Cámara climática

La cámara climática  es una  cámara que le permite simular con precisión los efectos agresivos del medio ambiente y se utiliza en instituciones de investigación que desarrollan equipos para ingeniería mecánica, así como en las industrias de defensa y aviación, y requiere un dispositivo de medición de alta precisión para controlar humedad y temperatura del aire.

Dispositivo de cámara típico

Construcción

Estructuralmente , se pueden distinguir 4 partes en la cámara climática : volumen de trabajo , panel de control automático, unidad de refrigeración y generador de vapor.

El volumen de trabajo se realiza en forma de armario con intercambiadores de calor colocados en su interior para garantizar los modos de prueba. El volumen de trabajo está equipado con una puerta batiente con una ventana de visualización y un sistema de protección contra heladas. Para evitar la entrada de humedad atmosférica en el volumen de trabajo de la cámara, es necesario limitar la duración de la apertura de la puerta cuando las unidades de refrigeración están funcionando.

El cuerpo de la cámara , por regla general, está montado en un marco de rueda rígido hecho de perfil de acero. Para evitar el movimiento espontáneo de la cámara durante el funcionamiento, hay pastillas de freno en las ruedas. Las cámaras con un volumen de más de 500 litros se instalan de forma permanente.

La unidad de refrigeración se lleva a cabo en una placa de montaje extraíble ubicada dentro del marco. En el exterior, la unidad está cerrada con carcasas, proporcionando libre acceso de aire para enfriar los dispositivos de la máquina de refrigeración.

Se instala un panel de control automático en la pared lateral del volumen de trabajo , en el que se encuentran los principales equipos eléctricos y elementos de automatización. Los controles están ubicados en el panel superior de la cámara, generalmente arriba de la puerta del volumen de trabajo.

Información general sobre el funcionamiento de enfriadores en cascada [1]

Para obtener temperaturas inferiores a -50 °C, se suelen utilizar enfriadores en cascada. Los enfriadores en cascada utilizan dos medios de trabajo. Uno de ellos es un medio de trabajo de alta presión (medio de trabajo de baja temperatura). Esto se debe al hecho de que el volumen teórico de un compresor que funciona a baja presión es mucho mayor que el de un compresor que funciona a una presión más alta. Esto conduce a un aumento en los costos de capital, aumenta la fuerza de fricción del compresor. Además, cuando la presión de succión disminuye, las pérdidas dinámicas de gas en las válvulas se vuelven proporcionales al trabajo de compresión del compresor . También degrada la eficiencia energética del enfriador. Uno de los métodos para reducir el volumen de los compresores de etapa baja, reduciendo la potencia de accionamiento del compresor es el uso de sustancias de trabajo a alta presión, como freón R23, etano , etc. Sin embargo, a temperaturas ambiente altas, la presión de condensación de tales sustancias de trabajo es excesivamente alto y su uso en ciclos de dos etapas o máquinas de refrigeración de tres etapas es difícil Por lo tanto, tales sustancias de trabajo se usan solo en máquinas de refrigeración en cascada.

El esquema y el ciclo de una máquina de refrigeración de este tipo se muestran en la Fig. 1. La máquina consta de dos máquinas de una sola etapa, llamadas ramas inferior y superior de la cascada. En la rama inferior de la cascada, se utiliza una sustancia de trabajo a alta presión que, al recibir calor en el evaporador VII de una fuente de baja temperatura, hierve (proceso 4-1), el vapor se comprime en el compresor 1 (proceso 1- 2), enfriado y condensado en el condensador del evaporador V (proceso 2-3), y luego estrangulado en la válvula de mariposa VI (proceso 3-4). El calor de condensación de la sustancia de trabajo de la rama inferior de la cascada lo toma la sustancia de trabajo de la máquina de refrigeración de la rama superior de la cascada; por regla general, este es el medio de trabajo de presión media, que hierve en el condensador del evaporador . El vapor de la sustancia de trabajo de la rama superior de la cascada se comprime por el compresor II (proceso 5-6), luego la sustancia de trabajo de la rama superior de la cascada se envía al condensador III (proceso 6-7), estrangulada en la válvula de mariposa IV (proceso 7-8) y entra en el condensador-evaporador. Por lo tanto, la sustancia de trabajo en la máquina de la rama inferior de la cascada completa el ciclo 1-2-3-4, y en la máquina de la rama superior de la cascada, el ciclo 5-6-7-8, y estos Las máquinas se combinan mediante un condensador -evaporador.

Como regla general, la sustancia de trabajo de la rama inferior de la cascada es R23, por lo tanto, durante el estacionamiento de la máquina, cuando la temperatura de todas sus partes es igual a la temperatura ambiente, la presión en todos los elementos de la máquina aumenta significativamente. Para evitar un aumento excesivo de presión en la máquina frigorífica del ramal inferior de la cascada, se conecta al sistema un vaso de expansión VIII, diseñado para que cuando la máquina se detenga, la presión en todos los elementos de la máquina no supere la calculada. valor límite.

En ciclos reales, las máquinas en cascada suelen ser más rentables que las de dos etapas (a veces incluso las de tres etapas). Esto se debe a las siguientes ventajas de trabajar con fluidos a alta presión:

Al utilizar fluidos a alta presión en una máquina de refrigeración en cascada, se pueden obtener temperaturas más bajas que en un circuito de dos etapas.

Información general sobre el aire húmedo y sus propiedades [2]

En la cámara climática, el aire es sometido a varios tipos de tratamientos, en los que sus condiciones térmicas y de humedad cambian significativamente.

El aire atmosférico se compone de una parte seca ( nitrógeno , oxígeno , gases inertes ) y vapor de agua . Además, si el contenido de gases en la parte seca del aire es relativamente estable, la cantidad de vapor de agua varía mucho y depende de la estación y las condiciones climáticas locales.

Cuando el aire húmedo se procesa en cámaras climáticas, la cantidad de vapor de agua contenida en el aire cambia, mientras que el contenido de aire seco permanece constante. Por lo tanto, al calcular los procesos asociados con la humidificación y el secado del aire, se utiliza una unidad de humedad, que expresa la relación entre una cantidad variable de vapor de agua y una masa constante de aire seco. Tal unidad de medida es el contenido de humedad d (kg / kg), que muestra la cantidad de vapor de agua en 1 kg de aire seco.

Los valores numéricos de d suelen ser un valor pequeño, por lo tanto, en los cálculos prácticos, es más conveniente usar el contenido de humedad en g de humedad por 1 kg de la parte seca del aire húmedo. El grado de saturación del aire con vapor de agua muestra una cantidad física llamada humedad relativa Humedad relativa W (φ) (en %) . Con suficiente precisión, la humedad relativa del aire se puede calcular como la relación entre el contenido de humedad en un estado dado (d) y el contenido de humedad en plena saturación (d t ) a los mismos valores de temperatura y presión:

,%.

En los cálculos del estado de calor y humedad del aire húmedo, hay otro concepto importante relacionado con su estado físico: este es el contenido de calor, la llamada entalpía I (kJ / kg o en kcal / kg cuando se realizan cálculos analíticos gráficos ).

La entalpía del aire húmedo es la cantidad de calor necesaria para calentar de 0 °C a una temperatura dada tal cantidad de aire húmedo, cuya parte seca tiene una masa de 1 kg.

La entalpía del aire húmedo es la suma de las entalpías de su parte seca y la entalpía del vapor de agua.

Como resultado de la transferencia de calor por convección de la parte seca del aire, se transfiere calor (o se le quita), la temperatura del aire aumenta o disminuye y, en consecuencia, su entalpía aumenta o disminuye.

Cuando el vapor de agua ingresa al aire desde fuentes externas, el calor de vaporización se transfiere y la entalpía del aire aumenta. El cambio en la entalpía del vapor de agua en este caso ocurre debido a un aumento en su masa. La temperatura del aire permanece sin cambios.

Cuadro de identificación de aire húmedo

El cálculo de los cambios en el estado del aire atmosférico requiere cálculos complejos. Es más simple y más conveniente calcular usando un gráfico psicrométrico , también llamado gráfico Id (Fig. 2).

En las coordenadas Id se representan las dependencias de los principales parámetros del aire húmedo: temperatura, contenido de humedad, humedad relativa, entalpía a una presión barométrica dada; kg de aire seco).

Id: el diagrama está construido en un sistema de coordenadas oblicuas con un ángulo entre los ejes de 150 (120 ° C). Tal sistema le permite expandir el área de aire húmedo no saturado en el diagrama, lo que lo hace conveniente para construcciones gráficas.

Las líneas de entalpía constante (I=const) corren en un ángulo de 150 ° con respecto a las ordenadas, y las líneas de contenido de humedad constante (d=const) son paralelas al eje de ordenadas.

Sobre la cuadrícula así obtenida, formada por paralelogramos, se construyen líneas de isotermas t=const y líneas de humedad relativa constante φ=const.

Las isotermas son líneas rectas y las isotermas no son paralelas entre sí, ya que el ángulo de su inclinación con respecto al eje horizontal es diferente. A bajas temperaturas, el no paralelismo de las isotermas es casi imperceptible. Las líneas de temperatura que se muestran en el diagrama corresponden a valores de bulbo seco.

La curva con humedad relativa φ = 100% se construye según las tablas de aire saturado. El área del diagrama por encima de esta curva se refiere a la región de aire húmedo no saturado, y el área del diagrama por debajo de la curva de saturación caracteriza el estado de sobresaturación del aire húmedo. En esta zona, el aire saturado contiene humedad en fase líquida o sólida (niebla). Dado que esta parte del diagrama no es de interés en los cálculos relacionados con el aire húmedo, no se traza.

Cada punto en el campo del diagrama corresponde a un cierto estado del aire. La posición del punto está determinada por dos de los cuatro parámetros de estado (I, d, t, φ).

Procesos de tratamiento vapor-humedad del aire húmedo en el diagrama Id

Considere las condiciones características de calor y humedad del aire.

Cuando el estado de aire húmedo se caracteriza por el punto A (Fig. 3) que se encuentra por encima de la curva φ=100%, el vapor de agua en el aire se encuentra en un estado sobrecalentado. Si el estado del aire húmedo se caracteriza por el punto A (en la curva de saturación φ \u003d 100%), entonces el vapor de agua en el aire está saturado. Y finalmente, si el punto de ajuste A2 está por debajo de la curva de saturación, entonces la temperatura del aire húmedo está por debajo de la temperatura de saturación y el aire contiene vapor húmedo, es decir, una mezcla de gotas de agua y vapor saturado seco.

En la práctica del diseño, el diagrama Id se usa no solo para determinar los parámetros del estado del aire, sino también para construir un cambio en su estado durante el calentamiento, enfriamiento, humidificación, deshumidificación, mezcla, con una secuencia arbitraria y combinación de estos. procesos. Dos parámetros más que se utilizan ampliamente en los cálculos de ventilación y aire acondicionado se pueden construir en el diagrama Id: la temperatura del punto de rocío ( Punto de rocío ) t δ y la temperatura de bulbo húmedo ti .

La temperatura del punto de rocío del aire es la temperatura a la que se debe enfriar el aire no saturado para que se sature manteniendo un contenido de humedad constante. Para determinar la temperatura del punto de rocío, es necesario trazar una línea recta paralela al eje de ordenadas en el campo Id - diagrama desde un punto que caracteriza un estado dado de aire húmedo, hasta que se cruza con la curva φ = 100%. La isoterma (línea t=const) que cruza la curva de saturación en este punto (φ=100%) caracterizará la temperatura del punto de rocío t δ .

La temperatura de bulbo húmedo ti es la temperatura que adquiere el aire húmedo cuando alcanza un estado de saturación y mantiene constante una entalpía del aire igual a la inicial. Para determinar la temperatura de un termómetro húmedo, es necesario trazar una línea I=const en el campo Id del diagrama a través de un punto correspondiente al estado del aire húmedo hasta que se cruce con la curva φ=100%. La isoterma que pasa por el punto de corte corresponde a la temperatura de bulbo húmedo.

Los procesos de cambio del estado térmico y de humedad del aire en la cámara climática ocurren constantemente. El aire se calienta, se enfría, se humedece, se seca. Los procesos relacionados con el tratamiento del aire se pueden representar en un diagrama Id.

Los procesos de transición del aire de un estado a otro en el campo Id: los diagramas se representan mediante líneas rectas (rayos) que pasan por los puntos correspondientes a los estados inicial y final del aire húmedo.

Aplicación de tablas de Id

El estado del aire se determina utilizando cualquiera de los dos parámetros anteriores disponibles en el gráfico psicrométrico. Si elegimos cualquier temperatura de bulbo seco y cualquier temperatura de bulbo húmedo, entonces el punto de intersección de estas líneas en el diagrama es el punto que indica el estado del aire a estas temperaturas. El estado del aire en este punto se indica con bastante precisión. De manera similar, el estado del aire en cualquier otro punto del diagrama psicrométrico está determinado por las temperaturas de los bulbos seco y húmedo.

Cuando se encuentra una cierta condición de aire en el diagrama, todos los demás parámetros del aire se pueden determinar a través de este diagrama. De manera similar, con una carta psicrométrica, dos parámetros cualesquiera de la mezcla de aire y vapor de agua son suficientes para determinar el estado del aire y todos sus demás parámetros.

Cómo funcionan los sistemas de cámara

Sistemas de mantenimiento de temperatura

Las cámaras típicas están diseñadas para operar en el rango de temperatura de -70 a +100ºС. La capacidad de trabajar en un rango de temperatura tan amplio se logra mediante el uso de 3 unidades principales: una máquina de refrigeración en cascada (de -5 a -70 ºС), una máquina de refrigeración de una etapa (de +50 a -5 °С) y un calentador eléctrico que funciona en todo el rango de temperatura. Esquemáticamente, el volumen de trabajo se muestra en la Fig. cuatro

El aire del volumen de trabajo (1) circula gracias al uso de un ventilador axial de alta velocidad (3), cuyo accionamiento (2) está instalado en el panel de automatización de la cámara.

Para el enfriamiento a temperaturas de -5 a -70 °C se utiliza el evaporador 6 de la máquina frigorífica en cascada. Para estrangular el refrigerante, se proporciona un sistema de tubos capilares (7), ubicado directamente en la unidad de refrigeración. Para regular el rendimiento, uno de los tubos puede cerrarse mediante una electroválvula.

Si la capacidad frigorífica de la máquina en cascada es excesiva, se compensa con la ayuda de un elemento calefactor (5). El elemento calefactor ( calentador eléctrico tubular ) funciona en el modo de modulación de ancho de pulso de acuerdo con la ley de regulación PID (ver controlador PID ).

Cuando se opera en el rango de temperatura de +50 a -5 °C, el calentamiento se realiza mediante un elemento calefactor (5) y el enfriamiento mediante un evaporador (4) de una máquina de refrigeración de una etapa. Para estrangular el refrigerante, se utiliza una válvula de expansión termostática (8), que regula automáticamente el suministro de refrigerante al evaporador en función de la temperatura de salida. Al mismo tiempo, la máquina de refrigeración funciona en el modo posicional, el elemento calefactor funciona en el modo de modulación de ancho de pulso de acuerdo con la ley de control PID.

El diagrama de los sistemas de la unidad compresora se muestra en la Fig. 5.

El funcionamiento del enfriador en cascada comienza con la activación del compresor de la etapa superior (1). El gas comprimido por el compresor ingresa al condensador de aire (2), donde se convierte en líquido y transfiere calor al ambiente. El condensador está equipado con 2 ventiladores, uno de los cuales se enciende en función de la presión de condensación de la etapa superior, lo que garantiza un funcionamiento óptimo del compresor. El líquido procedente del condensador es estrangulado en la válvula termostática (3), que regula automáticamente su cantidad suministrada al condensador-evaporador (4). En el condensador-evaporador, la superficie de intercambio de calor se enfría y se crean las condiciones para la condensación de gas de la etapa inferior. El compresor de la etapa inferior (5) se enciende después de un cierto tiempo, cuando se crean las condiciones en el condensador del evaporador para la condensación de gas a alta presión.

El gas comprimido por el compresor pasa por la sección de preenfriamiento ubicada en el condensador de aire (2) de la primera etapa y entra al condensador del evaporador (4). Si las condiciones de condensación no son suficientes para que la etapa inferior entre en el modo y la presión sube por encima del nivel permitido, una válvula solenoide de derivación (6) se abre mediante una señal del interruptor de presión, transfiriendo gas caliente de la descarga al compresor. succión. Dado que la unidad está diseñada para operar en un amplio rango de temperatura, no se excluyen los modos en los que se observará un sobrecalentamiento del compresor de la etapa inferior. Para evitar el sobrecalentamiento, se instala un sensor de temperatura en el compresor, a la señal de la cual se abre la válvula solenoide (7), que suministra líquido a través del tubo capilar (8) a la succión del compresor. En el tubo, el gas se estrangula y la ebullición en la cavidad de succión del compresor lo enfría. La válvula (7) opera en el modo de modulación de ancho de pulso de acuerdo con la ley PID (ver controlador PID ).

Cuando la máquina de cascada no está en funcionamiento, la presión en el circuito de baja cascada se iguala. La alta presión del evaporador es perjudicial para el funcionamiento del compresor y, por lo tanto, está limitada por el regulador de presión del cárter KVL (9).

El líquido formado en el condensador-evaporador ingresa al evaporador ubicado en el volumen de trabajo (Fig. 4).

El funcionamiento de una máquina de refrigeración de una etapa es el siguiente. El gas es comprimido por el compresor (10) a la presión de condensación. Al pasar por el condensador enfriado por aire (11), el gas se convierte en líquido, que ingresa al evaporador ubicado en el volumen de trabajo (ver la descripción en la Fig. 4).

El sistema de automatización de la cámara realiza una selección de dispositivos a encender dependiendo del punto de ajuste y la temperatura real en la cámara. Hay 6 umbrales de temperatura designados T1..T6. Los valores de temperatura indicados en la Fig. 6 a la derecha se especifican durante las pruebas de puesta en marcha y no están sujetos a cambios en el futuro.

Sistemas de humedad relativa

Para mantener la humedad relativa se utiliza un dispositivo de humidificación: un generador de vapor , y un dispositivo de deshumidificación: un secador de freón .

El generador de vapor es un producto independiente diseñado para producir vapor de agua hirviendo agua. El generador de vapor está equipado con un sistema de automatización local que diagnostica el generador de vapor y controla la salida de vapor según la señal recibida del controlador. Entre las funciones de diagnóstico: control de la presencia de agua, control del estado del elemento calefactor, control de la dureza del agua. Si se soluciona una de las fallas enumeradas, el sistema de automatización del generador de vapor emite una señal de alarma al sistema de control de la cámara. La producción de vapor se regula aplicando una señal de control analógica (0...10 V o 4...20 mA) desde el controlador de la cámara. Dependiendo del nivel de esta señal, el rendimiento del generador de vapor varía de 0,2 a 2 kg de vapor por hora.

El esquema de los sistemas de mantenimiento de la humedad relativa (Fig. 7) funciona en función de los ajustes y lecturas de los sensores de temperatura TE y humedad ME. La temperatura es mantenida por el elemento calefactor (6), que funciona según la ley de regulación PID. Si la temperatura en el volumen de trabajo supera la establecida, la máquina de refrigeración de una etapa [3] con el compresor 1 comienza a funcionar, utilizando la válvula solenoide 8, que suministra freón al enfriador 5. La válvula solenoide 8 funciona en el modo de modulación de ancho de pulso . Para no detener el compresor de la máquina de refrigeración cuando la válvula 8 está cerrada, la válvula 9 se abre y el freón ingresa al intercambiador de calor para eliminar el exceso de capacidad de refrigeración, donde es compensado por el elemento calefactor (11).

La humedad relativa se mantiene mediante un generador de vapor, que suministra vapor a la cámara a través de un tubo de distribución especial, en función de la señal del regulador MC, que recibe información del sensor de humedad ME. Si la humedad relativa en la cámara es alta, se utiliza un deshumidificador. Es un serpentín de una configuración especial (4), sobre el cual la humedad se deposita en forma de gotitas. La humedad sedimentada se elimina de la cámara a través de un tubo especial. La secadora se alimenta con freón desde una máquina de refrigeración de una sola etapa. La válvula solenoide (7) en este caso opera en el modo de modulación de ancho de pulso de acuerdo con la ley de control PI. Para no detener el compresor de la máquina de refrigeración cuando la válvula 7 está cerrada, la válvula 9 se abre y el freón ingresa al intercambiador de calor para eliminar el exceso de capacidad de refrigeración, donde es compensado por el elemento calefactor (11).

Tipos y sus características

Existe una gama bastante amplia de tipos de cámaras climáticas que simulan diversas condiciones climáticas (incluidas las fluctuaciones diarias de temperatura/humedad, presión, etc.) Sin embargo, las cámaras más habituales son las de calor/frío/humedad (TCW) y calor/frío (TC) .

Cámara de radiación solar

La cámara de radiación solar  simula el efecto de la luz solar sobre los materiales ensayados. Está diseñado para evaluar la durabilidad de los materiales y su resistencia a los efectos destructivos del sol.

La fuente de radiación son lámparas de xenón de tipo arco en el rango de 260 a 780 nm. La potencia de la lámpara varía de 700 a 5000 vatios. A menudo, las lámparas tienen un sistema de refrigeración (agua o aire). Las cámaras de radiación solar QSUN están equipadas con una o tres lámparas. A diferencia de los meteorómetros QUV con lámparas UV, las cámaras de radiación solar QSUN se utilizan para la resistencia a la luz de materiales y revestimientos y para evaluar la pérdida de color.

Las cámaras de radiación solar QSUN se utilizan ampliamente en la industria aeronáutica, la industria de pinturas y barnices, la industria automotriz y la industria textil.

Notas

  1. ↑ Basado en materiales del libro Refrigeration Machines, ed. IA Sakuna. M.: Mashinostroenie, 1985.
  2. ↑ Basado en los materiales del libro "Sistemas de ventilación y aire acondicionado" publicado por Euroclimate.
  3. ↑ El sistema de mantenimiento de temperatura utiliza el mismo enfriador de una sola etapa que el modo de humedad.

Véase también