Испытания на воздействие пониженной температуры внешней среды

Условия испытаний и применяемое оборудование. Понижение темпе­ратуры изделий в основном происходит под воздействием внешних факторов, которому изделия могут подвергаться в процессах эксплу­атации, хранения и транспортирования.

Для проведения испытаний на воздействие пониженной темпе­ратуры применяют испытательные камеры холода или комбиниро­ванные камеры — тепла и холода; тепла, холода и пониженного ат­мосферного давления; тепла, холода и влаги и т. д.

Конструктивно камеры холода бывают двух видов: шкафные и сун — дучковые. Особенностью сундучковых камер является расположение двери в верхней части камеры (как бы в потолке), что облегчает ее загрузку изделиями больших габаритных размеров и масс.

Комбинированные камеры позволяют испытывать изделия на раз­дельное и одновременное воздействие ряда воспроизводимых факто­ров (холода и пониженного атмосферного давления), а также на воз­действие постепенного изменения температуры (циклическое воздействие температур).

Требования к пределам воспроизводимых температур (диапазону изменения температур) в основном определяются стандартами на испытания различных изделий. Наиболее часто камеры холода ха­рактеризуются диапазоном температур от +25 до —65°С.

Получение пониженной температуры в камере достигается ис­кусственным охлаждением находящегося в ней воздуха двумя спосо­бами: непосредственным и косвенным. Оба способа могут быть ос­нованы на использовании одного из следующих физических процессов: испарения или кипения, плавления или таяния и сублимации. Все указанные процессы протекают с поглощением тепла из окружаю­щей среды. Кроме того, искусственное охлаждение может быть ос­новано на таких физических явлениях, как термоэлектрический эф­фект (эффект Пельтье) и адиабатическое (без теплообмена с внешней средой) расширение газа.

Охлаждение при испарении или кипении за счет поглощения внеш­ней теплоты характеризуется тем, что воспринимаемая извне теплота расходуется на преодоление сил молекулярного сцепления летучих жидкостей и их расширение. Данный способ осуществляется с помо­щью холодильных машин.

Охлаждение при таянии реализуется с помощью естественного льда за счет затрат теплоты извне на его таяние, сопровождающееся изме­нением связей между молекулами вещества и ослаблением сил моле­кулярного сцепления.

Охлаждение в процессе сублимации, т. е. непосредственного пере­хода тела из твердого состояния в газообразное, имеет место при ох­лаждении так называемым сухим льдом, причем теплота расходуется на преодоление сил сцепления молекул вещества и внешнего давле­ния, препятствующего этому процессу.

Охлаждение за счет адиабатического расширения сопровождается работой, совершаемой расширяющимся телом за счет уменьшения его внутренней энергии, приводящей к понижению температуры. Например, адиабатическое расширение воздуха от 0,4 до 0,1 МПа сопровождается понижением температуры от +20 до —75°С.

Охлаждение за счет использования эффекта Пельтье заключается в том, что пропускание постоянного электрического тока через цепь, состоящую из разнородных проводников (полупроводников), приво­дит к возникновению разности температур в месте их соединения, т. е. к более высокой температуре одного спая по отношению к друго­му (холодному) спаю. Количество энергии, переносимое от холод­ного спая к теплому, пропорционально силе тока в цепи термоэле­мента. Разность температур, получаемая с помощью термоэлементов, зависит от материалов ветвей. Достоинством данного способа явля­ется непосредственное использование электрической энергии для пе­реноса тепловой энергии низкого температурного уровня на более высокий (теплая ветвь) без промежуточных устройств.

Наибольшее применение получил способ машинного охлажде­ния, основанный на процессах испарения и кипения. Известно, что согласно второму началу термодинамики для охлаждения теплота дол­жна быть перенесена из охлаждаемой среды в теплую путем затрат извне механической или тепловой энергии. Это достигается с помо­щью так называемых холодильных (термодинамических) циклов, в процессе которых теплота переносится с помощью рабочего тела (ве­щества). На рис. 6.7 в общем виде представлен термодинамический цикл в виде р- Vдиаграммы (давление-объем).

В процессе 1-Д-2 рабочее вещество расширяется и нагревается, затрачивая теплоту окружающей среды и вызывая ее охлаждение, в процессе 2-Ь- рабочее вещество сжимается, а выделяющаяся при этом теплота отводится в окружающую среду (воздух). Осуществле­ние цикла требует внешней механической работы, изображаемой на />—К диаграмме площадью, ограниченной линиями -а-2-Ь-. Если за время цикла рабочее вещество воспринимает от охлаждаемой среды
теплоту в количестве qQ, а на его сжатие затрачивается количество / работы, то в со­ответствии с законом сохранения энергии от него должна отводиться теплота в коли­честве q = q0 + /.

Комплекс технических устройств, осуществляющий холодильный цикл, на­зывают холодильной машиной. В качестве рабочего тела используются различные ве­щества, которые могут находиться в со­стоянии газа или пара. В связи с этим раз­личают газовые и паровые холодильные машины. В газовых холодильных машинах в качестве рабочего вещества применяют только воздух, который во время всего холодильного цикла не изме­няет своего агрегатного состояния. В испытательных камерах газо­вые холодильные машины практически не используются из-за боль­ших размеров, низкого механического КПД, малой теплоемкости воздуха и ряда других недостатков.

В паровых холодильных машинах в процессе холодильного цикла рабочее вещество переходит из парообразного состояния в жидкое или наоборот. В принципе паровые холодильные машины основаны на переносе теплоты из холодной среды в теплую за счет затраты энергии. В них восприятие теплоты из охлаждаемого помещения происходит в результате кипения рабочего вещества, а отвод теплоты — вследствие его конденсации. Для охлаждения окружающей среды с помощью паровой холодильной машины используют систему метал­лических труб или змеевиков, называемую испарителем. В испари­теле рабочее вещество в процессе кипения переходит в парообразное состояние при низких температуре и давлении.

Последующей операцией холодильных машин является отсасы­вание рабочего вещества, находящегося в парообразном состоянии, из испарителя. Оно может реализовываться двумя путями: с помо­щью компрессоров и абсорбционных машин с поглотителями. В ис­пытательных камерах используются паровые компрессионные холодиль­ные машины, в которых одним из главных элементов является компрессор, служащий для отсасывания паров рабочего вещества из испарителя, сжатия и нагнетания его в систему охлаждения. Для ха­рактеристики холодильных компрессионных машин пользуются по­нятием холодопроизводительности (удельной массовой и объемной).

Холодопроизводительностью называют количество теплоты 0Д, ко­торое холодильная машина отнимает за единицу времени от охлажда­емой среды. Она измеряется в ваттах.

Удельной массовой холодопроизводителъностъю qR называется ко­личество теплоты в джоулях, отнимаемое от охлаждаемой среды мас­сой рабочего тела в 1 кг при осуществлении холодильного цикла.

Удельная объемная холодопроизводительность рабочего тела по­казывает, сколько теплоты отводится от охлаждаемой среды объемом паров рабочего тела V= 1 м3, образующихся в процессе кипения.

Энергетическую оценку холодильного цикла можно дать с помо­щью холодильного коэффициента е, представляющего собой отноше­ние 0Д к работе I, затрачиваемой на адиабатическое сжатие рабочего тела массой 1 кг: є = q^/l

Как указывалось, охлаждение достигается применением рабоче­го вещества — холодильного агента (хладагента), который должен удов­летворять следующим требованиям:

1) иметь достаточно низкую температуру кипения (процесс бур­ного парообразования при нормальном атмосферном давлении), что­бы при работе холодильной машины не было разрежения в испарите­ле. Температура кипения и конденсации жидкости является функцией давления, причем чем меньше давление, тем ниже температура кипе­ния. В камерах находят применение хладагенты, легко превращаю­щиеся в жидкость при высоком давлении и температуре окружающей среды. Однако их испарение происходит при низком давлении и тем­пературе ниже окружающей среды. Испарение всегда сопровождается отводом теплоты. Происходящее при испарении увеличение объема хладагента и кинетической энергии молекул при переходе из жидкого состояния в парообразное приводит к изменению внутренней энергии вещества;

2) не иметь высокого давления при температуре конденсации, что потребует повышения прочности холодильной машины, а следо­вательно, увеличит ее массу и стоимость;

3) обладать достаточно большой удельной объемной холодопро- изводительностью, что позволит уменьшить объем цилиндра комп­рессора, а значит, и его размеры;

4) иметь возможно более высокую критическую температуру, при которой он переходит из парообразного состояния в жидкое, с тем чтобы исключить самопроизвольный переход на любом этапе холо­дильного процесса. В первую очередь эта температура должна быть выше температуры охлаждающей воды или воздуха в конденсаторах холодильных машин. Чем выше критическая температура хладаген­та, тем меньше образуется пара;

5) обладать низкой температурой замерзания, исключающей его замерзание в испарителе при определенных температурах кипения;

6) иметь малую плотность, что уменьшает гидравлическое со­противление в трубопроводах и клапанах при его движении, а также потери давления;

7) обладать хорошими теплопередающими свойствами, характе­ризуемыми коэффициентами теплоотдачи и теплопроводности.

Как известно, коэффициент теплоотдачи а зависит от гидроди­намической картины, режима течения и теплофизических свойств хладагента. Коэффициент теплопроводности X главным образом оп­ределяется свойствами хладагента. Он является коэффициентом про­порциональности в формуле, определяющей тепловой поток qm, распространяющийся вдоль некоторого направления z с изменяющей­ся температурой: q—, = — X—S, где — градиент температуры; S —

dz dz

площадь поверхности, расположенной перпендикулярно оси Z-

Знак «-» означает, что направление, в котором возрастает тем­пература, и направление, в котором распространяется теплота, про­тивоположны, т. е. теплота распространяется в направлении убыва­ния температуры;

8) обладать большой скрытой теплотой парообразования и высо­кой удельной теплоемкостью паров. Известно, что при переходе жидкости в газообразное состояние (при испарении) тело покидают наиболее быстрые молекулы, вследствие чего средняя энергия остав­шихся молекул уменьшается и тело охлаждается. В связи с этим желательно, чтобы хладагент обладал большой скрытой теплотой парообразования, т. е. чтобы на парообразование (испарение) затра­чивалось больше теплоты, в результате чего тело сильнее охлажда­лось. При этом пары должны обладать высокой удельной теплоемко­стью, т. е. для повышения их температуры необходимо затратить большое количество теплоты, что также будет способствовать охлаж­дению.

Кроме того, к хладагентам предъявляется ряд дополнительных требований: они должны быть безвредными для здоровья человека; не быть горючими, взрывоопасными; обладать химической стойкостью и инертностью к смазочным маслам и металлам. Хладагенты также должны хорошо растворять воду, поскольку, если влага окажется не — растворенной, то при отрицательной температуре она может замерз­нуть, образовав в системе ледяные пробки, которые могут нарушить циркуляцию хладагента. Помимо этого в присутствии воды многие хладагенты могут оказывать корродирующее действие на металлы. Поставленным требованиям в наибольшей степени отвечают следую­щие хладагенты: аммиак NH3 и фреоны.

Фреоны представляют собой группу фтористых и хлористых про­изводных предельных (насыщенных) углеводородов. Большое раз­нообразие фреонов и их относительно сложные названия привели к внедрению условной системы обозначения. Каждый хладагент в за­висимости от его химической формулы имеет свое числовое обозна­чение, в котором последняя цифра означает число атомов фтора в молекуле данного хладагента; предпоследняя цифра на единицу боль­ше числа атомов водорода в молекуле; третья цифра от конца на еди­ницу меньше числа атомов углерода в молекуле. Для производных метана третья цифра равна нулю, и поэтому они имеют двузначные числовые обозначения. Перед окончательным числовым обозначе­нием хладагента пишут слово «фреон» или только первую букву, на­пример: фреон-12 (дифтордихлорметан CFjC^); Ф-12; фреон-22, Ф-22 (дифтормонохлорметан HF2C1) и т. д.

Нормальная температура кипения различных хладагентов приве­дена в табл. 6.1.

Агент	Химическая формула	Нормальная температура кипения (испарения), К
Аммиак	NH3	239,9
Окись углерода	С02	194,7
Хлористый метил	СН3С1	249,5
Фреон-12	CF2C12	243,35
Фреон-22	chf2ci	232,35
Кислород	О	90,2
Азот	N	78,8

Нормальная температура

:і: 11

ения хладагентов

Таблица 6.1

По способу охлаждения различают камеры с непосредственным и косвенным охлаждением.

Непосредственное охлаждение может осуществляться введением твердого или жидкого хладагента в рабочий объем камеры. В каче­стве твердого хладагента применяют углекислоту, имеющую темпе­ратуру (сублимации) точки замерзания —78,5°С. Поглощая теплоту из окружающего пространства, твердая углекислота нагревается и пре­вращается в безвредный, не вызывающий коррозии газ. Указанный способ охлаждения целесообразно применять при редких и кратков­ременных испытаниях. Недостатками данного способа охлаждения являются непостоянство температуры в камере вследствие плохой теп­лопередачи путем конвекции, а также зависимость температуры в камере от количества, габаритных размеров и масс загруженных в нее изделий. Установка в камеру вентилятора несколько уменьшает эти недостатки. Достоинства такого способа охлаждения — его про­стота, быстрая установка температуры, бесшумность и т. д.

Из жидких хладагентов наиболее широко используют азот, кото­рый может вводиться в камеру вручную и автоматически. В камерах
с автоматической регулировкой вве­дения жидкого хладагента (азота) в рабочий объем (рис. 6.8) в зависи­мости от установленных на задающем устройстве значений пониженной температуры, а также температуры в камере вырабатывается сигнал, подводимый к пусковому устройству 9. Из пускового устройства он по­ступает на реле 8, которое включает нагреватель азотного испарителя 1 и открывает соленоидный вентиль 5. Жидкий азот проходит к воздухоох­ладителю 6, расположенному в ра­бочем объеме камеры. Подача жид­кого азота осуществляется за счет увеличения давления в сосуде Дьюара 2, вызванного его нагревом. Давление контролируется манометром 4. Для ручного дозирования расхода азота служит ручной вентиль 3. Предохранительный клапан 7 предназначен для сброса давления из сосуда Дьюара при аварийном состоянии.

Для обеспечения однородности температуры в любой точке ра­бочего объема камеры и максимального приближения к условиям, существующим в непосредственной близости от контрольных тер­мопреобразователей регулирующих устройств, осуществляют непрерыв­ную циркуляцию воздуха с помощью вентилятора. Для рационального распределения потоков воздуха в рабочем объеме могут использоваться регулируемые жалюзи.

К камерам с непосредственным охлаждением относятся и такие, в которых испарители располагаются во внутренних стенках (рубаш­ке), а также в рабочем объеме. Примером камеры с испарителем, расположенным во внутренней металлической стенке, может служить камера сундучкового типа (рис. 6.9), позволяющая получить макси­мальную минусовую температуру (до —85°С) за относительно корот­кое время. Реализация указанных условий с помощью одноступенча­той холодильной машины оказывается нецелесообразной, так как она должна работать с большой разностью температур конденсации и ки­пения, а следовательно, с большим отношением давления р конден­сации к давлению Pq кипения, что экономически невыгодно. При большом отношении р/р0 снижается холодопроизводительность ма­шины, повышаются потребление энергии, температура хладагента и ухудшаются условия эксплуатации компрессора. Поэтому при р/р0 >9

Рис. 6.9. Сундучковая камера с непосредственным охлаждением за счет расположения испарителя во внутренней металлической стенке с двухсту­пенчатой холодильной машиной: 1 — сундук с теплоизоляцией; 2 — испари­тель; 3 — двойное уплотнение крышки; 4 — крышка; 5— регулятор темпера­туры; 6 — рабочий объем камеры; 7 — вентиль; 8 — маслосборник; 9 — холодильная установка 1-й ступени глубокого охлаждения; 10— магнитный вентиль; 77 — промежуточный охладитель; 12 — холодильная установка 2-й ступени; 13 — конденсатор с воздушным охлаждением

целесообразно применять двух — или многоступенчатое сжатие хлада­гента. В этом случае хладагент сжимается от давления кипения до давления конденсации последовательно по ступеням с промежуточ­ным охлаждением частично сжатых паров. Отношение давления на­гнетания к давлению всасывания хладагента в каждой ступени холо­дильной машины меньше отношения давлений р/р0, между которыми осуществляется цикл двух- или многоступенчатой машины.

При двухступенчатом сжатии пары хладагента из испарителя 2 засасываются в цилиндр 9 первой ступени холодильной машины, сжимаются в нем по адиабате до промежуточного давления, нагнета­ются в водяной охладитель 77 и далее направляются во вторую сту­пень, где холодильная машина (компрессор) 12 сжимает их до давле­ния конденсации. После этого пары хладагента, попав в конденсатор 13, конденсируются и в жидком состоянии, пройдя дросселирую­щий вентиль 7, подводятся к испарителю 2.

В камерах с непосредственным охлаждением или нагревом за счет циркуляции холодного или теплого воздуха (рис. 6.10) испари-

тель, нагреватель и вентилятор располагаются так, чтобы при прину­дительной циркуляции воздух проходил вдоль стен камеры, а затем попадал в пространство за специальной стенкой с отверстиями, где восстанавливал бы свои свойства.

В камерах с косвенным охлаждением испаритель помещают в специальный объем, который называют хладообменником. В нем осу­ществляется охлаждение промежуточной среды (в общем случае на­зываемой термоносителем, а в частном случае хладоносителем), пред­назначенной для переноса теплоты от охлаждаемого тела к кипящему в испарителе хладагенту.

В качестве жидких термоносителей в камерах применяют веще­ства, удовлетворяющие требованиям, аналогичным тем, которые предъявляются к хладагентам: низкая температура замерзания (/э), малая вязкость, большая теплоемкость и теплопроводность, неток — сичность, взрывобезопасность, нейтральность к конструкционным материалам и т. д. В качестве термоносителей могут использоваться водные растворы солей (рассолы): хлорида натрия (/3<—15°С), хло­рида магния (ґ3<—27°С), хлорида кальция (/3<—45°С). В низкотем­пературных камерах могут применяться антифризы и фреоны, такие

как водные растворы пропиленгликоля (/3<47°С), этиленгликоля (/3<—60°С), фреон-30 (/3<—90°С) и фреон-11 (/3<-100°С).

Хладообменник представляет собой бак, заполненный жидким хладоносителем, в который помещен испаритель, обеспечивающий охлаждение жидкого хлад о носителя. Для термической изоляции бак хладообменника окружен слоем термоизоляции (например, пенопла­стом). Измерение и регулировка температуры хладоносителя осуще­ствляются с помощью термометров сопротивления и специальных тер­мореле. Регулировка температуры и давления хладагента, подводимого к испарителю, осуществляется с помощью терморегулирующего вен­тиля, а также соленоидных вентилей. Соленоидный вентиль (рис. 6.11)

Рис. 6.11. Соленоидный вентиль: 1 — корпус катушки; 2 — катушка; 3 — направляющая втулка; 4— якорь; 5— тарелка клапана; 6— мембрана; 7— главное сопло

обеспечивает поддержание постоянства давления в трубопроводах. В зависимости от подаваемой команды (наличия или отсутствия тока в обмотке) соленоидный вентиль оказывается открытым или закрытым. При подаче команды мембрана перемещается вверх, открывается ком­пенсационное отверстие и давление в трубопроводе снижается.

Методы испытаний на воздействие пониженной температуры и инея. Испытаниям на воздействие пониженной температуры подвер­гаются как тепло-, так и нетепловыделяющие изделия. Целью испы­таний является определение пригодности изделий к эксплуатации, транспортированию или хранению при воздействии пониженной тем­пературы. В условиях воздействия пониженной температуры, а так­же после пребывания в указанных условиях проводят проверку значе­ний параметров и (или) внешнего вида изделий для установления их соответствия требованиям. Если некоторые узлы имеют более высо­кую температуру, чем испытуемые изделия, то целесообразно про­водить испытания на воздействие предельной пониженной темпера­туры. При испытании в этом случае тепловыделяющих изделий перенос теплоты происходит от изделия через монтажное приспособ­ление к стенкам камеры. Наихудшим вариантом охлаждения тепло­выделяющего изделия в камере является тот, при котором теплооб­мен монтажного приспособления со стенками камеры за счет высокой теплопроводности наиболее интенсивен.

При выборе объема камеры и определении расположения изделий в ней необходимо учитывать, являются ли эти изделия тепловыделяю­щими или нет. Очевидно, что при испытании тепловыделяющих из­делий их тепловое рассеяние будет влиять на процесс охлаждения. Испытания аппаратуры и средств измерений осуществляют без упа­ковки в готовом для эксплуатации состоянии.

Аппаратура, имеющая температуру окружающей среды, поме­щается в камеру с той же температурой. Затем в камере устанавлива­ется температура, равная заданной. Скорость понижения температу­ры не должна превышать ГС мин"1, причем она определяется как среднее значение за период не более 5 мин. Рекомендуемая продол­жительность испытаний аппаратуры на хранение 16 или 72 ч, если в нормативной документации не оговаривается другой период времени.

При испытании аппаратуры для оценки ее работоспособности в процессе эксплуатации она подвергается воздействию пониженной температуры до наступления температурного равновесия, после чего аппаратуру включают и проверяют значения параметров, предусмот­ренные нормативной документацией. Затем аппаратуру отключают и подвергают воздействию пониженной температуры в течение после­дующих двух часов. По завершении указанной выдержки находящая­ся в камере аппаратура включается вновь, и после достижения состо­яния установившегося режима проводятся измерения ее электрических параметров, проверка механических свойств и внешнего вида.

В заключение аппаратура выключается и подвергается восста­новлению. Температура постепенно повышается до значений, соот­ветствующих нормальным атмосферным условиям. Аппаратура дол­жна оставаться в камере до момента, когда температура в ней не превысит точки замерзания. Далее с аппаратуры любым способом (встряхиванием, обдуванием воздухом и т. д.) удаляются капли воды. После этого аппаратура находится в нормальных атмосферных усло­виях в течение времени, необходимого для достижения температур­ного равновесия.

Указанные испытания допускается совмещать с испытанием на воздействие изменения температуры среды.

Для конкретных типов аппаратуры могут оговариваться опреде­ленные отклонения от данной методики, касающиеся установления времени восстановления, проверки электрических параметров и ме­ханических свойств после периода восстановления и т. д.

Испытания на воздействие инея проводят в целях проверки спо­собности изделий выдерживать приложение номинального электри­ческого напряжения при конденсации на них инея. Испытания про­водят в камере холода, обеспечивающей возможность установления температуры (-20 ± 5 )°С. Продолжительность испытаний составляет 2 ч, если в нормативной документации не указано иное время. Пос­ле извлечения изделия из камеры его помещают в нормальные кли­матические условия, подают на него электрическое напряжение и выдерживают до полного оттаивания инея. Время выдержки, питаю­щие напряжения, методы контроля и другие параметры предусмат­риваются нормативной документацией на соответствующие изделия. Если в процессе выдержки изделия под электрическим напряжением в нем не произошло пробоя или поверхностного перекрытия, а вне­шний вид соответствует требованиям, то его признают выдержавшим испытание.