Klimatická komora

Klimatická komora  je komora  , která umožňuje přesně simulovat agresivní vlivy prostředí a používá se ve výzkumných institucích, které vyvíjejí zařízení pro strojírenství, ale i obranný a letecký průmysl a vyžaduje vysoce přesné měřicí zařízení pro řízení vlhkost a teplota vzduchu.

Typické kamerové zařízení

Konstrukce

Konstrukčně lze v klimatické komoře rozlišit 4 části: pracovní objem , automatický ovládací panel, chladicí jednotka a vyvíječ páry.

Pracovní objem je proveden ve formě skříně s výměníky tepla umístěnými uvnitř pro zajištění testovacích režimů. Pracovní prostor je vybaven výklopnými dvířky s průhledem a protimrazovým systémem. Aby se zabránilo vnikání vzdušné vlhkosti do pracovního objemu komory, je nutné omezit dobu otevírání dveří při chodu chladicích jednotek.

Tělo kamery je zpravidla namontováno na tuhém rámu kola z ocelového profilu. Aby se zabránilo samovolnému pohybu kamery během provozu, jsou na kolech brzdové destičky. Komory o objemu nad 500 litrů jsou instalovány napevno.

Chladicí jednotka se provádí na odnímatelné montážní desce umístěné uvnitř rámu. Venku je jednotka uzavřena kryty, které poskytují volný přístup vzduchu pro chlazení zařízení chladicího stroje.

Na boční stěně pracovního objemu je instalován automatický ovládací panel , ve kterém jsou umístěny hlavní elektrické zařízení a prvky automatizace. Ovládací prvky jsou umístěny na horním panelu komory, obvykle nad dvířky pracovního objemu.

Obecné informace o provozu kaskádových chladičů [1]

K dosažení teplot pod -50 °C se obvykle používají kaskádové chladiče. Kaskádové chladiče používají dvě pracovní média. Jedním z nich je vysokotlaké pracovní médium (nízkoteplotní pracovní médium). To je způsobeno skutečností, že teoretický objem kompresoru pracujícího při nízkém tlaku je mnohem větší než u kompresoru pracujícího při vyšším tlaku. To vede ke zvýšení investičních nákladů, zvyšuje třecí výkon kompresoru. Navíc při poklesu sacího tlaku se plynodynamické ztráty ve ventilech stanou úměrnými kompresní práci kompresoru . Snižuje také energetickou účinnost chladiče. Jednou z metod, jak snížit objem nízkostupňových kompresorů, snížit výkon pohonu kompresoru, je použití vysokotlakých pracovních látek, jako je freon R23, ethan atd. Při vysokých okolních teplotách však kondenzační tlak např. pracovní látky jsou nadměrně vysoké a jejich použití ve dvoustupňových cyklech nebo třístupňových chladicích strojích je obtížné, proto se takové pracovní látky používají pouze v kaskádových chladicích strojích.

Schéma a cyklus takového chladicího stroje jsou znázorněny na Obr. 1. Stroj se skládá ze dvou jednostupňových strojů, nazývaných spodní a horní větev kaskády. Ve spodní větvi kaskády je použita vysokotlaká pracovní látka, která po přijetí tepla ve výparníku VII z nízkoteplotního zdroje vře (proces 4-1), pára je stlačena v kompresoru 1 (proces 1- 2), ochlazen a kondenzován v kondenzátoru výparníku V (proces 2-3) a poté přiškrcen v škrticím ventilu VI (proces 3-4). Kondenzační teplo pracovní látky spodní větve kaskády odebírá pracovní látka chladicího stroje horní větve kaskády - zpravidla se jedná o pracovní médium středního tlaku, které vře v kondenzátor výparníku . Pára pracovní látky horní větve kaskády je stlačena kompresorem II (proces 5-6), poté je pracovní látka horní větve kaskády odeslána do kondenzátoru III (proces 6-7), přiškrcena v škrticím ventilu IV (proces 7-8) a vstupuje do kondenzátoru-výparníku . Pracovní látka tedy ve stroji spodní větve kaskády dokončuje cyklus 1-2-3-4 a ve stroji horní větve kaskády - cyklus 5-6-7-8, a tyto stroje jsou kombinovány kondenzátor -výparník.

Pracovní látkou spodní větve kaskády je zpravidla R23, proto při odstavení stroje, kdy se teplota všech jeho částí rovná teplotě okolí, výrazně vzroste tlak ve všech prvcích stroje. Aby nedocházelo k nadměrnému nárůstu tlaku v chladicím stroji spodní větve kaskády, je k systému připojena expanzní nádoba VIII, navržená tak, aby při zastavení stroje nepřekročil tlak ve všech prvcích stroje vypočtený limitní hodnota.

V reálných cyklech jsou kaskádové stroje nejčastěji ziskovější než dvoustupňové (někdy i třístupňové). To je způsobeno následujícími výhodami práce s vysokotlakými kapalinami:

Použitím vysokotlakých kapalin v kaskádovém chladicím zařízení lze dosáhnout nižších teplot než ve dvoustupňovém okruhu.

Obecné informace o vlhkém vzduchu a jeho vlastnostech [2]

V klimatické komoře je vzduch podrobován různým typům úprav, při kterých se výrazně mění jeho tepelné a vlhkostní podmínky.

Atmosférický vzduch se skládá ze suché části ( dusík , kyslík , inertní plyny ) a vodní páry . Navíc, pokud je obsah plynů v suché části vzduchu relativně stabilní, pak se množství vodní páry značně liší a závisí na ročním období a místních klimatických podmínkách.

Při zpracovávání vlhkého vzduchu v klimatických komorách se mění množství vodní páry obsažené ve vzduchu, zatímco obsah suchého vzduchu zůstává konstantní. Proto se při výpočtu procesů spojených se zvlhčováním a vysoušením vzduchu používá jednotka vlhkosti, která vyjadřuje poměr proměnlivého množství vodní páry ke stálé hmotnosti suchého vzduchu. Takovou měrnou jednotkou je obsah vlhkosti d (kg / kg), udávající množství vodní páry v 1 kg suchého vzduchu.

Číselné hodnoty d jsou obvykle malé hodnoty, proto je v praktických výpočtech vhodnější použít obsah vlhkosti v g vlhkosti na 1 kg suché části vlhkého vzduchu. Stupeň nasycení vzduchu vodní párou ukazuje fyzikální veličinu zvanou relativní vlhkost Relativní vlhkost W (φ) (v %) . S dostatečnou přesností lze relativní vlhkost vzduchu vypočítat jako poměr obsahu vlhkosti v daném stavu (d) k obsahu vlhkosti při plném nasycení ( dt ) při stejných hodnotách teploty a tlaku:

,%.

Při výpočtech tepelně-vlhkostního stavu vlhkého vzduchu existuje ještě jeden důležitý pojem související s jeho fyzikálním stavem - tím je tepelný obsah, tzv. entalpie I (kJ / kg nebo v kcal / kg při provádění grafo-analytických výpočtů ).

Entalpie vlhkého vzduchu je množství tepla potřebného k ohřátí z 0 °C na danou teplotu takového množství vlhkého vzduchu, jehož suchá část má hmotnost 1 kg.

Entalpie vlhkého vzduchu je součtem entalpií jeho suché části a entalpie vodní páry.

V důsledku konvekčního přenosu tepla suché části vzduchu se teplo předává (nebo z něj odebírá), teplota vzduchu stoupá nebo klesá a podle toho se zvyšuje nebo snižuje jeho entalpie.

Když vodní pára vstupuje do vzduchu z vnějších zdrojů, dochází k přenosu výparného tepla a ke zvýšení entalpie vzduchu. Ke změně entalpie vodní páry v tomto případě dochází v důsledku zvýšení její hmotnosti. Teplota vzduchu zůstává nezměněna.

Identifikační tabulka vlhkého vzduchu

Výpočet změn stavu atmosférického vzduchu vyžaduje složité výpočty. Jednodušší a pohodlnější je výpočet pomocí psychrometrického grafu , jinak nazývaného Id graf (obr. 2).

V souřadnicích Id jsou vyneseny závislosti hlavních parametrů vlhkého vzduchu: teplota, vlhkost, relativní vlhkost, entalpie při daném barometrickém tlaku; kg suchého vzduchu).

Id - diagram je postaven v šikmém souřadnicovém systému s úhlem mezi osami 150 (120°C). Takový systém umožňuje rozšířit oblast nenasyceného vlhkého vzduchu na diagramu, což je vhodné pro grafické konstrukce.

Čáry konstantní entalpie (I=konst) probíhají pod úhlem 150° k ordinátám a čáry konstantního obsahu vlhkosti (d=konst) jsou rovnoběžné s osou pořadnice.

Na takto získanou mřížku, sestávající z rovnoběžníků, jsou vybudovány čáry izoterm t=konst a čáry konstantní relativní vlhkosti φ=konst.

Izotermy jsou přímky a izotermy nejsou vzájemně rovnoběžné, protože úhel jejich sklonu k vodorovné ose je odlišný. Při nízkých teplotách je nerovnoběžnost izoterm téměř nepostřehnutelná. Teplotní čáry zobrazené v diagramu odpovídají hodnotám suchého teploměru.

Křivka s relativní vlhkostí φ = 100 % je sestavena podle tabulek nasyceného vzduchu. Oblast diagramu nad touto křivkou se vztahuje k oblasti nenasyceného vlhkého vzduchu a plocha diagramu pod křivkou nasycení charakterizuje stav přesycení vlhkého vzduchu. V této oblasti nasycený vzduch obsahuje vlhkost v kapalné nebo pevné fázi (mlha). Protože tato část diagramu není zajímavá pro výpočty týkající se vlhkého vzduchu, není vykreslena.

Každý bod na poli diagramu odpovídá určitému stavu vzduchu. Poloha bodu je určena libovolnými dvěma ze čtyř (I, d, t, φ) stavových parametrů.

Procesy paro-vlhkostní úpravy vlhkého vzduchu v Id diagramu

Zvažte charakteristické tepelné a vlhkostní podmínky vzduchu.

Když je stav vlhkého vzduchu charakterizován bodem A (obr. 3) ležícím nad křivkou φ=100 %, je vodní pára ve vzduchu v přehřátém stavu. Pokud je stav vlhkého vzduchu charakterizován bodem A (na saturační křivce φ \u003d 100%), pak je vodní pára ve vzduchu v nasyceném stavu. A konečně, pokud nastavená hodnota A2 leží pod saturační křivkou, pak je teplota vlhkého vzduchu pod teplotou nasycení a vzduch obsahuje mokrou páru, tedy směs suché nasycené páry a kapiček vody.

V projekční praxi se Id diagram používá nejen ke stanovení parametrů stavu vzduchu, ale také k vybudování změny jeho stavu při ohřevu, chlazení, zvlhčování, odvlhčování, míchání, s libovolným sledem a kombinací těchto procesy. Na Id-diagramu lze sestavit další dva parametry, které jsou široce používány ve výpočtech ventilace a klimatizace – teplotu rosného bodu ( rosný bod ) t δ a teplotu vlhkého teploměru t i .

Teplota rosného bodu vzduchu je teplota, na kterou se musí nenasycený vzduch ochladit, aby se nasytil při zachování konstantního obsahu vlhkosti. Pro stanovení teploty rosného bodu je nutné v poli Id - diagram nakreslit přímku rovnoběžnou s osou pořadnice z bodu charakterizujícího daný stav vlhkého vzduchu, dokud se neprotne s křivkou φ = 100 %. Izoterma (přímka t=konst) protínající křivku saturace v tomto bodě (φ=100 %) bude charakterizovat teplotu rosného bodu t δ .

Teplota vlhkého teploměru t i je teplota, kterou nabývá vlhký vzduch, když dosáhne nasyceného stavu a udržuje konstantní entalpii vzduchu rovnou počáteční. Pro určení teploty vlhkého teploměru je nutné nakreslit přímku I=konst na pole Id diagramu bodem odpovídajícím stavu vlhkého vzduchu, dokud se neprotne s křivkou φ=100 %. Izoterma procházející mezním bodem odpovídá teplotě vlhkého teploměru.

Procesy změny tepelného a vlhkostního stavu vzduchu v klimatické komoře probíhají neustále. Vzduch se ohřívá, chladí, zvlhčuje, suší. Procesy související s úpravou vzduchu lze znázornit na Id diagramu.

Procesy přechodu vzduchu z jednoho stavu do druhého na poli Id - diagramy jsou znázorněny přímkami (paprsky) procházejícími body odpovídajícími počátečnímu a konečnému stavu vlhkého vzduchu.

Aplikace identifikačních tabulek

Stav vzduchu se určuje pomocí libovolných dvou z výše uvedených parametrů dostupných na psychrometrické tabulce. Pokud zvolíme jakoukoli teplotu suchého teploměru a jakoukoli teplotu vlhkého teploměru, pak průsečík těchto čar na diagramu je bod, který udává stav vzduchu při těchto teplotách. Stav vzduchu v tomto bodě je indikován zcela jistě. Podobně je stav vzduchu v kterémkoli jiném bodě psychrometrického diagramu určen teplotami suchých a vlhkých žárovek.

Když je v diagramu nalezen určitý stav vzduchu, lze pomocí tohoto diagramu určit všechny ostatní parametry vzduchu. Podobně u psychrometrického grafu stačí k určení stavu vzduchu a všech jeho dalších parametrů libovolné dva parametry směsi vzduchu a vodní páry.

Jak fungují kamerové systémy

Systémy udržování teploty

Typické komory jsou navrženy pro provoz v teplotním rozsahu od -70 do +100ºС. Schopnosti pracovat v tak širokém teplotním rozsahu je dosaženo použitím 3 hlavních jednotek: kaskádový chladicí stroj (od -5 do -70 ºС), jednostupňový chladicí stroj (od +50 do -5 °С) a elektrický ohřívač pracující v celém rozsahu teplot. Schematicky je pracovní objem znázorněn na Obr. čtyři.

Vzduch v pracovním objemu (1) cirkuluje díky použití vysokorychlostního axiálního ventilátoru (3), jehož pohon (2) je instalován v panelu automatizace komory.

Pro chlazení při teplotách od -5 do -70 °C slouží výparník 6 kaskádového chladicího stroje. Pro škrcení chladiva je k dispozici systém kapilárních trubic (7), umístěných přímo na chladicí jednotce. Pro regulaci výkonu lze jednu z trubic vypnout elektromagnetickým ventilem.

Pokud je chladicí výkon kaskádového stroje nadměrný, je kompenzován pomocí topného tělesa (5). Topné těleso ( trubkový elektrický ohřívač ) pracuje v režimu pulzně šířkové modulace podle zákona PID regulace (viz PID regulátor ).

Při provozu v teplotním rozsahu +50 až -5 °C je ohřev prováděn topným tělesem (5), chlazení pomocí výparníku (4) jednostupňového chladicího stroje. Pro škrcení chladiva slouží termostatický expanzní ventil (8), který automaticky reguluje přívod chladiva do výparníku v závislosti na výstupní teplotě. Chladicí stroj přitom pracuje v polohovém režimu, topné těleso pracuje v režimu pulzně šířkové modulace podle zákona PID regulace.

Schéma systémů kompresorové jednotky je na Obr. 5.

Provoz kaskádového chladiče začíná aktivací kompresoru horního stupně (1). Kompresorem stlačený plyn vstupuje do vzduchového kondenzátoru (2), kde se mění na kapalinu a předává teplo do okolí. Kondenzátor je vybaven 2 ventilátory, z nichž jeden se zapíná v závislosti na kondenzačním tlaku horního stupně a zajišťuje tak optimální chod kompresoru. Kapalina z kondenzátoru je přiškrcena v termostatickém ventilu (3), který automaticky reguluje její množství přiváděné do kondenzátoru-výparníku (4). V kondenzátoru-výparníku se teplosměnná plocha ochlazuje a vytvářejí se podmínky pro kondenzaci plynu spodního stupně. Kompresor spodního stupně (5) se zapne po určité době, kdy se v kondenzátoru výparníku vytvoří podmínky pro vysokotlakou kondenzaci plynu.

Plyn stlačený kompresorem prochází předchlazovací sekcí umístěnou ve vzduchovém kondenzátoru (2) prvního stupně a vstupuje do kondenzátoru výparníku (4). Pokud podmínky kondenzace nejsou dostatečné pro přechod spodního stupně do režimu a tlak stoupne nad povolenou úroveň, pak se signálem z tlakového spínače otevře obtokový elektromagnetický ventil (6), který převede horký plyn z výtlaku do kompresoru. sání. Vzhledem k tomu, že jednotka je navržena pro provoz v širokém teplotním rozsahu, nejsou vyloučeny režimy, ve kterých bude pozorováno přehřátí kompresoru nižšího stupně. Aby nedocházelo k přehřívání, je na kompresoru instalováno teplotní čidlo, na signál, ze kterého se otevírá elektromagnetický ventil (7), přivádí kapalinu přes kapiláru (8) do sání kompresoru. V trubici je plyn přiškrcen a vyvařením v sací dutině kompresoru se ochladí. Ventil (7) pracuje v režimu pulzně šířkové modulace podle zákona PID (viz PID regulátor ).

Když kaskádový stroj není v provozu, tlak v nízkém kaskádovém okruhu se vyrovnává. Vysoký tlak ve výparníku je škodlivý pro provoz kompresoru, a proto je omezen regulátorem tlaku v klikové skříni KVL (9).

Kapalina vzniklá v kondenzátoru-výparníku vstupuje do výparníku umístěného v pracovním objemu (obr. 4).

Provoz jednostupňového chladicího stroje je následující. Plyn je stlačován kompresorem (10) na kondenzační tlak. Průchodem vzduchem chlazeným kondenzátorem (11) se plyn mění v kapalinu, která vstupuje do výparníku umístěného v pracovním objemu (viz popis na obr. 4).

Systém automatizace komory provádí výběr zařízení, která se mají zapnout v závislosti na nastavené hodnotě a skutečné teplotě v komoře. K dispozici je 6 teplotních prahů označených T1..T6. Hodnoty teploty uvedené na obr. 6 vpravo jsou specifikovány při zkouškách uvádění do provozu a nepodléhají v budoucnu změnám.

Systémy relativní vlhkosti

K udržení relativní vlhkosti se používá zvlhčovací zařízení: parní generátor a odvlhčovací zařízení: freonová sušička.

Parní generátor je samostatný výrobek určený k výrobě vodní páry převařením vody. Parní generátor je vybaven lokálním automatizačním systémem, který diagnostikuje parní generátor a řídí výstup páry v závislosti na signálu přijatém z regulátoru. Mezi diagnostické funkce: kontrola přítomnosti vody, kontrola stavu topného tělesa, kontrola tvrdosti vody. Pokud je jedna z uvedených závad odstraněna, automatizační systém parního generátoru vydá poplachový signál do řídicího systému komory. Výroba páry je regulována přivedením analogového řídicího signálu (0...10 V nebo 4...20 mA) z regulátoru komory. V závislosti na úrovni tohoto signálu se výkon parního generátoru pohybuje od 0,2 do 2 kg páry za hodinu.

Schéma systémů udržování relativní vlhkosti (obr. 7) funguje v závislosti na nastavení a odečtech teplotních čidel TE a vlhkosti ME. Teplotu udržuje topné těleso (6), které pracuje podle zákona regulace PID. Překročí-li teplota v pracovním objemu nastavenou, začne pracovat jednostupňový chladicí stroj [3] s kompresorem 1 pomocí elektromagnetického ventilu 8, který dodává freon do chladiče 5. Elektromagnetický ventil 8 pracuje v režimu pulzně šířkové modulace . Aby nedošlo k zastavení kompresoru chladicího stroje, když je ventil 8 uzavřen, ventil 9 se otevře a freon vstupuje do výměníku tepla, aby odstranil přebytečnou chladicí kapacitu, kde je kompenzován topným článkem (11).

Relativní vlhkost je udržována pomocí vyvíječe páry, který dodává páru do komory speciálním distribučním potrubím v závislosti na signálu z regulátoru MC, který přijímá informace z čidla vlhkosti ME. Pokud je relativní vlhkost v komoře vysoká, použije se odvlhčovač. Jedná se o spirálu speciální konfigurace (4), na které se vlhkost usazuje ve formě kapiček. Usazená vlhkost je z komory odváděna speciální trubicí. Sušička je dodávána s freonem z jednostupňového chladicího stroje. Elektromagnetický ventil (7) v tomto případě pracuje v režimu pulsně šířkové modulace podle zákona PI regulace. Aby nedošlo k zastavení kompresoru chladicího stroje, když je ventil 7 uzavřen, ventil 9 se otevře a freon vstupuje do výměníku tepla, aby odstranil přebytečnou chladicí kapacitu, kde je kompenzován topným článkem (11).

Typy a jejich vlastnosti

Existuje poměrně široká škála typů klimatických komor, které simulují různé klimatické podmínky (včetně denních výkyvů teploty / vlhkosti, tlaku atd.) Nejběžnější jsou však komory teplo / chlad / vlhkost (TCW) a teplo / chlad (TC) .

Sluneční radiační komora

Komora pro sluneční záření  simuluje vliv slunečního záření na testované materiály. Je určen k posouzení trvanlivosti materiálů a jejich odolnosti vůči ničivým účinkům slunce.

Zdrojem záření jsou obloukové xenonové výbojky v rozsahu od 260 do 780 nm. Výkon lampy se pohybuje od 700 do 5000 wattů. Lampy mají často chladicí systém (voda nebo vzduch). Komory pro sluneční záření QSUN jsou vybaveny jednou nebo třemi lampami. Na rozdíl od povětrnostních měřičů QUV s UV lampami se kamery proti slunečnímu záření QSUN používají pro světlostálost materiálů a povlaků a pro vyhodnocení ztráty barvy.

Kamery proti slunečnímu záření QSUN jsou široce používány v leteckém průmyslu, průmyslu barev a laků, automobilovém průmyslu a textilním průmyslu.

Poznámky

  1. ↑ Na základě materiálů z knihy Chladící stroje, ed. I. A. Sakuna. M.: Mashinostroenie, 1985.
  2. ↑ Na základě materiálů knihy „Ventilační a klimatizační systémy“ vydané nakladatelstvím Euroclimate.
  3. ↑ Systém udržování teploty používá stejný jednostupňový chladič jako režim vlhkosti.

Viz také