环境试验箱围护结构传热研究

    当前气候环境因素对各类工业产品、各种材料的性能和工作可靠性的影响已日益受到人们的重视,环境试验测试已成为产品质量考核的重要组成部分。由于高低温环境试验箱是一种小型的环境试验装置,所以经常使用该装置对产品进行高温或低温环境试验以及温度冲击试验,检验产品因温度变化所造成胀缩、老化等性能变化。一般情况下使用该装置需有温变速率要求,因为箱内温度变化较大,整个箱体的热量传递属于非稳态过程。试验箱在降温过程中,由于围护结构耗冷量占总耗冷量的比例甚大[1],因此研究围护结构降温过程传热特性及变化规律对合理确定制冷系统设备容量、提高试验箱的节能性能十分重要。

    1 试验装置及降温工况

    本实验采用某公司生产的程控式恒温恒湿机,工作技术参数为:温度范围100~70℃,空载条件下设计温降速率1℃/min,温度控制精度±0. 5℃。试验箱制冷系统由单级压缩式和复叠式两个制冷子系统组成,两子系统切换工作,并且共用同一个蒸发器和冷凝器。高温工况下采用单级压缩式制冷系统,制冷剂R22,法国泰康CAE9460T压缩机,名义制冷量为1514W;低温工况采用复叠式制冷系统,高温级制冷剂R404a,低温级制冷剂R23,两级压缩机均为泰康CAJ2464Z,最大制冷量3000W。

    试验工况选取如表1所示。选取根据为:

    1)试验箱由高温稳态到低温稳态的降温传热要复杂于从环境温度到低温稳态的传热;

    2)试验箱内的装、空载情况也可能对围护结构产生不同的影响;

    3)不同工况下,参数变化不同。

    2 围护结构物理模型和数学模型

    该试验箱围护结构共由3层材料组成:外层镀锌钢板,厚度1. 2mm ;中间层聚氨酯发泡材料,厚度100mm;内层SUS304钢板,厚度1. 2mm。围护结构外侧与环境空气接触,内侧与箱内空气接触,其传热过程可视为具有一维导热性质的3层大平壁导热。围护结构模型如图1所示。

    围护结构初始为稳态,由于箱体内、外存在温差,故其内部温度呈分段线性分布。箱内空气温度开始变化后,其属于非稳态导热,两侧边界条件都为第3类边界条件。当围护结构外壁温度高于环境温度时围护结构要向环境放热,而当外壁温度低于环境温度时要从环境吸热。

    假定围护结构物为常物性,则其非稳态导热微分方程及定解条件为:

    式中, t为围护结构温度,℃;a为围护结构导温系数,m²/s;tout为箱外环境空气温度,℃;Aout为箱外侧换热系数,W /(m2•e);tin为箱内空气温度,℃;αin为箱内侧换热系数,W /(m2•℃);D为围护结构总厚度,m;f(x)为围护结构初始温度分布,℃。