高低温低气压湿热试验箱工作原理

它的工作原理可以理解为在恒温恒湿试验箱的基础上，集成了一套强大的“真空系统"，并解决了三者协同工作时带来的复杂技术挑战。

以下是其核心工作原理的详细分解：

一、核心系统构成

相比普通的温湿度箱，它多了最关键的一套系统：

1. 压力系统（核心新增）：用于创造和维持低气压环境。

• 真空泵：核心部件，用于将箱内空气抽出，降低气压。

• 压力传感器：实时监测箱内气压。

• 密封箱体：经过特殊设计的、能承受巨大内外压差的高强度、高密封性工作室。

• 进气阀：用于试验结束后，平稳地向箱内注入空气，恢复常压。

2. 制冷系统：不仅要实现低温，还要在低气压下高效工作。

3. 加热系统：实现高温，通常集成在箱体夹层或风道中。

4. 加湿系统：在常压和低气压下实现加湿（技术难点）。

5. 除湿系统：通常由制冷系统兼任。

6. 控制系统：更复杂的多变量协同控制器。

二、各环境模拟的工作原理

1. 低气压（真空）创造与控制

• 抽真空过程：

• 关闭试验箱门（具有高强度密封条）。

• 控制系统启动真空泵，将工作室内的空气持续抽出。

• 压力传感器实时反馈气压值，当达到设定的低气压值（如1 kPa，相当于海拔31000米）时，控制系统会调节真空泵的功率或通过间歇性启停来维持压力稳定。

• 恢复常压过程：

• 试验结束后，控制系统关闭真空泵，并缓慢打开进气阀。

• 外部空气经过滤后，被平稳地注入工作室，使压力平稳恢复到正常大气压，避免对样品造成冲击。

2. 温度控制（在低气压下的挑战）

• 基本原理与普通试验箱相同：加热器加热，制冷系统降温。

• 特殊挑战与解决方案：

• 增强空气循环：采用更强大的风机，强制搅动稀薄的空气，尽可能提高传热效率。

• 采用液氮（LN2）冷却：对于有快速降温要求的设备，常直接注入液氮进行冷却，其冷却能力不依赖于空气密度，在低气压下依然高效。

• 升温变慢：加热器功率需要更大。

• 降温更难：蒸发器的热交换效率下降。

• 空气稀薄，传热困难：在低气压下，空气分子数量急剧减少，依靠空气对流和传导的传热效率大大降低。这会导致：

• 解决方案：

3. 湿度控制（在低气压下的巨大挑战）

这是该设备技术难度最高的部分之一。

• 挑战：

• 在低气压下，水的沸点会降低。例如，在气压为10 kPa时，水大约在45°C就会沸腾。这意味着传统的锅炉式蒸汽加湿（需要将水加热到100°C）在低气压下无法正常工作。

• 相对湿度（RH）的定义与温度、气压下的饱和水蒸气含量有关。气压变化，饱和水蒸气含量也随之变化，计算和测量模型更为复杂。

• 解决方案：

• 高压雾化/超声波加湿：将水打成微米级的细小水雾，直接喷入空气中，不依赖于水的沸腾。

• 饱和气体加湿法：先将一股小气流在常压下加湿至饱和，然后将这股饱和湿空气精确地注入到低气压的主测试腔内。

• 特殊加湿器：采用能够适应低气压环境的加湿技术，例如：

• 复杂的计算与校准：控制系统内置了根据当前温度和压力自动修正湿度设定值和传感器读数的算法。

三、系统协同工作与典型测试流程

该设备的精髓在于其控制系统能无缝协调气压、温度和湿度系统。以一个典型的“高海拔环境模拟"测试为例：

1. 初始状态：箱内为常温、常压、常湿。

2. 阶段一：创造低气压环境

• 真空系统启动，将箱内气压降至目标值（如模拟5000米海拔）。

• 此时，温度系统可能处于待机或维持当前温度状态。

3. 阶段二：在低气压下进行温湿度循环

• 低温低压：控制系统启动制冷系统，在低气压环境下将温度降至-40°C。由于空气稀薄，制冷功率和时间需要精确计算。

• 高温高湿低压：控制系统先启动加热系统，在低气压下将温度升至+60°C。然后，启动特殊的加湿系统，将湿度提升到95%RH。这个过程需要非常精细的控制，防止水在低温表面凝结或沸腾。

4. 阶段三：恢复

• 测试结束，首先停止加湿和加热/制冷。

• 然后，缓慢打开进气阀，使气压平稳恢复至常压。

• 最后，开门取出样品。