恒温恒湿箱的创新设计

0  引言
恒温恒湿箱是利用一定的方式将箱内的温度和湿度
 
调节到给定值, 并在该条件下进行实验, 达到实验反应
要求。 即能同时施加温度、 温度应力的试验箱。 在实际
使用过程中发现恒温恒湿箱在实现对温度、 湿度进行高
精度、 高稳定的控制中, 存在耗能多且不便于控制等问
 
题。 例如, 对温度的控制, 在制冷系统全速全功率运行
 
时, 是依靠调整加热量来平衡温度的稳定, 而且是采用
两套独立的制冷系统和除湿系统, 结构复杂, 费用高。
本文从控制温度、 湿度两方面出发, 研制出一种新
型的恒温恒湿箱, 创新点在于: ①制冷系统采用半导体
 
制冷, 制冷量易于调控; ②采用时间比例的通断调节实
现高精度的温度控制; ③通过湿球温度控制箱内的相对
湿度。
1  原有恒温恒湿箱的现状
(1) 制冷系统: 试验箱的制冷方式一般都是机械制
 
冷, 即采用蒸汽压缩式制冷。 它们主要由压缩机, 冷凝
器, 节流机构和蒸发器组成, 制冷剂在蒸发器中不断吸
收空气传给蒸发器的热量而达到制冷目的。
(2) 加热系统: 当箱内空气的温度底于所需温度时,
 
恒温恒湿机的控制系统就接通电加热器,将空气加热,通
 
过风机送**箱内达到加热的目的。
(3) 湿度系统: 试验箱的加湿方式一般采用蒸汽加
湿法, 即将低压蒸汽直接注入试验空间加湿。 这种加湿
方法加湿能力, 速度快, 加湿控制灵敏, 尤其在降温时
 
容易实现强制加湿。 也有采用电极式加湿器。
(4) 传感器系统: 试验箱的传感器主要是温度和湿
度传感器。 温度传感器应用较多的是铂电组和热电偶。
综上所述, 现在的恒温恒湿箱存在两方面的问题:
 
①干湿球法测量精度不高 ,  故难以实现湿度的**控
 
制; ②用制冷系统和加热系统的同时运行来控制温度的
 
 
变化, 耗能且不便**控制。2  新型恒温恒湿箱的技术要求与状态参数
 
(1) 技术要求 : ①内净尺寸 (0.6×0.5×1.5)m;②温度
 
25±2℃, 温度波动度≤±0.5℃, 湿度 50%±5%; ③运行条件为气候类型 SN 连续运行。
 
(2) **空气状态点参数: ①表 1 为空气状态**点的参数表; ②表 2 为详细状态参数表; ③图 1 为空气状态**点 i-d 图。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图 1 空气状态**点 i-d 图
 
Fig.1 The i-d figure of key poings of the air station
 
表 1 空气状态**点的参数表
 
Tab.1 The table of ke y points of the air s tation
 
温度 相对湿 含湿量 湿球温 露点温 分压力
/℃ 度/% g/㎏ 度/℃ 度/℃ /kJ/㎏ /Pa
               
1 23.0 45.0 7.8 15.4 10.4 43.1 1264.3
               
2 23.0 55.0 9.6 16.9 13.5 47.6 1545.2
               
3 27.0 45.0 10.0 18.6 14.1 52.7 1604.7
               
4 27.0 55.0 12.3 20.3 17.2 58.4 1961.3
               
5 25.0 50.0 9.9 17.8 13.9 50.3 1584.1
               
 
    表 2 空气状态点详细参数表    
  Tab.2 The particular table of the air s tation points
             
温度/ 相对湿 含湿量/ 湿球温 露点温 分压力
度/%   g/㎏ 度/℃ 度/℃ /kJ/㎏ /Pa
                 
1 23.00 45.00   7.84 15.42 10.40 43.09 1264.30
                 
2 23.00 55.00   9.63 16.94 13.48 47.60 1545.20
                 
3 24.00 45.00   8.35 16.19 11.35 45.37 134.20
                 
4 24.00 55.00   10.24 17.78 14.41 50.17 1641.00
                 
5 24.50 45.00   8.61 16.59 11.80 46.54 1383.7
                 
6 24.50 55.00   10.55 18.21 14.88 51.49 1691.20
                 
7 25.00 45.00   8.88 16.98 12.25 47.72 1425.6
                 
8 25.00 50.00   9.88 17.82 13.86 50.27 1584.10
                 
9 25.00 55.00   10.88 18.60 15.34 52.83 1742.50
                 
10 25.50 45.00   9.15 17.38 12.70 48.93 1468.70
                 
11 25.50 55.00   11.21 19.50 15.80 54.20 1795.10
                 
12 26.00 45.00   9.42 17.78 13.16 50.15 1512.90
                 
13 26.00 55.00   11.56 19.47 16.27 55.59 1849.10
                 
14 27.00 45.00   10.01 18.57 14.06 52.65 1604.70
                 
15 27.00 55.00   12.28 20.31 17.20 58.44 1961.30


3  技术设计方案
 
(1) 控制参数: 根据控制要求: 温度 25±2℃, 温度波动度≤±0.5 ℃; 相对湿度 50%±5%。
 
温度变化范围是比较宽的, 温度波动较严格; 湿度要求也较高。
 
(2) 恒温恒湿箱的热负荷: 恒温恒湿箱的热负荷主要是设备启动运行时箱内的热容量、 围护结构的传热及漏热, 可根据环境温度决定恒温箱需要制冷或制热, 确
 
定合理优化的控制方案, 可以避免加热系统和制冷系统同时运行。
 
(3) 恒温恒湿箱的湿负荷: 恒温恒湿箱的湿负荷只是设备启动运行时, 箱内的湿负荷和围护结构的少量漏湿量, 箱内没有湿源和吸湿的装置, 恒温箱需要除湿或加湿是由箱内初始空气湿度参数决定的, 加湿和除湿可以不同时工作。 如果围护结构能将漏湿量控制在一定的范围内, 在一个检测周期内就可以不做湿度调整, 例如根据初始空气参数, 将湿度控制在 11.21g/m3 (初始湿度低)或 8.61g/m3(初始湿度高), 将漏湿量控制在(11.21-8.61)×0.45=1.17g, 温度**控制在 25±0.5℃就能保证
 
50%±5%的湿度要求。
 
(4) 分析比较。 根据以上分析, 将启动时箱内和环境温、 湿度与要求的设定值比较, 在**控制下, 可将恒温恒湿的控制简化为制冷加湿、 制冷除湿、 加热加湿、 加热除湿四种模式, 简化控制难度。 用两个控制器分别控制温度及湿度参数即可。
 
(5) 湿度的测控。 湿度可用相对湿度这一物理参数进行测控, 但是由于相对湿度不是直接测量的, 湿度传感器不确定性较大, 且价格高, 在恒温箱的湿度控制系统考虑采用湿球温度作为测控参数。
 
4  系统配置与参数控制
 
综合考虑设备恒温、 恒湿功能要求, 需保证实现制冷、 加热、 加湿、 除湿等 4 种空气处理过程; 系统的运行的可靠性、 经济性、 控制方法实现的难易程度等设备系统配置如下:
 
(1) 制冷系统: 制冷系统采用电子半导体制冷 , 这
 
种制冷方式在温差 t 为 5~10℃时 , 其制冷能效比很高
 
(10 左右), 而且基于制冷方式的特性是对电量的控制 ,易于实现制冷量的**控制。 经试验验证: 采取时间比例控制方案, 制冷运行时温度精度可达 0.2℃。 设备配置: 半导体制冷器 1 块, 规格制冷量 60W 12V 工作电流 8A。
 
(2) 制热系统。 制冷系统基于制冷系统采用半导体制冷, 其热泵运行能效比高, 且其特性也属于电量转换


器件, 易于实现**控制, 为了制造工艺的标准化, 制
 
热采用半导体制冷系统的热泵运行。 为了控制的方便,与制冷系统独立配置。 经试验验证, 采取时间比例控制方案, 制热运行时温度精度可达 0.2℃。 设备配置: 半
 
导体制冷器 1 块, 规格制冷量 60W  12V 工作电流 8A。
 
(3) 除湿系统用制冷除湿方法。 由于除湿所需温度较低, 如: 24℃ 45%RH 露点温度为 11.35, 23.℃ 45% RH 露点温度为 10.4。 要达到需要的除湿效果空气温度需控制到 10.4 以下, 所以除湿系统的设置, 在制冷系统的基础上再增加一套除湿制冷的配置, 运行时制冷系统和除湿制冷系统同时运行以保证除湿所需的低温。 经试验验证: 采用两套半导体装置串联运行可以处理到露点温度以下。
 
(4) 加湿系统。 选用小型超声波器, 因为箱体空间小, 且由于湿参数测控的滞后性, 所以加湿器的加湿能力要小些, 控制方案也采用连续控制, 或设定制两侧不对称的通断控制。 经试验验证, 可以将湿度控制在 5%
 
的范围内。
 
(5) 控制系统。 可采用 PLC 或开发单片机两种方案都是可行的, 根据设备制造要求确定。 控制系统设计 2
 
路检测模拟量, 1 路模拟量测温度, 1 路模拟量测湿球度; 4 路开关量控制温湿度处理系统。 如要求不高也可以考虑简单的温湿度控制仪表。
 
(6) 温度控制 。 温度设定在 25±2℃ 范围内 , 波动控制在±0.5 ℃。 整机温度控制误差在±0.5 ℃范围内, 提
 
高了实验精度 (现有的恒温恒湿箱大部分温度控制精度在±2 ℃), 利用半导体制冷器实现。
 
(7) 湿度控制。 一是用相对湿度作为测控参数 , 相
 
对湿度设定在 50%, 波动范围控制在±5%。 小型超声波加湿器配合以半导体制冷器的除湿作用; 二是用湿球温度作为测控参数, 温度设定在25℃, 波动控制在±0.5 ℃;
 
湿球温度设定在17.8 (参看空气状态参数表: 24.5, 55% RH 湿球温 18.21, 25.5 45%RH 湿球温度为 17.38), 波
 
动控制在 ±0.4 ℃ ,  既可以将箱内湿度控制在要求的
 
50%±5%范围, 采用湿球温度控制更为方便直接。
 
5  结构及控制线路设计
 
(1) 空气热湿处理设备结构设置: 恒温恒湿箱的基本结构分两大部分: 空气处理箱和实验室。 将制冷、 制
 
热、 除湿、 加湿的设备做在一个空气处理箱内, 利用风机实现箱体内的空气循环处理, 这样空气处理系统作为一个独立的部件单元, 使恒温箱整体结构可以灵活布置, 工艺简单。
 
恒温恒湿箱内的空气由风机提供动力, 使空气在空
6  结论
 
新型恒温恒湿试验箱由于采用了半导体制冷其热泵运行能效比高, 且其特性也属于电量转换器件, 通过输入电流的控制, 可实现高精度的温度控制, 再加上温度检测和控制手段, 很容易实现遥控、 程控、 计算机控制, 便于组成自动控制系统。 用湿球温度的通断调节方法可实现对湿度的高精度调节。 实践证明, 该恒温恒湿箱性能稳定, 温湿度控制精度高, 维修、 维护成本低, 节能效果明显, 性能价格比明显优于同类产品, 半
 
导体制冷片的温差范围大, 适用范围广。