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宽温度范围_动态恒温循环试验系统 [2006-12-27]来源:www.chinazedo.com

目前实验室内使用的恒温循环装置主要用于向设备外部提供高温或低温液体热源。该类装置的主要结构包括加热器(和/或制冷器)、循环泵、换热容器以及温度控制装置。现有的恒温循环装置所提供的热源的温度范围较小,应用范围相应较小,其结构也视其温度范围的不同而有变化。

对于-40℃~200℃的温度范围,目前需分别用三种温度循环装置才能覆盖。如果温度范围在室温直到200℃以上,通常需要使用高闪点导热油作为传热介质的循环装置即为高温恒温循环装置。

由于这些装置的温度范围小,如果某一个实验同时需要进行低温和高温处理,当温度范围超出现有设备能够提供的温度范围,或者虽然温度范围符合要求,但实现整个温度范围需要中途更换工作液时,任何一台装置都不能单独完成试验。因此就有可能增加试验的难度,中断试验甚至造成试验失败、无法重复等。

试验专用宽温度范围动态恒温循环系统能够提供低温和高温液体热源的恒温循环装置,为科学研究和分析测试在宽温度范围内实现高精度温度控制或环境模拟提供条件,产品广泛应用于制药、化工、电子、国防军工和航空航天等领域。产品的创新点是线性、正弦设定并混合调用的快速升降温变结构控制,基于一种介质在同一装置上实现-80~280℃范围的动态恒温循环系统。

另外,很多实验为了缩短试验周期,要求按比正常温度变化更快的速率进行模拟变温试验,因此除了对温度波动度有比较高的要求以外,同时希望温度变化的速率要快,而且可以按照一定的规律进行编程。现有的装置一般不能同时兼顾较好的温度波动度较快的温度变化速率。

本产品所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足,提供一种改进的恒温循环装置,它不仅具有很宽的温度范围,在整个温度范围不需要更换传热介质,还能解决高精度恒温和升降温速率之间的矛盾,使其在一个极宽的温度范围内进行连续快速的高精度温度编程模拟试验成为可能。

结构特点

宽温度范围动态恒温循环系统,包括了换热容器、循环泵、储液箱、控制器以及装于换热容器内的加热器,循环泵装于换热容器上,出口管以及进口管分别与用户系统相接,出口管内装有温度传感器,换热容器外部周围包敷有保温材料。

控制器通过线路分别与各传感器、各阀门、循环泵及加热器进行电连接,该产品还包括一个制冷系统,制冷系统的蒸发器装于换热容器内。换热容器由罐体和盖板组成密闭结构,换热容器与循环泵、出口管及进口管构成介质循环系统并与大气隔离,储液箱与换热容器用装有电磁阀的管道接通。

受传热介质的倾点、运动黏度和闪点等限制,目前也很难有一种介质能够在常压下同时满足在最低温度和最高温度范围使用。此外,低温时传热介质容易吸收空气中的水份而使介质凝点提高或浑浊,当温度超过100℃时吸收的水汽又会重新挥发,高温下介质挥发、冒烟和氧化等问题可能造成试验环境恶劣和传热介质在短时间内变质或失效。

采用密闭的换热容器可以很好地解决介质选择的困难问题。换热容器采用了完全密封的结构,隔绝工作介质与外界环境的联系,从而防止介质在低温下冷凝吸收空气中的水分和在高温下介质冒烟、氧化变质等。换热容器的大小按以下原则确定:可以将循环泵泵体、电热器和蒸发器方便地安装,确保换热介质达到最佳的换热效果,升温和降温速率符合用户对热容量的需求。

为了确保整个循环系统密闭,循环泵的结构和密封是解决问题的关键所在。如果循环系统的密闭只是为了解决介质与外界空气隔绝的问题,循环系统内部的压力一般不会超过0.1MPa,采用机械密封的循环泵即可符合要求,但仍然要求机械密封能够长期承受符合装置温度范围要求的高温和低温的连续冲击。

如果循环系统的密闭需要承受0.1MPa以上的压力和温度范围较宽时,本产品采用的是钐钴磁高效率磁力驱动循环泵,其密封的性能可以承受大于1MPa的工作压力,其独特的磁耦合结构降低了电机运转对制冷量的消耗,其最高使用温度可以达到350℃以上。循环泵的流量和扬程的选择在确保用户要求的同时,应考虑所采用介质的运动黏度和换热容器本身换热搅拌的需要

由于循环系统为密闭结构,密闭换热容器通过电磁阀14连接到与大气连通的储液箱内。当循环装置与用户系统连通并开始工作时,换热容器内的介质被不断循环到用户系统,换热容器内的液位下降,从而使循环泵的压力迅速下降。

控制器根据压力的变化确定是否需要向换热容器内补充介质,开启或关闭供液电磁阀14,从而确保换热容器内的介质符合正常工作需要。此外,密闭换热容器上部留有一段空气层,作为高低温变化时的胀缩空间。如果储液箱的液位下降或超过到一定限度,控制系统的液位检测功能能够提示液位异常的信号。

该循环装置与用户系统之间采用可以承受压力和高温、低温的不锈钢波纹管连接,连接部位采用螺纹接口,波纹管外面使用发泡硅胶保温。控制器12主要包括中央控制单元(CPU)、电源电路和输入输出隔离及驱动电路等,设有符合人机对话要求的键盘面板和温度、状态显示器,用于设定和显示装置的控制温度及工作状态。

控制器可以传感温度、液位和压力等信号,控制加热器16功率和膨胀机构13的开度,必要时还可以控制循环泵的流量、冷凝器风扇风量或压缩机功率等。该恒温循环装置利用由微电脑控制的制冷器和加热器来实现降温、升温和恒温。控制器根据温度传感器测量到的温度值和用户设定的目标温度或按一定规律变化的程序控制温度数据来调节制冷器的制冷量控制阀门(电子式膨胀阀)或加热器功率。

工作过程

本装置的工作过程这样进行:首先按要求将循环装置的出口管10-1和进口管10-2与用户系统的入口和出口连接,确认各连接部位连接准确、牢固,并依据温度范围对各部位进行保温处理。

启动循环装置,控制器首先检测到循环泵的压力不足,即需要向循环管添加介质。电磁阀14自动打开,并向管路中充液,这时请注意观察控制器指示的储液箱中的液位状况,必要时及时补充。充液正常后,控制器指示循环管路压力正常,电磁阀自动关闭。

这时控制器将根据设定温度和实际温度的差异大小,控制加热器和膨胀阀的工作。当温度误差较大时,加热器或膨胀阀以最大功率状态工作,并以最快的速度升温或降温;当实际温度接近设定温度时,控制器逐渐减小加热器的功率或膨胀阀的开度,最后控制器将协调加热器和膨胀阀的工作使温度稳定地保持在设定温度点上。

如果设定温度发生改变、外界条件变化或用户系统热负荷发生变化等引起实际温度和设定温度不一致时,控制系统将重复以上过程使温度以最大速率或程序控制的速率达到新的稳定状态。

特点及应用

关于各种高温、低温或常温的恒温循环装置产品都已有文献记载,但是关于本产品的在同一台装置上能够涵盖较宽温度范围和在整个温度范围内不需要更换传热介质的产品在国内还未见报道,尤其是恒温温度范围宽达-80~250℃,具有线性正弦混合编程的连续快速升降温功能,在国际上也处于先进水平。特别是其传热介质的选择相对比较容易,性能价格比要远远优于进口同类设备。

本产品方案的基本思想是精密动态恒温控制,即在实现精密恒温的同时,还具有快速升温或降温的动态控制能力。由于这种控制功能,使得用户按要求进行温度编程控制和连续重复试验成为可能。在恒温稳定以后的75Min时间内,温度波动度没有超出±0.01℃的范围。

如果出现外部扰动如电源电压改变,设定温度改变和用户系统热负荷变化等,控制系统可以在5~10Min左右的时间内将温度控制到设定的温度范围(±0.05℃)。如果动态控制的温度范围很宽,速度很快,接近稳态温度时最大的温度过冲没有超出0.5℃,对某些应用而言可以忽略,在这种情况下,温度稳定几乎是瞬时的。
       
而正弦编程的主要应用包括国防军工、航空航天、岩土工程、药品和农业等与气象有关的领域。“神舟五号”飞船在太空中每90Min环绕地球一圈,期间需要经受180℃的温差考验。

如果按平均速率计算,飞船承受的温度变化速率为4℃/min,但飞船环绕地球所经受的温度变化主要由太阳光线引起,因此飞船承受的温度变化也可以用正弦编程的控温模式来模拟温度的变化,本项目提供的装置对航空航天材料的研究和测试具有重要意义。

为在常年冻土地带修路造桥提供基础数据的岩土冻融循环试验,需要连续模拟一年四季的温度变化,为了缩短试验周期,希望用几分钟的时间模拟一天的温度变化,因此要求试验设备能够以很快的速度升温或降温,而且周而复始地不断循环,在一个试验周期内不允许中断。同样气温的变化也需要按照正弦规律来进行模拟。

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