[技术贴]液氮高低温试验箱设计讲解

二、工作原理

当试验箱需要高温时，设定温度必须高于室温，由内箱体上的红外陶瓷片加热升温，箱内温度达到设定温度时，便自动切断加热电源，停止加热，箱内温度随着试验箱的漏热而慢慢降低,低于设定温度时，又接通电源加热而升温。当试验箱需要低温时,设定温度低于室温，利用液氮的潜热和显热吸热降温。箱内温度高于设定温度,机械泵启动,将液氮从杜瓦瓶中抽入内箱体的蛇形管内，由于箱内温度高于液氮的沸点，液氮在蛇形管内急剧蒸发而吸热，然后，冷的氮蒸汽沿管内继续向前流动，也要吸收箱内的热量，从而获得低温。箱内温度低到设定温度时，便自动断开机械泵电源，液氮停止流入蛇形管内，箱内温度随试验箱的漏热慢慢升高，高于设定温度时，又接通机械泵电源降温。这样，周而复始便可以获得所需要的温度。

三、设计计算

1、绝热层的 设计
绝热层直接影响试验箱的绝热性能。首先，绝热材料要具有很小的热导率,吸水性小，性能稳定，便于成型加工，同时，必须具有一定的耐高温和低温性能。为此，我们选用聚氨酯泡沫塑料作绝热材料,采用整体浇注成型。绝热层的厚度-般以绝热结构的外表面不结露为基本条件，即外表面的温度要高于露点。试验箱为长方体，是平壁形绝热结构。
2、试验箱的热导
试验箱的热传递分两种情况，当箱内温度高于室温时，箱内热量通过绝热层传至箱外，当箱内温度低于室温时，箱外的热量通过绝热层传到箱内。由于绝热层采用整体浇注发泡，箱体口采用两道密封，因此，试验箱的热损主要是绝热层及箱口面的固体导热。
3、加热功率
(1)平衡时的加热功率
试验箱平衡时的加热功率应大于或至少等于其漏热，漏热与箱体内外的温差有关。
(2)起始加热功率
设在起始加热过程中，环境温度不变。起始加热功率决定了试验的温度上升特性。采用通断式控温时,起始加热功率大，箱内温度的超调量大，所控温度的波动增大。在满足升温时间的条件下，尽可能减小起始加热功率。为了兼顾，开始采用大功率加热,待温度快接近设定温度时，改用小功率加热。
4、液氮耗量
液氮高低温试验箱平衡时所需要的冷量至少等于其箱体的漏热，温差为T时的漏热为:
Q= KT
由上式可知，不同的温差所需要的冷量不同，这就要求液氮的流量应随T的变化而变。为了简化结构及控制，我们采用恒定的液氮流量，以液氮通流的时间长短来获得不同的低温温度，箱内温度到-90时所需冷量为Q=58. 4W。
5、蛇形换热 器的设计
绕在内箱体上的蛇形紫铜管，用于液氮和内箱体进行热交换。试验箱制冷时,液氮在蛇形管内总是产生两相流动。当液氮最初进入铜管时，喷到热的管壁上，便急速沸腾,产生强烈的压力振荡,然后冷蒸汽继续流动使铜管得到冷却，由于铜管与内箱体采用锡焊，具有良好的传热，使内箱体也迅速被冷却。为充分利用液氮冷量，必须合理选择蛇管直径和长度,管径较小较长，流动阻力增加，影响降温时间和制冷量。根据液氮耗量和流动阻力估算,据实验结果，蛇形管换热器设计为∅8X0.5mm，长度为11米较佳。