低温低压环境舱压力系统设计

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摘 要：低压环境舱用于模拟不同温度、湿度下低压环境，要求压力满足GJB要求，对压力的稳定性、升降速率都有一定的要求。该文针对0～5 000 m海拔要求，设计了真空系统和复压系统，较好地完成了低温低压环境舱对压力的要求。

关键词：低压环境舱 压力系统 真空系统 复压系统

中图分类号：V235 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）11（b）-0028-02

我国地域辽阔，环境情况多样，是车辆使用环境复杂的国家之一，特别是高原地区海拔最高、面积最大。众所周知，高原海拔高、空气稀薄、昼夜温差大、气候多变、紫外线强、地貌复杂等特点。为了提高产品的开发进度，减少开发费用，在高原实际环境试验之前，一般在人为模拟的高温、高湿、低压、低温环境下进行试验研究。低气压环境仓是一个密封低压舱，一般包括温度控制系统、压力控制系统、新风系统、保护监控系统、湿度控制系统、舱体、热交换系统等。其中压力的实现是由压力控制系统实现的。在控制系统的控制下，真空泵用于负压的建立，通过变频器改变真空泵的转速，实现不同的抽气速度，实现不同压力的建立和保持。

1 压力控制系统设计

高低压环境舱设计参数如下。

模拟环境箱模拟海拔高度变化范围在当地海拔高度0～5 000 m之间，因此压力系统只有真空系统一个部分，真空系统用于模拟高海拔状态下对应的真空度，同时要保证升降压速率要求。压力系统主要由真空泵组、电动调节阀、电动阀组、传感器、截止阀等组成。压力系统原理图如图1所示。

2 真空系统设计

真空系统用来实现低气压、高低温、高湿环境箱所需的低气压环境，系统由真空机组、阀件及其他附属设备组成。压力控制子系统原理如下。

在不同的流动状态下，管道中的气体流量和导气能力计算方法不同，由于在真空抽气过程中湍流的出现时间较短，常常不加以单独考虑，而是将其归入粘滞流态。其他流动状态的判别可用克努曾数λ/d 或管道中平均压力p与几何尺寸d的乘积pd作为判据。

当粘滞流满足λ/d1 Pa・m；中间流满足1/100

根据以上分析，环境箱真空系统在常用工作高度内，主要为粘滞流，因此，系统设计中流导按粘滞流进行计算。

环境箱为单室试验设备，其有效容积约为10 m3，最大工作高度5 000 m（54.0 kPa），高度升降速率按5 m/s计，则箱内海拔高度由当地（按101 kPa）升至5 000 m所需时间最少为1 000 s。

在真空泵的选型计算：

式中：s为泵的计算抽速（m3/h）；V为箱体的最大箱容（L）；t为高度上升时间（s）；P1为箱体初始压力（kPa）；P2为箱体最终压力（kPa）。

一般情况下，泵的名义抽速取泵计算抽速的1.3倍。

式中：S名为指泵的名义抽速（m3/h）；S为指泵计算抽速 （m3/h）。

即按最大上升速率计算所需真空泵的名义抽速为25 m3/h。

3 复压系统设计

需要恢复压力时，中央控制器按最终压力目标或升压速率自动调节真空泵的开启或高真空阀的开闭时间，以达到所需升压速率或最终压力。具体计算如下。

低气压、高低温、高湿环境箱需下降高度时，依靠向舱内补充常压空气实现，因复压速率为182.6 kPa/h，环境箱高度为 54 kPa，高度恢复100 kPa的时间为30 min。

在舱内绝对压力为54 kPa，要使舱内压力升至100 kPa，即将舱室内空气转换为常压状态，假设在此过程中忽略温度变化的影响，根据理想气体定律有：P1V1= P2V2，则变化后的空气量为：

式中：P1为初始压力；P2为终始压力；V1为变化前容积（m3）；V2为标准状态下舱内气体的容积（m3）。

则需要补充的新风量=9.36-4.99= 4.37m3，因舱室高度（海拔）下降到当地海拔高度的时间为30 min=0.5 h，则新风流量为4.37/0.5 =8.74 m3/h。为保证系统具有良好的可调节性能（实现不同的降压速率），因此系统设置电动调节阀进行流量调节（见表1）。

在新风补充的过程中，舱内压力是不断变化的，初始时可资用压力（管道两端压差）远大于空气流动所需的动压，此时流速高于计算流速，实际的风量大于设计流量。因此计算结果完全可以满足下降速率的要求。

4 结语

该低压环境舱实现了海拔高度变化范围为0～5 000 m（54.0 kPa），高度控制精度为±3 kPa（3%～4%）；高度升、降速率≤5 m/s。较好地满足了GJB150A中试验的要求。

参考文献

[1]达道安.真空设计手册[M].国防工业出版社，2014.

[2]施振球，赵廷元.动力管道手册[M].机械工业出版社，1997.