隔热室体传热系数和蓄热系数的非稳态测量

　　1 前 言

　　保温隔热室体在制冷、空调、冷藏运输、保温和干燥等工程领域中应用极其广泛,其自身热性能参数决定它的温室环境热工性能。表征隔热性能的传热系数和表征蓄热性能的蓄热系数是隔热室体热工性能的重要指标,也是温室升温、降温过程的主要决定因素。由于各种室体的结构形状各异、不规则,往往由多层材料的复杂结构构造,很难进行其热性能参数的准确计算,对于特殊结构形式,计算更为复杂,所以往往需要结合必要的试验测定。现在,广泛采用的试验测定方法主要是热平衡稳态方法[1~3],这些方法只能测定传热系数,无法实现室体综合蓄热性能参数的测定;另外热平衡时间较长,平衡稳定难度大,不利于快速测量和自动化测量。本文在建立表征室体结构传热性能特征的基本方程基础上,提出相应的非稳态分析理论及其试验方法,实现室体自身传热性能和蓄热性能的分析研究和试验确定。

　　2 基本原理

　　非稳态方法的实质是利用室体内空气的加热或冷却的变态过程来分析确定室体结构的热性能参数,它用室体热平衡微分方程式作为基本的研究依据。

　　2.1 加热温升过程

　　建立室体恒源加热(Q=常数)非稳态热平衡微分方程:

　　式中,Q为恒源加热量,K为传热系数,F为传热面积,t、t₀分别为室体内、外空气温度, W为蓄热系数,S为时间。

　　通常情况下,室体外部大环境的空气温度基本不变(t₀=C)。因此,上式可用过余温度H=t-t₀表示,

　　式(2)常微分方程的通解为

　　初始条件:S=0时,t=t0,即H=0;所以有C=-Q/(KF)。

　　令A=Q/(KF), B=KF/ W,则有

　　由以上分析可知,升温过程时,保温室体内空气温度变化服从指数关系,温度变化速率决定于表征隔热性能的传热系数K和表征蓄热性能的蓄热系数W。为了确定K、W两个传热特征参数,必须通过试验过程数据处理,从式(4)中首先分离A、B系数,然后确定K、W值。

　　2.2 自然降温过程

　　建立室体自然降温(Q=0,t0=常数)非稳态热平衡微分方程:

　　利用过余温度H=t-t₀表示:

或

　　式(9)常微分方程的通解为

　　初始条件:S=0时, t = tmax ,即H=H₀(H₀= t_max - t₀) ;则C=H₀;因此,

　　由式(11)可知,自然降温过程时,保温室体内空气温度变化也服从指数关系,温度变化速率只决定于传热系数K和蓄热系数W。由此利用试验过程数据处理,从式(11)中回归分离出B系数,来确定K或W热性能参数。