高低溫低氣壓濕熱試驗箱工作原理

它的工作原理可以理解為在恒溫恒濕試驗箱的基礎上，集成了一套強大的“真空系統(tǒng)"，并解決了三者協(xié)同工作時帶來的復雜技術挑戰(zhàn)。

以下是其核心工作原理的詳細分解：

一、核心系統(tǒng)構(gòu)成

相比普通的溫濕度箱，它多了最關鍵的一套系統(tǒng)：

1. 壓力系統(tǒng)（核心新增）：用于創(chuàng)造和維持低氣壓環(huán)境。

• 真空泵：核心部件，用于將箱內(nèi)空氣抽出，降低氣壓。

• 壓力傳感器：實時監(jiān)測箱內(nèi)氣壓。

• 密封箱體：經(jīng)過特殊設計的、能承受巨大內(nèi)外壓差的高強度、高密封性工作室。

• 進氣閥：用于試驗結(jié)束后，平穩(wěn)地向箱內(nèi)注入空氣，恢復常壓。

2. 制冷系統(tǒng)：不僅要實現(xiàn)低溫，還要在低氣壓下高效工作。

3. 加熱系統(tǒng)：實現(xiàn)高溫，通常集成在箱體夾層或風道中。

4. 加濕系統(tǒng)：在常壓和低氣壓下實現(xiàn)加濕（技術難點）。

5. 除濕系統(tǒng)：通常由制冷系統(tǒng)兼任。

6. 控制系統(tǒng)：更復雜的多變量協(xié)同控制器。

二、各環(huán)境模擬的工作原理

1. 低氣壓（真空）創(chuàng)造與控制

• 抽真空過程：

• 關閉試驗箱門（具有高強度密封條）。

• 控制系統(tǒng)啟動真空泵，將工作室內(nèi)的空氣持續(xù)抽出。

• 壓力傳感器實時反饋氣壓值，當達到設定的低氣壓值（如1 kPa，相當于海拔31000米）時，控制系統(tǒng)會調(diào)節(jié)真空泵的功率或通過間歇性啟停來維持壓力穩(wěn)定。

• 恢復常壓過程：

• 試驗結(jié)束后，控制系統(tǒng)關閉真空泵，并緩慢打開進氣閥。

• 外部空氣經(jīng)過濾后，被平穩(wěn)地注入工作室，使壓力平穩(wěn)恢復到正常大氣壓，避免對樣品造成沖擊。

2. 溫度控制（在低氣壓下的挑戰(zhàn)）

• 基本原理與普通試驗箱相同：加熱器加熱，制冷系統(tǒng)降溫。

• 特殊挑戰(zhàn)與解決方案：

• 增強空氣循環(huán)：采用更強大的風機，強制攪動稀薄的空氣，盡可能提高傳熱效率。

• 采用液氮（LN2）冷卻：對于有快速降溫要求的設備，常直接注入液氮進行冷卻，其冷卻能力不依賴于空氣密度，在低氣壓下依然高效。

• 升溫變慢：加熱器功率需要更大。

• 降溫更難：蒸發(fā)器的熱交換效率下降。

• 空氣稀薄，傳熱困難：在低氣壓下，空氣分子數(shù)量急劇減少，依靠空氣對流和傳導的傳熱效率大大降低。這會導致：

• 解決方案：

3. 濕度控制（在低氣壓下的巨大挑戰(zhàn)）

這是該設備技術難度最高的部分之一。

• 挑戰(zhàn)：

• 在低氣壓下，水的沸點會降低。例如，在氣壓為10 kPa時，水大約在45°C就會沸騰。這意味著傳統(tǒng)的鍋爐式蒸汽加濕（需要將水加熱到100°C）在低氣壓下無法正常工作。

• 相對濕度（RH）的定義與溫度、氣壓下的飽和水蒸氣含量有關。氣壓變化，飽和水蒸氣含量也隨之變化，計算和測量模型更為復雜。

• 解決方案：

• 高壓霧化/超聲波加濕：將水打成微米級的細小水霧，直接噴入空氣中，不依賴于水的沸騰。

• 飽和氣體加濕法：先將一股小氣流在常壓下加濕至飽和，然后將這股飽和濕空氣精確地注入到低氣壓的主測試腔內(nèi)。

• 特殊加濕器：采用能夠適應低氣壓環(huán)境的加濕技術，例如：

• 復雜的計算與校準：控制系統(tǒng)內(nèi)置了根據(jù)當前溫度和壓力自動修正濕度設定值和傳感器讀數(shù)的算法。

三、系統(tǒng)協(xié)同工作與典型測試流程

該設備的精髓在于其控制系統(tǒng)能無縫協(xié)調(diào)氣壓、溫度和濕度系統(tǒng)。以一個典型的“高海拔環(huán)境模擬"測試為例：

1. 初始狀態(tài)：箱內(nèi)為常溫、常壓、常濕。

2. 階段一：創(chuàng)造低氣壓環(huán)境

• 真空系統(tǒng)啟動，將箱內(nèi)氣壓降至目標值（如模擬5000米海拔）。

• 此時，溫度系統(tǒng)可能處于待機或維持當前溫度狀態(tài)。

3. 階段二：在低氣壓下進行溫濕度循環(huán)

• 低溫低壓：控制系統(tǒng)啟動制冷系統(tǒng)，在低氣壓環(huán)境下將溫度降至-40°C。由于空氣稀薄，制冷功率和時間需要精確計算。

• 高溫高濕低壓：控制系統(tǒng)先啟動加熱系統(tǒng)，在低氣壓下將溫度升至+60°C。然后，啟動特殊的加濕系統(tǒng)，將濕度提升到95%RH。這個過程需要非常精細的控制，防止水在低溫表面凝結(jié)或沸騰。

4. 階段三：恢復

• 測試結(jié)束，首先停止加濕和加熱/制冷。

• 然后，緩慢打開進氣閥，使氣壓平穩(wěn)恢復至常壓。

• 最后，開門取出樣品。