Для глубокого охлаждения (до температуры -20...-80°С) деталей из высоколегированной стали, после их закалки, с целью повышения твердости и получения стабильных размеров деталей. Например, японская фирма Nikken - известный производитель высококачественного режущего инструмента выполняет низкотемпературную обработку каждой единицы инструмента. В технологическом процессе производства режущего инструмента и оснастки после цементации и закалки проводится обработка холодом при -90 С°. Применяемая термообработка позволяет устранить остаточный аустенит и получить 100% мартенситную структуру металла с высокими эксплуатационными качествами. Данная технологии производтва обеспечивает минимальный износ инструмента в течении многих лет работы. В США при производстве режущего инструмента из нержавеющей стали для упрочнения режущей кромки, также используется закалка с низкотемпературным охлаждением (при –84,4º С, т.н. процесс «sub zero quench»), что приводит к образованию структуры мартенсита, а это придает режущей кромке максимальную твердость и прочность, а также устойчивость к удержанию заточки лезвия. В России на предприятиях ВПК также широко используется закалка с низкотемпературным охлаждением деталей из высоколегированной стали с целью повысить срок службы измерительного и режущего инструмента, а также деталей подверженных повышенному износу. 


Сверхнизкотепературные камеры широко применяются в приборотроении для глубокого охлаждения с целью искусственного старения печатных плат, оптических линз и деталей из алюминиевых сплавов.

Наибольшее распространение получили термокамеры с такими диапазонами технических характеристик: полезный объем (вместимость) 0,015-2,0 м3; температура -70 ... +180 °С; скорость охлаждения от 20 до 70 °С 90-120 мин; скорость нагревания от 20 до 180 °С 40-60 мин; точность поддержания температуры 0,2-2,0 К. Однако есть термокамеры с большей вместимостью (до 1000 м3), более низкой (до -150 °С) и высокой (до 300 °С) предельными температурами. Термокамеры выполняют в виде прямоугольного блока, в котором скомпонованы собственно камера с теплоизоляцией, холодильное оборудование, пульт сигнализации и управления (рис. 1). Камера имеет теплоизолированный корпус 10, выполненный из коррозионно-стойкой стали, дверь 1 на петлях с резиновым уплотнением 4 по периметру, запорным устройством 3 и смотровым окном 2 с многослойным остеклением. Корпус изолируется эффективным температуростойким теплоизоляционным материалом (пенополиуретан, стекловата), толщину которого определяют исходя из рекомендуемой плотности теплового потока 16-20 Вт/м2. Теплоизоляция может быть расположена как внутри, так и снаружи несущего нагрузку корпуса камеры. Внутреннее расположение теплоизоляции исключает ее увлажнение при работе и уменьшает число тепловых мостиков в местах опоры корпуса. Но при этом увеличиваются размеры камеры.


Термокамеры


Термокамера состоит из: 

1 - дверь; 2 - смотровое окно; 3 - запорное устройство; 4 - уплотнение; 5 - полезный объем; 6 - вентилятор; 7 - пульт сигнализации и управления; 8 - нагнетательный канал; 9, 11 - решетки; 10 - теплоизолированный корпус; 12 - вентилятор; 13 - электродвигатель; 14 - испаритель; 15 - электронагреватель; 16 - холодильный агрегат

В охлаждаемом пространстве камеры находятся: конструкционно выделенное пространство с исследуемым объектом, называемое полезным объемом; охлаждающие батареи; крыльчатка вентилятора; воздуховоды и т.д. 

Значение полезного объема (далее по тексту просто объем камеры) является одной из основных технических характеристик испытательной камеры. Испаритель выполняют, как правило, из оребренных труб и оснащают вентиляторами, электродвигатели которых располагают вне охлаждаемого пространства. Система воздухораспределения включает каналы, решетки, жалюзи и обеспечивает подачу воздуха в объем с исследуемым объектом, как правило, снизу вверх. Электронагреватели [закрытые трубчатые и (или) открытые спиральные] размещают в воздуховоде. Холодильное оборудование располагают в нижней части блока, на общей опорной раме. Пульт управления обеспечивает: автоматическое регулирование режима работы камеры по заданному закону, автоматическое управление работой оборудования, автоматический контроль текущих значений параметров, автоматическую сигнализацию о достижении заданных значений параметров, автоматическую защиту от возникновения аварийных ситуаций. 

Термобарокамеры. 

Термобарокамеры позволяют испытывать объекты на воздействие отрицательных и положительных температур, а также вакуума в определенных диапазонах, с заданной скоростью их изменения и определенной точностью поддержания. 

Термобарокамеры используют:

  • для типового испытания изделий электротехнических, электронных, машиностроительных, авиационных, космических; исследования свойств материалов, биологических, медицинских, химических объектов.

Термобарокамеры нашли большее распространение, чем термокамеры, поэтому и диапазоны их технических характеристик шире: объем 0,5-100 м3; температура -70 ... +150 °С; давление 0,1-110 кПа; время охлаждения от 20 до -70 °С 90-120 мин, а время нагревания от 20 до 150 °С 40-60 мин; точность поддержания температур 0,2-2,0 К; точность поддержания давления 1 %; время снижения давления от 110 до 0,1 кПа 30-50 мин. Известны термобарокамеры с большим объемом (до 2000 м3), с более низкой (до -180 °С) и высокой (до 300 °С) предельными температурами, а также более низким вакуумом (до 0,001 Па). Термобарокамеры объемом до 8 м3 обычно имеют корпус цилиндрической формы, которая обеспечивает большие прочность и устойчивость к нагрузке, чем прямоугольная (рис. 2). Корпус камер большего объема часто выполняют многоугольной формы с ребрами жесткости. 

Термобарокамеры небольшого объема (до 2 м3) обычно выполняют в виде блока, внутри которого скомпоновано все необходимое оборудование. Камеры большего объема состоят из нескольких блоков: собственно камеры, холодильных агрегатов, вакуумных насосов, пульта управления и сигнализации. Теплоизоляцию располагают преимущественно снаружи вакуумируемого пространства, так как изоляция содержит в порах газ, для удаления которого требуется повышенная производительность вакуумного насоса. В термобарокамерах применяют два вида испарителей: воздухоохладители для передачи теплоты в основном конвекцией и панельные батареи для радиационного охлаждения при вакууме. Панельные батареи располагают по возможности ближе к испытываемому объекту (например, на стенках, ограждающих полезный объем) с целью увеличить эффективную площадь поверхности радиационного теплообмена.


Термобарокамера состоит из: 
1 - полезный объем; 2 - дверь; 3 - окно; 4 - теплоизолированный корпус; 5 - жалюзи; 6 - воздушный канал; 7 - вентилятор; 8 - электродвигатель; 9 - подвижная перегородка; 10, 12 - водяные теплообменники; 11 - испаритель; 13 - дренажный патрубок; 14 - электронагреватель; 15 - решетчатый настил

В камерах большого объема (свыше 10 м3) воздухоохладители небольшой производительности размещают вдоль стенок в промежутке между корпусом и панелями, ограждающими полезный объем. Такое распределение воздухоохладителей обеспечивает равномерность температуры воздуха в охлаждаемом пространстве и рациональное использование пространства. В ситуации, когда требуется высокая скорость достижения в камере заданного режима, предусматривают вспомогательные батареи для охлаждения теплоизоляции (батареи располагают внутри слоя изоляции) или охлаждения стального корпуса (батареи крепят к корпусу). Вентиляторы имеют двухскоростной электродвигатель, чтобы при низком давлении воздуха (обычно менее 29 кПа) перейти на большую частоту вращения вала, сохранив тем самым приемлемую интенсивность конвективного теплообмена. При достижении давления воздуха приблизительно 1,9 кПа вентилятор выключается, и работают только панельные батареи. Система нагревания состоит из многосекционных нагревательных элементов: трубчатых, спиральных и панельных. Последние размещают так же, как охлаждающие панельные батареи. В камерах большего объема предусматривают нагревание непосредственно стального корпуса в целях быстрого выхода на заданный режим. При работе камеры в режиме нагревания по мере снижения давления воздуха выключают нагреватели конвективного теплообмена при давлении 66,5 кПа, затем вентиляторы при давлении 13,3 кПа. Далее объект нагревают только панельные элементы. 

В испытательных камерах, обеспечивающих нагревание до 200 °С, предусматривают меры, исключающие чрезмерное повышение температуры, а значит, и давления, в системе холодильной установки, например, путем включения в работу верхней ветви каскада. А если возможно нагревание до более высокой температуры, то предусматривают и конструкционную защиту от чрезмерного нагревания испарителя, размещая испаритель 11 и электронагреватели 14 в каналах, разделенных теплоизолированной панелью и подвижной перегородкой 9 (см. рис. 2). С помощью перегородки 9 переключают каналы при изменении режима работы камеры. Водяные теплообменники 10, 12 охлаждают испаритель в период поддержания высокотемпературного режима. Вакуумная установка включает механические вакуумные насосы: одноступенчатые для получения давления до 1 Па, двухступенчатые для достижения давления 0,1 Па. Более низкое давление получают с помощью диффузионных вакуумных насосов. 

Термовлагокамеры. 

Термовлагокамеры позволяют испытывать объекты на воздействие отрицательных и положительных температур, а также влажности в определенных диапазонах, с заданной скоростью изменения и поддержания их с требуемой точностью. Диапазоны технических характеристик наиболее распространенных термовлагокамер таковы: объем 0,25-10 м3; температура -70...+100 °С; относительная влажность 10-98 %; точность поддержания влажности 2,5-5 %. Точность поддержания температуры, скорости охлаждения и нагревания соответствуют данным, указанным для термокамер. Испытание объекта на воздействие влажности проводят только при положительных температурах (от 10 °С и выше). Термовлагокамеры выполняют в виде одного или нескольких блоков в зависимости от объема. Влажность воздуха создается и поддерживается с помощью парогенератора, парокомпрессорной одноступенчатой холодильной машины, имеющей собственную охлаждающую батарею в камере, и электронагревателей. Иногда холодильные машины этой системы используют в пусковой период совместно с основными для охлаждения камеры. 

Термовлагобарокамеры. 

Термовлагобарокамеры камеры сочетают возможности рассмотренных ранее типов камер, а по диапазонам технических характеристик и компоновке конструкции аналогичны термобарокамерам. 

Ультранизкотемпературные каскадные холодильные машины предназначены для охлаждения промежуточного теплоносителя в системах холодоснабжения аппаратов и камер глубокой заморозки, сублимационной сушки, технологического оборудования предприятий химической и фармацевтической промышленности, испытательного оборудования машиностроительных предприятий и др.

          

Ультранизкотемпературные каскадные холодильные машины, как правило, состоят из двух каскадов - холодильных контуров с различными хладагентами, и используются для охлаждения промежуточного хладоносителя до  -80 С. Верхний каскад охлаждает конденсатор нижнего каскада, а нижний каскад охлаждает промежуточный хладоноситель. В верхнем каскаде, как правило, используется хладагент R404А или R507A, а в нижнем - хладагент высокого давления типа R23 или аналогичный ему. Для охлаждения хладоносителя до ультранизких температур -120 С используются каскадные холодильные машины состоящие из трёх каскадов - холодильных контуров с различными хладагентами. Конденсатор верхнего каскада, как правило, с водяным охлаждением, но возможно и воздушное охдаждение. В качестве промежуточного хладоносителя используются R30 или R11 в жидком состоянии, или спирты (метиловый, этиловый, пропиловый), если позволяют требования безопасности. 


При температурах промежуточного хладоносителя ниже -40 С каскадная холодильная машина всегда выгодней двух- и трёхступенчатой, т.е. её размеры и масса меньше,  ресурс, надежность, холодильный коэффициент ( СОР ) и общий КПД выше, чем у двух- и трёхступенчатой. Преимущества каскадной машины перед двух- и трёхступенчатой значительно растут при снижении температуры. Это обусловлено следующими свойствами хладагентов высокого давления, которые используются в нижних каскадах холодильных машин:

  • Высокие значения абсолютного давления всасывания;
  • Высокая плотность и малый удельный объем всасываемого пара, следоватенльно, требуется меньше объёмная производительность компрессора и как следствие меньше его габариты и вес;
  • Значительно меньше отношение давлений нагнетание/всасывание;
  • Из-за больших абсолютных значений давления всасывания и малого отношения давлений объемные и энергетические коэффициенты (КПД) повышаются; это приводит к снижению энергетических затрат и повышению экономичности машины;
  • Благодаря большим абсолютным значениям давления всасывания и малому отношению давлений, снижается термическая нагрузка на масло и мехническая нагрузка на узлы трения компрессора, что увеличивает надежность и ресурс работы компрессора, а также позволяет получать значительно более низкие температуры, чем на двух- и трёхступенчатых холодильных машинах.

    Ультранизкотемпературные каскадные холодильные машины производимые Группой  компаний ФРИГОДИЗАЙН отличаются рядом преимуществ: 

  • Широкий ряд холодопроизводительностей: от 1 до 400 кВт;
  • Широкий диапазон температур промежуточного хладоносителя: -45 С ... -20 С для машин на СО2,  для остальных двухкаскадных машин -80 С ... -35 С или -80 С ... -50 С в зависимости от исполнения, а для трехкаскадных машин  -80 С ... -120 С;
  • Возможность ступенчатого или плавного регулирования холодопроизводительности (опция);
  • Небольшие габаритные размеры и масса, благодаря пространственной компоновке и применению стального прямоугольного замкнутого профиля в конструкции рамы;
  • Низкий уровень шума и вибраций, за счет установки компрессоров на резиновых амортизаторах;
  • Низкое энергопотребление, высокий холодильный коэффициент ( СОР ) и общий КПД, благодаря оптимизации параметров холодильного цикла, применению регенетативных теплообменников и высокоэффективных пластинчатых теплообменников из нержавеющей стали;
  • Применение инновационных технических решений, высокоэффективных компрессоров BITZER, BOCK, J&E HALL и самых современных  компонентов; 
  • Экологическая безопасность, благодаря применению азонобезопасных хладагентов:  R404A, R507A, R23, R508A, R508B, R170, R14 и CO2;
  • Простота монтажа, за счет полной готовности машины и минимальному количеству подключений;
  • Простота эксплуатации, благодаря эргономичной конструкции, полной автоматизации работы машины и применению современных электронных контроллеров;
  • Простота обслуживания и ремонта, благодаря удобной компоновке; 
  • Превосходная экономическая эффективность;
  • Варианты исполнения с удаленным шкафом управления; 
  • Возможность использования удаленного компьютерного управления и мониторинга (опция); 
  • Высокоэффективное водяное охлаждение конденсатора и компрессора;
  • Возможность использования воздушного конденсатора, в том числе выносного (опция);
  • Взрывозащищённое исполнение (опция);
  • Возможно исполнение по Техническому Заданию заказчика.