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气候环境实验室的稳定性分析

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摘要:气候环境实验室的中高温载冷剂选用AS-6,采用温度冲击环境箱对载冷剂进行高、低温循环试验,测量其循环前后的物性参数,判断载冷剂的稳定性。载冷剂在经历20次高、低温循环试验后,其物性参数的变化都在实验室环境模拟系统设计时所选用参考设计值的范围内,所以认为载冷剂稳定。载冷剂黏度相对于其它参数变化较大,需要在后期试验中进行监测,并针对黏度过大,采取合适的补救措施。

关键词:制冷剂;载冷剂;稳定性;黏度

1引言

随着我国航空装备的快速发展,需要研制大量的不同功能、不同任务需求的航空武器装备。未来对航空武器装备的环境适应性要求越来越高,气候环境模拟试验也越来越广泛。室内气候环境试验可以考核飞机的气候环境适应性,缩短试验周期、控制试验条件、实现试验的可重复性[1]。近年来,兵器工业、航天系统相继建立了环境模拟实验室,考核设备在极端气候环境条件下的环境适应性。为考核系统装备而建立的大型气候环境实验室,体量在1000m3量级,适用于航空装备、汽车、火车等的气候环境试验,能够模拟高温、低温、湿热、日照、降雨、降雾、冻雨、大风、降雪等自然气候环境[2]。气候环境实验室的温度范围为-55℃~+74℃[3],由于实验室所需要的试验温度范围宽,不同试验工况负荷变化很大,要求制冷系统的制冷量能在较大温度范围内调节。考虑到实验室的安装及设计等要求,选择了复叠式制冷系统[4]与载冷系统联合运行的制冷方式。载冷系统中的载冷剂作为气候环境实验室能量输送的载体,在整个能量传递过程中起着举足轻重的作用[5]。通过多次比较分析,气候环境实验室的中高温载冷剂选用AS-6。AS-6的冰点为-55℃,使用温度范围为-50℃~+100℃。低温载冷剂选择二氯甲烷,其使用温度范围为-70℃~+40℃。由于实验室设备的所有型号配置在实验室建设完成后已经确定,如果载冷剂性能不够稳定,在传热过程中性能发生变化,将会使传热效果受到影响,从而影响实验室的升、降温速率。载冷剂黏度变大需要泵提供更大的动力,有可能出现泵动力不足的情况。载冷剂性能的变化也有可能造成管道腐蚀,从而导致整个系统的渗漏等。由于实验室的中高温载冷剂采用有机物合成,性能的稳定性需要采用试验方法得以验证。为了保证系统运行的稳定性以及载冷剂的传热效果,需要对载冷剂在经历高、低温交变过程后的物理特性进行测量[6]。

2气候实验室载冷剂的运行方式

载冷剂在实验室的循环风系统[7](AHU)和发动机开车空气补偿系统(JMAU)中的运行如图1所示。在气候环境实验室中进行飞机发动机试验时,需消耗大量冷/热空气,导致室内温度急剧上升/降低。因此,需及时向室内补充冷/热空气,使室内温度处于恒定状态。实验室如果采用直接制冷或者直接蒸汽加热的方式对空气进行处理补气,满足不了实验室在短时间内处理大量空气所需要的冷量或热量,需要采用载冷剂来进行蓄冷或者蓄热。为了便于控制及管理,在气候环境实验室的循环风处理单元、发动机开车空气补偿单元中都采用载冷剂来向空气传递冷量或者热量[8-10]。实验室的循环风通道采用并联方式,载冷剂在A通道和B通道运行方式相同。在室内要求工况温度为-55℃~-25℃时,二氯甲烷将复叠制冷系统低温级的冷量输送到循环风处理单元(AHU)或发动机开车空气补偿单元(JMAU)中的制冷换热器,用于冷却环境室送风或补偿空气。当试验要求室内工况温度为-25℃以上,且实验室进行负温试验(实验室试验温度低于外界环境温度)时,AS-6将复叠制冷系统高温级的冷量输送到循环风处理单元(AHU)或发动机开车空气补偿单元(JMAU)的制冷换热器,用于冷却循环风或补偿空气;实验室进行正温试验(实验室试验温度高于外界环境温度)时,将蒸汽热量输送到AHU或JMAU中的加热换热器,用于加热环境室送风或补偿空气。

3载冷剂的稳定性分析

二氯甲烷作为低温载冷剂,属于比较成熟的产品,而AS-6属于新研发的有机物合成产品,需要进一步考核其稳定性和腐蚀性,对其性能参数和经历高、低温循环后的性能参数进行对比分析,根据误差判断其稳定性。为了使试验模拟后测得的数据更加真实有效,对循环次数进行了确定。气候环境实验室拟1年进行两次气候试验,现需要测定使用10年后的载冷剂的物性参数,以判断其稳定性。等效为载冷剂经历20次最高温(+90℃)和最低温(-40℃)。利用温度冲击试验箱对试验件施加温度环境,考虑到环境箱内的温度上升和下降速率不能太大,确定试验的环境谱如图2所示。环境箱内温度从常温先升至高温50℃,保持5min,再升至90℃,保持15min,再降至常温,保持5min,再降温至-40℃,保持15min,最后回到常温。此循环重复20次。载冷剂的黏度对基础环境模拟系统泵的动力要求较高,如果黏度由于载冷剂使用循环次数变多而变大,按照原参数设计计算的泵的动力将会不足,所以黏度作为载冷剂的参数之一,在试验中要尤为关注。载冷剂的导热系数将会影响传热效果以及传热时间,而比热和导热系数息息相关,所以重点关注导热系数。在测量黏度和导热系数时,选取的温度点较多,分别为90℃、60℃、20℃、0℃、-20℃、-35℃、-40℃(90℃为载冷剂所需要达到的最高温度,-40℃为载冷剂使用中需要达到的最低温度)。对于密度和比热的测量,由于不是物性参数测量重点关注,仅选取90℃和-40℃两个温度点。由于需要测量-40℃载冷剂的黏度,而且密度也要同时测量,所以考虑采用振动弦测量方法。此方法测量液体黏度时,不需要液体的整体流动,而且所需试样较少。导热系数的测量采用瞬态热线法,冰点的测量采用冰点测试仪进行测量,参考标准SH/T0090-1991《发动机冷却液冰点测试标准》。在进行高、低温试验前,对载冷剂进行密度、导热系数、比热、黏度、冰点的测试。经历20次高、低温循环后,取出载冷剂,对载冷剂进行相同温度下的物性参数测试,并比较测试结果。AS-6在试验前后的物性参数变化如表1和表2所示。比较发现,导热系数、比热、密度在试验前后的误差都在2%以内,而黏度误差在15%以内,但是黏度也小于30MPa•s,在系统的设计参数范围内。鉴于只取了20次循环试验后的样品,黏度在循环次数大于20次后,可能会超出30MPa•s,所以在后期的使用过程中,需要定期取样对其黏度进行监测。如果黏度过高,需要重新调配样品中的有机物比例,使其在合理的范围内。

4总结

本文对大型气候环境实验室所用的载冷剂进行了高、低温循环试验,并对试验前后的载冷剂的物性参数进行了分析,以确定实验室所用载冷剂的稳定性,对同类大型气候环境实验室制冷系统的制冷剂和载冷剂的选择具有一定的指导意义。

参考文献

[1]刘坤,张保军.综合气候环境试验室载冷剂方案选择研究[J].2016,13(5):105-110.

[2]刘海燕.大型气候环境实验室空气处理系统方案探讨[J].装备环境工程,2014,11(5):107-113.

[3]唐虎,李喜明.飞机气候试验[J].装备环境工程,2012,9(1):60-65.

[4]张科,周志刚,吴兆林.两级复叠低温制冷机组制冷剂的替代[J].低温工程,2009,(6):37-40.

[5]解国珍,姜守忠,等.制冷技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

[6]昝世超,钟瑜,等.乙二醇在制冷系统中的腐蚀及防护研究[J].制冷与空调,2012,12(2):77-80.

[7]唐虎,刘海燕,等.气候环境实验室总体技术要求[M].西安:中国飞机强度研究所.

[8]孙来燕,黄本诚,成致祥,等.大型空间环境试验设备中的低温技术[J].低温工程,1999,(4):218-223.

[9]戴海风,刘妮,陈伟军.第二制冷剂及其制冷系统的应用[J].制冷技术,2012,40(5):85-88.

[10]金苏敏.制冷技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2001:25-30.

[11]杨明明,孙志高.新型石蜡乳液冰浆制备与性能实验研究[J].制冷学报,2017,38(5):47-48.

[12]张龙明,李璞,李娜,等.混合量热法测定水合物浆体蓄冷密度[J].制冷学报,2014,35(6):47-52.

作者:张惠 吴敬涛 刘海燕 单位:中国飞机强度研究所

气候与环境研究杂志责任编辑:张雨    阅读:人次

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