低溫低壓環境艙壓力系統設計

王云開++夏遠哲++李健

摘 要：低壓環境艙用于模擬不同溫度、濕度下低壓環境，要求壓力滿足GJB要求，對壓力的穩定性、升降速率都有一定的要求。該文針對0～5 000 m海拔要求，設計了真空系統和復壓系統，較好地完成了低溫低壓環境艙對壓力的要求。

關鍵詞：低壓環境艙 壓力系統 真空系統 復壓系統

中圖分類號：V235 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）11（b）-0028-02

我國地域遼闊，環境情況多樣，是車輛使用環境復雜的國家之一，特別是高原地區海拔最高、面積最大。眾所周知，高原海拔高、空氣稀薄、晝夜溫差大、氣候多變、紫外線強、地貌復雜等特點。為了提高產品的開發進度，減少開發費用，在高原實際環境試驗之前，一般在人為模擬的高溫、高濕、低壓、低溫環境下進行試驗研究。低氣壓環境倉是一個密封低壓艙，一般包括溫度控制系統、壓力控制系統、新風系統、保護監控系統、濕度控制系統、艙體、熱交換系統等。其中壓力的實現是由壓力控制系統實現的。在控制系統的控制下，真空泵用于負壓的建立，通過變頻器改變真空泵的轉速，實現不同的抽氣速度，實現不同壓力的建立和保持。

1 壓力控制系統設計

高低壓環境艙設計參數如下。

模擬環境箱模擬海拔高度變化范圍在當地海拔高度0～5 000 m之間，因此壓力系統只有真空系統一個部分，真空系統用于模擬高海拔狀態下對應的真空度，同時要保證升降壓速率要求。壓力系統主要由真空泵組、電動調節閥、電動閥組、傳感器、截止閥等組成。壓力系統原理圖如圖1所示。

2 真空系統設計

真空系統用來實現低氣壓、高低溫、高濕環境箱所需的低氣壓環境，系統由真空機組、閥件及其他附屬設備組成。壓力控制子系統原理如下。

在不同的流動狀態下，管道中的氣體流量和導氣能力計算方法不同，由于在真空抽氣過程中湍流的出現時間較短，常常不加以單獨考慮，而是將其歸入粘滯流態。其他流動狀態的判別可用克努曾數λ/d 或管道中平均壓力p與幾何尺寸d的乘積pd作為判據。

當粘滯流滿足λ/d<1/100的條件時，pd>1 Pa·m；當中間流滿足1/100<λ/d<1/3的條件時，0.03 Pa·m

根據以上分析，環境箱真空系統在常用工作高度內，主要為粘滯流，因此，系統設計中流導按粘滯流進行計算。

環境箱為單室試驗設備，其有效容積約為10 m3，最大工作高度5 000 m（54.0 kPa），高度升降速率按5 m/s計，則箱內海拔高度由當地（按101 kPa）升至5 000 m所需時間最少為1 000 s。

在真空泵的選型計算：

式中：s為泵的計算抽速（m3/h）；V為箱體的最大箱容（L）；t為高度上升時間（s）；P1為箱體初始壓力（kPa）；P2為箱體最終壓力（kPa）。

一般情況下，泵的名義抽速取泵計算抽速的1.3倍。

式中：S名為指泵的名義抽速（m3/h）；S為指泵計算抽速 （m3/h）。

即按最大上升速率計算所需真空泵的名義抽速為25 m3/h。

3 復壓系統設計

需要恢復壓力時，中央控制器按最終壓力目標或升壓速率自動調節真空泵的開啟或高真空閥的開閉時間，以達到所需升壓速率或最終壓力。具體計算如下。

低氣壓、高低溫、高濕環境箱需下降高度時，依靠向艙內補充常壓空氣實現，因復壓速率為182.6 kPa/h，環境箱高度為 54 kPa，高度恢復100 kPa的時間為30 min。

在艙內絕對壓力為54 kPa，要使艙內壓力升至100 kPa，即將艙室內空氣轉換為常壓狀態，假設在此過程中忽略溫度變化的影響，根據理想氣體定律有：P1V1= P2V2，則變化后的空氣量為：

式中：P1為初始壓力；P2為終始壓力；V1為變化前容積（m3）；V2為標準狀態下艙內氣體的容積（m3）。

則需要補充的新風量=9.36-4.99= 4.37m3，因艙室高度（海拔）下降到當地海拔高度的時間為30 min=0.5 h，則新風流量為4.37/0.5 =8.74 m3/h。為保證系統具有良好的可調節性能（實現不同的降壓速率），因此系統設置電動調節閥進行流量調節（見表1）。

在新風補充的過程中，艙內壓力是不斷變化的，初始時可資用壓力（管道兩端壓差）遠大于空氣流動所需的動壓，此時流速高于計算流速，實際的風量大于設計流量。因此計算結果完全可以滿足下降速率的要求。

4 結語

該低壓環境艙實現了海拔高度變化范圍為0～5 000 m（54.0 kPa），高度控制精度為±3 kPa（3%～4%）；高度升、降速率≤5 m/s。較好地滿足了GJB150A中試驗的要求。

參考文獻

[1]達道安.真空設計手冊[M].國防工業出版社，2014.

[2]施振球，趙廷元.動力管道手冊[M].機械工業出版社，1997.