Представим, что Ваша компания только что спроектировала и изготовила новый прибор и перед Вами стоит задача приобрести испытательное оборудование, чтобы проверить его на устойчивость к воздействию агрессивных условий окружающей среды. С чего следует начать? Что будет определять критерии Вашего выбора? Цена, качество, характеристики…
Как и перед любой крупной покупкой, необходимо решить множество вопросов, прежде чем сделать окончательный выбор. К сожалению, решающим фактором для большинства заказчиков остается низкая цена. Но как мы знаем, бесплатный сыр бывает только в мышеловке. Стоимость закупки должна складываться из качества, надежности и технического обслуживания. Не всегда погоня за низкой ценой оборачивается выгодой.
На сегодняшний день существует множество типов испытательного оборудования. Важным фактором, определяющим выбор испытательного оборудования, несомненно, является задача заказчика. Чем больше информации об оборудовании Вы сообщаете поставщику, тем больше оно будет отвечать Вашим задачам. Какой размер должен быть у испытательной камеры? Что будет испытываться? Какой температурный диапазон? Какой тип охлаждения: водяной или воздушный? Это небольшая часть тех вопросов, на которые необходимо получить ответ перед покупкой испытательного климатического оборудования.
Виды и размеры испытательного оборудования
Испытательные камеры Reach-in
Размеры камер Reach-in варьируются от 28 л. до 2000 л. Внутри данных камер можно создать практически любые условия окружающей среды, будь то температура, влажность, высота, имитация дождя, воздействие солнца и вибрации.
Испытательные камеры Walk-in (захода/заезда внутрь)
Камеры Walk-in обладают большими размерами, которые позволяют входить или въезжать внутрь испытательного пространства. Различают 2 типа камер Walk-in: модульные (разборные) и сварные (неразборные).
Модульные испытательные камеры изготавливают из панелей с пенополиуретановой изоляцией. Из-за особенностей конструкции диапазон влажности и температуры ограничен. Обычно, верхний предел температуры составляет 100°С – 120°С, а диапазон относительной влажности варьируется от 70% до 95%. Сварные камеры Walk-in изготовлены так же, как и камеры Reach-in. Внутренний объем камеры надежно проварен, благодаря чему он выдерживает экстремальные значения температуры и влажности. Данный тип позволяет также создавать внутри камеры условия высоты. В силу сложности изготовления, данный тип камер намного дороже модульных.
Испытательные камеры термоудара
Испытательные камеры термоудара выпускаются в разных размерах и конфигурациях. Данный вид камер способен быстро переносить испытуемый образец из одной среды в другую. Перемещаяобразециз холодной зоны в горячую, создаются условия термоудара. Проводя данный тип испытаний можно проверять изделие на надежность.
Температурный диапазон
Следующим важным критерием является температурный диапазон. У большинства испытательных камер Reach-in и сварных камер Walk-in верхний предел температуры составляет 177°С – 190°С.
Для создания внутри камеры низких температур существует множество способов. Различают два основных способа: применение хладагентов и механическое охлаждение.
Хладагентами являются жидкости/газы, которые нагнетаются в область для охлаждения. Жидкость, поступая внутрь камеры, напрямую или через радиатор, поглощает тепло и превращается в газ. Затем газ выводится из камеры в атмосферу. Самыми распространенными хладагентами являются жидкий азот (LN2) и жидкая углекислота (CO2). Сверхнизкие температуры (до – 184°С) достигаются при использовании жидкого азота (LN2); при использовании жидкой углекислоты возможно достичь температуры только – 68°С. Оба хладагента экологически безопасны и могут выводиться в атмосферу.
Важно, чтобы помещение, где проводятся климатические испытания с использованием газов, обладало хорошей вентиляцией. Данные газы вытесняют кислород, в результате чего может произойти асфиксия.
Механическая система охлаждения сходна с домашним холодильником. Она состоит из компрессора и хладагента, который циркулирует в замкнутом контуре.
Одноконтурная система охлаждения обычно способна понижать температуру внутри рабочего объема до – 34°С. Некоторые производители понижают температуру внутри камеры до – 40°С. Однако, из-за хладагента, используемого в одноконтурной системе, хладопроизводительность очень мала, чтобы стабильно поддерживать температуру – 40°С. Для поддержания стабильной температуры – 40°С и ниже, производители советуют использовать каскадную систему охлаждения. Каскадные системы состоят из двух отдельных контуров охлаждения.Каскадный конденсатор объединяет два контура, являясь конденсатором высокотемпературного контура и испарителем низкотемпературного контура. В каждом из этих контуров может использоваться различный хладагент, оптимально подобранный для каждого контура.
Но пару лет назад появилась новая альтернатива каскадной системе- это запатентованная холодильная система с одним компрессором «Тундра», которая способна понижать температуру до – 45°С. Преимущества этой системы является в том, что она затрачивает меньше энергии. Более того, система «Тундра» содержит меньшее количество компонентов. Это означает большую надежность, меньшую стоимость и простоту обслуживания.
Диапазон влажности
Диапазон влажности, пожалуй, является одной из самых сложных тем в испытательном климатическом оборудовании, так как процент относительной влажности RH напрямую зависит от температуры.Если температура воздуха падает, то способность сохранять прежний уровень влаги снижается.
Стандартный диапазон температуры/влажности для большинства климатических камер составляет 7°С – 85°С и 10% — 98% RH, ограниченный точкой выпадения росы 5°С.
В связи с тем, что диапазон влажности зависит от температуры, производители климатических камер, чтобы описать границы относительной влажности, указывают точку выпадения росы. Внутри камеры расположен змеевик, который имеет температуру примерно 5°С.Температура змеевика не должна опускаться ниже нуля, иначена его поверхности будет образовываться наледь.
Для того чтобы лучше это понять, обратимся к графику. Если посмотреть на нижнюю линию области StandardRange (стандартный диапазон), то линии температуры и влажности пересекутся на точке росы 5 °С. Например, самый низкий уровень влажности при температуре 20°С будет составлять 40% RH, а при температуре 50°С – 10% RH. Однако, если значения температуры и влажности будут выходить за рамки стандартного диапазона (StandardRange), то может произойти поломка системы охлаждения. Для того чтобы достичь более низкого уровня влажности, производители предлагают дополнительную опцию. Как правило, в данную опцию входит система продувки сухим воздухом и вентили системы охлаждения, которые позволяют опустить температуруохлаждающего контура ниже нуля. Диапазон LowRHRange, указанный на графике доступен в случае, если в камере установлены система продувки сухим воздухом и вентили системы охлаждения. Потенциально понижение температуры контура охлаждения ниже нуля может привести к образованию наледи. Однако система продувки сухим воздухом помогает избежать этого.
Скорость изменения температуры
Требования к скорости изменения температуры непрерывно растут и скорости становятся все выше и выше.Можно нередко увидеть такие значения как 10°С, 15°С или 20°С/мин. Применяя высокие скорости изменения температуры, возможно сократить время испытаний. Более того, испытуемые изделия можно подвергнуть термошоку и испытать их тем самым на надежность. Однако, применяя высокие скорости изменения температуры, необходимо быть осторожным.
Каждый изготовитель испытательного оборудования создает внутри камеры разный объем потока воздуха. Поток воздуха должен быть достаточным, чтобы обеспечивать работу системы охлаждения. Стандартная скорость воздуха внутри рабочего объема для камер Reach-inсоставляет 0,5 м/с. Такая скорость отлично подходит для испытаний на термоциклирование. Однако при таком потоке воздуха температура образца будет отставать от температуры воздуха. Для того, чтобы температура образца была как можно ближе к температуре воздуха внутри камеры необходимо, чтобы поток воздуха составлял2,5 м/с. Особенно это актуально, если речь идет об испытаниях на термошок.
При повышении или понижении температуры, воздух расширяется и сужается. Из-за того что камера герметична, в результате сужения и расширения воздуха внутри камеры создается положительное и отрицательное давление. Когда температура воздуха внутри камеры быстро изменяется (10°С, 20°С, 30°С/ мин), то может создаваться перепад давления в 0,25 psiили 0,01757 кгс / см2. Кажется, что это не много, но на больших площадях, таких как стенка камеры, воздействующая сила становится значительной. Например, возьмем камеру объемом 900 л., размеры стенки которой 96 см х 127 см (12 192 см 2 )
12 192 см2 х 0,01757 кгс / см2 = 214 кг.
Это усилие будет распространяться на все стенки камеры. Во избежание данного процесса, производители камер устанавливают клапаны, уменьшающие давление. В обычном состоянии клапаны закрыты, предотвращая попадания воздуха извне. Во время перепадов клапаны либо впускают воздух, либо выпускают. Давая камере дышать, сила, воздействующая на стенки камеры, уменьшается. На практике существует немало случаев, когда во время быстрого набора температуры стенки камеры деформировались. Стоит также отметить, что немаловажным моментом является качество сборки камеры
Испытуемый образец
Данный пункт является фундаментальным. Необходимо четко понимать, что и в каких количествах будет испытываться. Если не сообщить поставщику всю информацию в полном объеме, то Ваш выбор может не оправдать Ваши ожидания. Например, Вам необходимо испытать гидравлические клапаны под различным давлением и температурой. Гидравлические трубки, идущие к клапанам, подключаются внутри рабочего объема через специальные кабельные порты. Иногда возможны ситуации, когда происходит утечка жидкости. Если это случается, существует риск взрыва. В большинстве камер используется стандартный нихромовый нагреватель и температура поверхности может достигать 537°С. Для решения данной задачи необходимо использовать нагреватель с защитным кожухом. Поэтому главной задачей заказчика является предоставление поставщику информации о виде испытаний и испытуемом образце.
Конструкция камеры
Конструкция камеры критически важный аспект, который должен быть оценен перед осуществлением покупки. Большинство камер снаружи изготовлены из нержавеющей стали, окрашенной порошковой эмалью. Многие полагают, что все камеры сделаны однотипно. Но если Вы зададитесь вопросом качества сборки, это послужит залогом долгой и надежной работы испытательной климатической камеры. Большинство вопросов касается способа сборки камеры: должна ли она быть проварена, заклепана или скреплена винтами? Место расположения, количество и размеры кабельных портов?
Если камера будет иметь некачественное соединение, влажный воздух легко найдет себе путь миграции, особенно если это камера для испытаний температурой и влажностью. Влажный воздух, найдя себе путь, будет конденсироваться на изоляции. В большинстве камер используется изоляция из стекловолокна. Если влажность начинает конденсироваться на материале изоляции, он становится мокрым как губка, вследствие чего он теряет изолирующую способность, что скажется на характеристиках температуры и влажности. В конечном итоге внешний слой металла подвергнется коррозии.
Следующим пунктом, на который необходимо обратить внимание, является способ и качество установки кабельных портов. Во время колебаний температуры, давление в камере то поднимается, то снижается, что приводит к деформации стенок. Кабельные порты расположены между внутренней и внешней частями камеры. Когда внутренние стенки камеры начинают «играть» из-за расширения и сужения воздуха, кабельные порты передают это движение внешнему корпусу камеры. По этой причине соединение между корпусом камеры и кабельным портом должно быть особенно прочным, способным выдерживать постоянные нагрузки. Производители камеры используют разные способы инсталляции кабельных портов, начиная от крепления винтами и заканчивая сваркой. Наилучшим способом, конечно же, является способ сварки, так как она обеспечивает наибольшую надежность.
Другой важной составляющей конструкции камеры является место установки трубопровода хладагента.
Трубопроводы хладагента представляют собой, как правило, медные трубки. В случае, повреждения трубки, может произойти утечка хладагента. Лучшим методом исключить возможность механического повреждения является установка трубопроводов в рукава, которые закреплены внутри камеры.
Конденсатор воздушного или водяного охлаждения
Система охлаждения позволяет отводить теплый воздух и понижать температуру внутри камеры. Один из основных компонентов системы охлаждения — это конденсатор, служащий для переноса тепловой энергии от хладагента в окружающую среду. Различают два вида конденсатора: конденсатор воздушного охлаждения и конденсатор водяного охлаждения. Каждый из этих видов имеет свои преимущества и недостатки.
В камерах маленького объема стандартно устанавливают конденсаторы воздушного охлаждения. Все что нужно для работы испытательной камеры — это возможность подключения к электропитанию. Это очень удобно для перемещения камеры из одного помещения в другое.
Однако, для определения, в каких именно случаях можно устанавливать конденсатор воздушного охлаждения, необходимо учитывать следующие факторы. Прежде всего, нужно учитывать теплоотдачу камеры в помещение, в котором она установлена. Например, теплоотдача испытательной камеры при полной нагрузке с каскадной системой, мощность компрессоров которой составляет 2 л.с., будет равна 7.0 кВт/ч. Когда система выйдет на заданный режим, уровень теплоотдачи будет варьироваться между 3.5 и 4.5 кВт/ч. Важно понимать, что небольшое пространство помещения создает дополнительную тепловую нагрузку. Если помещение плохо проветриваемо и температура воздуха превышает 29°С- 32°С, работа камеры будет ненадежной.
Во-вторых, необходимо учитывать чистоту помещения. Через конденсатор проходят большие объемы воздуха. В основном, конденсаторы располагаются рядом с полом, из-за чего они могут быстро загрязняться, а для хорошей работы системы охлаждения необходимо содержать их в чистоте. Поэтому периодически необходимо проводить очистку конденсатора от грязи. Если камера будет располагаться в помещении, где много пыли, то конденсатор будет часто засоряться, поэтому целесообразно устанавливать конденсаторы водяного охлаждения или систему удаленного кондиционирования. Как правило, системы удаленного кондиционирования устанавливаются вне помещения.
На первый взгляд, кажется, что это лучшее решение, так как шум и теплоотдача вынесены за пределы лаборатории. Однако данный тип охлаждения дорог и сложен в инсталляции по многим причинам: необходимо определить размеры трубопровода холодильной системы, сделать отверстия в крыше или стене лаборатории, установить на крыше бетонную подушку для размещения на ней системы удаленного кондиционирования, так же необходимо рассчитать, способна ли конструкция крыши выдержать вес установки кондиционирования. Как мы видим, процесс установки системы удаленного кондиционирования является сложным и трудоемким.
Если Ваше производственное помещение оснащено водопроводом, рационально применять конденсатор водяного охлаждения. Конденсатор водяного охлаждения легок в обслуживании и установке. Важно спросить Вашего поставщика о технических требованиях подключения воды. Основная масса проблем происходит из-за потока и давления воды, несоответствующие требованиям эксплуатации камеры.
Вывод
Критически важным является предоставить поставщику всю информацию, касающуюся требований испытаний.
Это станет гарантией правильного выбора испытательного климатического оборудования.