分析故障和判斷故障的基礎。
5.結束語
綜上所述，只有深入了解試驗箱的工作原理和工作過程，才能迅速地解決試驗箱在運行過程中出現的問題。希望本文能夠對從事環境設備管理運行維護人員有所裨益，共同推動我國環境工程的發展。
