Испытания на воздействие пониженной температуры внешней среды

3.3. Испытания на воздействие пониженной температуры внешней среды

Условия испытаний и применяемое оборудование. Понижение темпе­ратуры изделий в основном происходит под воздействием внешних факторов, которому изделия могут подвергаться в процессах эксплу­атации, хранения и транспортирования.

Для проведения испытаний на воздействие пониженной темпе­ратуры применяют испытательные камеры холода или комбиниро­ванные камеры — тепла и холода; тепла, холода и пониженного ат­мосферного давления; тепла, холода и влаги и т.д.  Конструктивно камеры холода бывают двух видов: шкафные и сундучковые. Особенностью сундучковых камер является расположение двери в верхней части камеры (как бы в потолке), что облегчает ее загрузку изделиями больших габаритных размеров и масс.  Комбинированные камеры позволяют испытывать изделия на раз­дельное и одновременное воздействие ряда воспроизводимых факто­ров (холода и пониженного атмосферного давления), а также на воз­действие постепенного изменения температуры (циклическое воздействие температур).

Требования к пределам воспроизводимых температур (диапазону изменения температур) в основном определяются стандартами на испытания различных изделий. Наиболее часто камеры холода характеризуются диапазоном температур +25 до —65°С  Получение пониженной температуры в камере достигается искусственным охлаждением находящегося в ней воздуха двумя способами: непосредственным и косвенным. Оба способа могут быть ос­нованы на использовании одного из следующих физических процессов: испарения или кипения, плавления или таяния и сублимации. Все указанные процессы протекают с поглощением тепла из окружаю­щей среды. Кроме того, искусственное охлаждение может быть ос­новано на таких, физических явлениях, как термоэлектрический эф­фект (эффект Пельтье) и адиабатическое (без теплообмена с внешней средой) расширение газа.

Охлаждение при испарении или кипении за счет поглощения внеш­ней теплоты характеризуется тем, что воспринимаемая извне теплота расходуется на преодоление сил молекулярного сцепления летучих жидкостей и их расширение. Данный способ осуществляется с помо­щью холодильных машин.

Охлаждение при таянии реализуется с помощью естественного льда за счет затрат теплоты извне на его таяние, сопровождающееся изме­нением связей между молекулами вещества и ослаблением сил моле­кулярного сцепления.

Охлаждение в процессе сублимации, т.е. непосредственного пере­хода тела из твердого состояния в газообразное, имеет место при ох­лаждении так называемым сухим льдом, причем теплота расходуется на преодоление сил сцепления молекул вещества и внешнего давле­ния, препятствующего этому процессу.

Охлаждение за счет адиабатического расширения сопровождается работой, совершаемой расширяющимся телом за счет уменьшения его внутренней энергии, приводящей к понижению температуры. Например, адиабатическое расширение воздуха от 0,4 до 0,1 МПа сопровождается понижением температуры от +20 до —75°С.

Охлаждение за счет использования эффекта Пельтье заключается в том, что пропускание постоянного электрического тока через цепь, состоящую из разнородных проводников (полупроводников), приво­дит к возникновению разности температур в месте их соединения, т.е. к более высокой температуре одного спая по отношению к друго­му (холодному) спаю. Количество энергии, переносимое от холод­ного спая к теплому, пропорционально силе тока в цепи термоэле­мента. Разность температур, получаемая с помощью термоэлементов, зависит от материалов ветвей. Достоинством данного способа явля­ется непосредственное использование электрической энергии для пе­реноса тепловой энергии низкого температурного уровня на более высокий (теплая ветвь) без промежуточных устройств.

Наибольшее применение получил способ машинного охлажде­ния, основанный на процессах испарения и кипения. Известно, что согласно второму началу термодинамики для охлаждения теплота дол­жна быть перенесена из охлаждаемой среды в теплую путем затрат извне механической или тепловой энергии. Это достигается с помо­щью так называемых холодильных (термодинамических) циклов, в процессе которых теплота переносится с помощью рабочего тела (вещества).

Комплекс технических устройств, осуществляющий холодильный цикл, на­зывают холодильной машиной. В качестве рабочего тела используются различные ве­щества, которые могут находиться в со­стоянии газа или пара. В связи с этим раз­личают газовые и паровые холодильные машины.

По способу охлаждения различают камеры с непосредственным и косвенным охлаждением.

Непосредственное охлаждение может осуществляться введением твердого или жидкого хладагента в рабочий объем камеры. В каче­стве твердого хладагента применяют углекислоту, имеющую темпе­ратуру (сублимации) точки замерзания —78,5°С. Поглощая теплоту из окружающего пространства, твердая углекислота нагревается и пре­вращается в безвредный, не вызывающий коррозии газ. Указанный способ охлаждения целесообразно применять при редких и кратков­ременных испытаниях. Недостатками данного способа охлаждения являются непостоянство температуры в камере вследствие плохой теп­лопередачи путем конвекции, а также зависимость температуры в камере от количества, габаритных размеров и масс загруженных в нее изделий. Установка в камеру вентилятора несколько уменьшает эти недостатки. Достоинства такого способа охлаждения — его про­стота, быстрая установка температуры, бесшумность и т.д.

Из жидких хладагентов наиболее широко используют азот, кото­рый может вводиться в камеру вручную и автоматически. Схема автоматизации камеры непосредственного охлаждения приведена на рисунке 3.4.

Для обеспечения однородности температуры в любой точке ра­бочего объема камеры и максимального приближения к условиям, существующим в непосредственной близости от контрольных тер­мопреобразователей регулирующих устройств, осуществляют непрерыв­ную циркуляцию воздуха с помощью вентилятора. Для рационального распределения потоков воздуха в рабочем объеме могут использоваться регулируемые жалюзи.

К камерам с непосредственным охлаждением относятся и такие, в которых испарители располагаются во внутренних стенках (рубаш­ке), а также в рабочем объеме. Примером камеры с испарителем, расположенным во внутренней металлической стенке, может служить камера сундучкового типа (рис.З.5), позволяющая получить макси­мальную минусовую температуру (до —85°С) за относительно корот­кое время.

Методы испытаний на воздействие пониженной температуры и инея. Испытаниям на воздействие пониженной температуры подвер­гаются как тепло-, так и нетепловыделяющие изделия. Целью испы­таний является определение пригодности изделий к эксплуатации, транспортированию или хранению при воздействии пониженной тем­пературы. В условиях воздействия пониженной температуры, а так­же после пребывания в указанных условиях проводят проверку значе­ний параметров и (или) внешнего вида изделий для установления их соответствия требованиям. Если некоторые узлы имеют более высо­кую температуру, чем испытуемые изделия, то целесообразно про­водить испытания на воздействие предельной пониженной температуры. При испытании в этом случае тепловыделяющих изделий перенос теплоты происходит от изделия через монтажное приспособ­ление к стенкам камеры. Наихудшим вариантом охлаждения тепло­выделяющего изделия в камере является тот, при котором теплооб­мен монтажного приспособления со стенками камеры за счет высокой теплопроводности наиболее интенсивен.

При выборе объема камеры и определении расположения изделий в ней необходимо учитывать, являются ли эти изделия тепловыделяю­щими или нет. Очевидно, что при испытании тепловыделяющих из­делий их тепловое рассеяние будет влиять на процесс охлаждения. Испытания аппаратуры и средств измерений осуществляют без упа­ковки в готовом для эксплуатации состоянии.

Аппаратура, имеющая температуру окружающей среды, поме­щается в камеру с той же температурой. Затем в камере устанавлива­ется температура, равная заданной. Скорость понижения температу­ры не должна превышать 10С·мин-1, причем она определяется как среднее значение за период не более 5 мин. Рекомендуемая продол­жительность испытаний аппаратуры на хранение 16 или 72 ч, если в нормативной документации не оговаривается другой период времени.

При испытании аппаратуры для оценки ее работоспособности в процессе эксплуатации она подвергается воздействию пониженной температуры до наступления температурного равновесия, после чего аппаратуру включают и проверяют значения параметров, предусмот­ренные нормативной документацией. Затем аппаратуру отключают и подвергают воздействию пониженной температуры в течение после­дующих двух часов. По завершении указанной выдержки находящая­ся в камере аппаратура включается вновь, и после достижения состо­яния установившегося режима проводятся измерения ее электрических параметров, проверка механических свойств и внешнего вида.

В заключение аппаратура выключается и подвергается восста­новлению. Температура постепенно повышается до значений, соот­ветствующих нормальным атмосферным условиям. Аппаратура дол­жна оставаться в камере до момента, когда температура в ней не превысит точки замерзания. Далее с аппаратуры любым способом

(встряхиванием, обдуванием воздухом и т.д.) удаляются капли воды. После этого аппаратура находится в нормальных атмосферных усло­виях в течение времени, необходимого для достижения температур­ного равновесия.

Указанные испытания допускается совмещать с испытанием на воздействие изменения температуры среды.

Для конкретных типов аппаратуры могут оговариваться опреде­ленные отклонения от данной методики, касающиеся установления времени восстановления, проверки электрических параметров и ме­ханических свойств после периода восстановления и т.д.

Испытания на воздействие инея проводят в целях проверки спо­собности изделий выдерживать приложение номинального электри­ческого напряжения при конденсации на них инея. Испытания про­водят в камере холода, обеспечивающей возможность установления температуры (-20 ± 5 )°С. Продолжительность испытаний составляет 2 ч, если в нормативной документации не указано иное время. Пос­ле извлечения изделия из камеры его помещают в нормальные кли­матические условия, подают на него электрическое напряжение и выдерживают до полного оттаивания инея. Время выдержки, питаю­щие напряжения, методы контроля и другие параметры предусмат­риваются нормативной документацией на соответствующие изделия. Если в процессе выдержки изделия под электрическим напряжением в нем не произошло пробоя или поверхностного перекрытия, а вне­шний вид соответствует требованиям, то его признают выдержавшим испытание.