手把手教你設計高低溫實驗箱：原理與熱負荷計算

上海簡戶儀器設備有限公司是一家高科技合資企業,專業生產銷售鹽霧箱、恒溫恒濕機、冷熱沖擊機、振動試驗機、機械沖擊機、跌落試驗機的環境試驗儀器的公司，是一家具有研發生產銷售經營各類可靠性環境試驗設備的公司。經驗豐富，并得到許多國內外廠商的信賴與支持。現在我們成為許多品牌的供應商。

課程概要：

1. 高低溫箱的原理；

2. 高低溫熱負荷計算；

3. 高低溫制冷系統設計表格；

一、高低溫箱原理

高低溫試驗箱是主要通過控制高溫、低溫和濕度來對產品進行檢測。在高低溫試驗箱的內部結構上就有控制相應環境溫度的系統，分為制冷劑循環系統、空氣循環系統和電氣控制系統。他們分別控制高低溫試驗箱箱體內的溫度、濕度和電氣。

高低溫箱的幾種溫度范圍：

A：-40℃~150℃；

B：-60℃~150℃；

C：-70℃~150℃；

由于溫度都比較低，一般高低溫箱都會采用復疊式制冷循環系統，以下為高低溫箱的制冷系統原理圖：

低壓級：R23制冷劑、主要包含低溫壓縮機、油分離器、預冷器、冷凝蒸發器（板換）、節流機構、蒸發器等；

高壓級：R404A制冷劑，主要包含高溫壓縮機、油分離器、冷凝器、節流機構、冷凝蒸發器（板換），最后回到壓縮機。

以上系統是一套最常見的高低溫箱的系統原理圖。

高低溫箱制冷系統的設計，首要就是需要進行熱負荷計算；高低溫箱熱負荷的計算是典型的封閉空間熱負荷計算的方法，我們看以下的示意圖：

二、熱負荷計算：

根據能量守恒定律，我們配置的壓縮機制冷量，只要滿足把封閉空間內的熱負荷去除即可，那么一個封閉空間內的熱負荷主要有哪些呢？

我們根據以上的示意圖，熱負荷主要包括：

1、測試體的熱負荷：從常溫降低到溫度需要的制冷量；

2、隔熱層的熱傳導：無論保溫效果有多好，我們都不能排除箱體一點漏熱都沒有，所以這部分的熱傳導需要計算；

3、門、縫等漏熱：同樣的箱體不可能做到密封，所以需要考慮這部分的漏熱；

4、箱體內結構負荷：箱體內壁一般采用不銹鋼或者花紋板，當箱體內降溫到-70℃的時候，內壁的鋼鐵同樣需要降到-70℃，所以這部分熱負荷也必須考慮；

5、箱體內設備負荷：箱體內可能存在一些降溫的設備（蒸發器、蒸汽管等），這部分同樣需要降到-70℃，需要考慮這部分熱負荷；

6、箱體內發熱體負荷：箱體內存在風機、照明燈等，這部分負荷也需要考慮；

7、箱體內空氣降溫的負荷：箱體內的空氣需要從常溫降低到-70℃，這部分的負荷也需要考慮。

密閉空間內的熱負荷計算，通常我們需要考慮以上幾個部分，這種思路不止適用于高低溫箱體的制冷量計算，同樣適用于其他密閉空間的熱負荷計算，比如冰箱、冷柜、冷庫系統、焓差實驗室等；所以只要吃透了其中一種計算，其他小型制冷設備的熱負荷計算也都可以舉一反三。

為了方便各位學員的學習以及后續實際工作的展開，我們編寫了一個Excel表格用來計算高低溫的制冷量：

我們把剛剛的這些思路，計算過程轉化到Excel表格當中；

藍色部分為手動填寫的部分，橙色部分為自動計算的結果；前面兩大類為高低溫箱的外形尺寸已經溫度要求。

空氣降溫熱負荷Q1計算：

我們只需要計算出初始的焓值和終了的焓值，再乘以空氣的質量，即可計算出空氣的降溫熱負荷。

Q1=58.67W

隔熱層熱傳導與門縫漏熱熱負荷Q2計算：

保溫層可以選擇巖棉或者聚氨酯板，兩者的傳熱系數不同，我們通過查資料手冊，得到內側不銹鋼和外側鋼板的傳熱系數，通過計算得到箱體的傳熱系數K值；門縫的漏熱一般很小（步入式的高低溫箱可忽略不計），我們根據整體的漏熱百分比來估算。

Q2=222.3W

蒸發器等設備降溫熱負荷Q3：

蒸發器整體是放在高低溫箱體內，箱體需要降低到-70℃，蒸發器本體同樣也需要降低到-70℃；計算的時候我們可以先預估下蒸發器的尺寸，把銅管的重量和鋁翅片的重量估算出來（最后設計蒸發器的時候，可以調整這個重量）。但是有一點，該高低溫箱18min需要從20℃下降到-70℃，最早是高低溫箱內空氣的溫度到達這個溫度，蒸發器、鋁鐵負載、內壁等這些會有延遲，并不是18min中內能夠全部達到-70℃，所以有一個系數，我們用“降溫時間/冷透時間"來表示。

箱體內結構負荷熱負荷Q4：

計算方法同Q3；最后結果Q5=733.3W；

其他負載Q6：

其他負載包含：風機或者設備的功率、門框加熱、玻璃窗加熱、額定熱負載、電加熱等負荷。

最后把以上的負荷求和，我們再乘以一個余量1.2；得到最后的結果：

有了這個制冷量，我們就可以根據制冷量，選擇合適的壓縮機了。

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• 上海簡戶儀器設備有限公司是一家高科技合資企業,生產銷售鹽霧箱、恒溫恒濕機、冷熱沖擊機、振動試驗機、機械沖擊機、跌落試驗機的環境試驗儀器的公司，研發生產銷售經營各類可靠性環境試驗設備。經驗豐富，并得到許多國內外廠商的信賴與支持。自公司成立以來,多次服務于國內外大學和研究所等檢測機構,如清華大學、蘇州大學、哈爾濱工業大學、北京工業大學、法國申美檢測、中科院物理所、中科院，SGS等**單位提供實施室方案和設備及其相關服務。努力開發半導體、光電、光通訊、航天太空、生物科技、食品、化工、制藥等行業產品所需的測試設備裝置。公司擁有一支的研發、生產和售後隊伍，從產品的研發到售后服務，每一個環節都以客戶的觀點與需求作為思考的出發點。

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• 簡戶擁有一支的研發、生產和售后服務隊伍，從產品的研發到售后服務，每一個環節都以客戶的觀點與需求作為思考的出發點，目前擁有博士學位2人，碩士5人，參與環境試驗箱國家標準起草和發行。企業制定標準，行業里通過ISO9001。是中國儀器儀表學會會員和理事單位。曾榮獲CCTV《中國儀器儀表20強品牌》殊榮，2010年入駐上海世博會民企館。簡戶自創辦以來，參與3項國家標準起草與制定，獲得40+件原創知識產權、軟著、集成電路)，6次獲得上海科技型中小企業稱號，合作過3200+家合作客戶(其中世界500強高校600家)。
  

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