冷凍空間門(mén)封空氣滲透特性實(shí)驗(yàn)研究

許旭東，夏廣輝，趙丹，丁國(guó)良，胡海濤1

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

冷凍空間門(mén)封空氣滲透特性實(shí)驗(yàn)研究

許旭東*，夏廣輝，趙丹，丁國(guó)良，胡海濤**1

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

冷凍空間溫度上下波動(dòng)時(shí)，門(mén)封軟硬吸合面周期性地吸入外界熱空氣和呼出內(nèi)部冷空氣的“呼吸效應(yīng)”導(dǎo)致能耗上升。為了減弱其不利影響，需要掌握“呼吸效應(yīng)”的機(jī)理。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了冷凍空間內(nèi)外壓差和初始門(mén)封吸合應(yīng)力對(duì)軟硬吸合面空氣滲透量的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在冷凍空間正常工況運(yùn)行對(duì)應(yīng)的軟硬吸合面內(nèi)外壓差范圍（-100 Pa～100 Pa）內(nèi)變化時(shí)，單位長(zhǎng)度軟硬吸合面滲透量對(duì)應(yīng)變化范圍為(-0.175～0.9) L/(m·min)。在相同初始吸合應(yīng)力下，滲透量絕對(duì)值隨壓差絕對(duì)值增大而增大，且在負(fù)壓工況下為線性關(guān)系，在正壓工況下為非線性關(guān)系；在相同內(nèi)外壓差工況下，初始吸合應(yīng)力從487 Pa增大到924 Pa時(shí)，滲透量絕對(duì)值隨吸合應(yīng)力的增加而減小，滲透量絕對(duì)值最大減小接近60%。

冷凍空間；門(mén)封；滲透量；實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

冰箱、冷柜等冷凍空間常被用于食品、藥品及生物制品等的低溫保存。維持這些低溫環(huán)境需消耗大量能量，其中用于抵消門(mén)封處空氣滲入熱負(fù)荷所需的耗能占到冷凍設(shè)備耗能的20%以上[1-3]。因此，冷凍設(shè)備的節(jié)能需要減少門(mén)封處的空氣滲入。

空氣滲入冷凍空間的主要方式是門(mén)封軟硬吸合面的“呼吸效應(yīng)”?！昂粑?yīng)”是冷凍空間溫度上下波動(dòng)時(shí)，門(mén)封軟硬吸合面周期性地吸入外界熱空氣和呼出內(nèi)部冷空氣的效應(yīng)。由于冷凍空間溫度控制大多采取壓縮機(jī)周期性開(kāi)停的方法，使冷凍空間溫度在設(shè)定的溫度上下限內(nèi)波動(dòng)[4-6]，壓力也發(fā)生周期性變化；而外界環(huán)境壓力基本保持不變，這就導(dǎo)致冷凍空間與外界環(huán)境壓差周期性變化，進(jìn)而使門(mén)封吸合面（冷凍空間和外界環(huán)境的唯一空氣通道）周期性“吸入”外界熱空氣和“呼出”冷凍空間內(nèi)的冷空氣，導(dǎo)致冷凍空間熱量侵入以及冷量的喪失[7-8]。

為了減少“呼吸效應(yīng)”導(dǎo)致的不利影響，如果只簡(jiǎn)單地將門(mén)緊緊密封來(lái)減少空氣滲透，會(huì)導(dǎo)致冷凍空間正常運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)外壓差過(guò)大，使得冷凍空間的門(mén)無(wú)法打開(kāi)[7]。因此，為了減小呼吸效影響并使冷凍空間的門(mén)正常打開(kāi)，則需要明確門(mén)封軟硬吸合面呼吸效應(yīng)的關(guān)鍵是量化門(mén)封軟硬吸合面空氣滲透量的影響因素。門(mén)封處空氣滲透量主要取決于門(mén)內(nèi)外壓差和門(mén)封吸合應(yīng)力兩個(gè)影響因素[8-9]。門(mén)內(nèi)外的壓差是門(mén)封滲透的推動(dòng)勢(shì)，是空氣滲透的動(dòng)力；門(mén)封的吸合應(yīng)力決定了空氣滲透路徑，吸合應(yīng)力越大，滲透路徑越狹小。因此，明確門(mén)封軟硬吸合面呼吸效應(yīng)的機(jī)理，需要首先量化研究門(mén)內(nèi)外壓差和門(mén)封吸合應(yīng)力對(duì)門(mén)封軟硬吸合面空氣滲透量的影響。

量化冷凍空間門(mén)封軟硬吸合面空氣滲透量，可借助于密閉空間泄漏測(cè)試的方法?，F(xiàn)有的氣體泄漏測(cè)試方法有氣泡法、壓力變化法、流量法、示蹤氣體法、超聲波法[10]和紅外熱成像法[11]。其中氣泡法為傳統(tǒng)濕式檢測(cè)方法，通過(guò)將容器充氣加壓并浸沒(méi)于水中測(cè)量排出氣泡體積的原理測(cè)量泄漏量大小，但對(duì)于體積較大的容器不便于檢測(cè)[12]。超聲波法和紅外熱成像法利用波譜分析的原理測(cè)試泄漏量，兩種方法均成本高且易受環(huán)境影響[12]。壓力變化法包含直壓法和差壓法，通過(guò)給容器加壓充氣并測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)壓力變化，結(jié)合氣體狀態(tài)方程測(cè)量容器泄漏量[13-14]。示蹤氣體法是通過(guò)測(cè)量空間內(nèi)示蹤氣體濃度變化來(lái)間接測(cè)量空間氣體滲透量，此方法可測(cè)量家用冰箱在運(yùn)行過(guò)程中門(mén)封空氣滲透量[15]。上述方法適用于測(cè)量密封件在一段時(shí)間內(nèi)氣體的總滲透量，而無(wú)法測(cè)量在定壓差下空氣的滲透量。直接測(cè)量流量方法適用于定壓差下空氣的滲透量，已經(jīng)用于橡膠密封件的滲透量的測(cè)量[16-17]，但此測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)僅適用于大壓差（壓差大于1 kPa）下氣體滲透量的測(cè)量，而不適用于冷凍空間小壓差（不超過(guò)100 Pa）工況下門(mén)封氣體滲透量的測(cè)量?，F(xiàn)有的空氣滲透量測(cè)試方法無(wú)法直接用于冷凍空間門(mén)封吸合面滲透量的測(cè)量，為了量化門(mén)內(nèi)外壓差和門(mén)封吸合應(yīng)力對(duì)門(mén)封軟硬吸合面空氣滲透量的影響，需要對(duì)冷凍空間門(mén)封氣體滲透量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 測(cè)試對(duì)象及實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 測(cè)試對(duì)象

本文測(cè)試對(duì)象為某型冷柜門(mén)封條，選取該冷柜作為測(cè)試的冷凍空間。門(mén)封條由氣囊和PVC材質(zhì)組成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。門(mén)封條通過(guò)膠粘及Ω槽配合安裝于冷柜門(mén)上。門(mén)封條與冷柜箱體側(cè)邊頂部接合，形成軟硬吸合面，實(shí)現(xiàn)了門(mén)體附近的密封。冷柜門(mén)受力分析簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖1 冷凍空間實(shí)物及門(mén)封局部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 冷柜門(mén)受力分析簡(jiǎn)圖

門(mén)的重力Gd和箱體側(cè)邊的支持力FN以及內(nèi)外空氣壓差所帶來(lái)的空氣壓力FA平衡,箱體側(cè)邊的支持力也即門(mén)封和箱體側(cè)邊的接觸壓力越大，兩者的吸合應(yīng)力越大，可通過(guò)在冷柜門(mén)上放置一定重量Gw的砝碼改變接觸壓力FN。因此，軟硬吸合面的吸合應(yīng)力可用公式(1)表示。

式中：

As——門(mén)封與箱體側(cè)邊接觸面積，m2；

FN——作用于軟硬吸合面的接觸壓力，N。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

實(shí)驗(yàn)裝置包括實(shí)驗(yàn)測(cè)試段、氣體輸送系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試段由門(mén)封軟硬吸合面及其周?chē)臏囟?、壓差、濕度測(cè)量元件組成。氣體輸送段包括微型氣體泵、流量調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)和輸送管道組成。微型泵用于提供恒定流量氣體；流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量，改變內(nèi)外壓差；流量計(jì)用于測(cè)量氣體的流量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由安捷倫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和PC機(jī)組成。濕度傳感器用于測(cè)量?jī)?nèi)外濕度，熱電偶用于測(cè)量?jī)?nèi)外溫度。實(shí)驗(yàn)儀器選型見(jiàn)表1。

圖3 實(shí)驗(yàn)原理圖

表1 測(cè)試參數(shù)及儀器選型

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3 結(jié)論

[6] 陳煒. 通過(guò)開(kāi)停控制降低三系統(tǒng)冰箱能耗分析[J]. 制冷技術(shù), 2011, 31(1): 35-37.

[7] 孟巖勇, 南曉紅. 冷庫(kù)門(mén)在熱壓作用下冷量滲透的數(shù)值模擬[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2007, 26(2): 40-41.

[8] 石亞鋒. 單門(mén)大冰箱門(mén)體開(kāi)啟困難問(wèn)題的分析及解決[J]. 中國(guó)機(jī)械, 2014, 33(6): 61-62.

[9] 謝如鶴, 呂寧, 劉廣海. 冷藏運(yùn)輸單元的動(dòng)態(tài)滲風(fēng)機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2014, 35(5): 49-54.

[10] 張玉芝. 基于DSP 的氣體泄漏超聲波檢測(cè)系統(tǒng)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2009, 25(2): 158-160.

[11] 趙苓. 基于紅外圖像的氣體泄漏檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京: 北京理工大學(xué), 2011.

[12] 王濤, 王東穎, 范偉. 氣體泄漏檢測(cè)新方法的研究進(jìn)展[J]. 液壓與氣動(dòng), 2015, 39(10): 1-10.

[13] 季增連, 王道順. 直壓式氣體泄漏檢測(cè)技術(shù)的研究[J].中國(guó)儀器儀表, 2007, 27(11): 30-32.

[14] 劉衛(wèi)平, 王明泉. 差壓法檢測(cè)壓力氣體泄漏的研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化, 2010, 38(1): 133-135.

[15] AFONSO C, CASTRO M. Air infiltration in domestic refrigerators: The influence of the magnetic seals conservation[J]. International Journal of Refrigeration, 2010, 33(4): 856-867.

[16] KE Y C, YAO X F, YANG H, et al. A measuring method of gas leakage along the contact interface of the stripped rubber seals[J]. Measurement, 2015, 61: 299-304.

[17] CASTON T B, MURPHY A R, HARRIS T A L. Effect of weave tightness and structure on the in-plane and through-plane air permeability of woven carbon fibers for gas diffusion layers[J]. Journal of power sources, 2011, 196(2): 709-716.

Experimental Research on Air Infiltration Properties of Magnetic Seals for Refrigeration Room

XU Xu-dong*, XIA Guang-hui, ZHAO Dan, DING Guo-liang, HU Hai-tao**
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

When the temperature of refrigeration room fluctuates, the outside hot air and inside cold air of refrigeration room flow across the magnetic seals periodically, which is called breathing effect and leads to the increase of energy consumption. To reduce the adverse effect, mechanism of breathing effect should be investigated. In this paper, the influence of some factors including pressure difference and initial actuation stress on air infiltration are investigated. Results show that, when the pressure difference of inside and outside air changes within the ranges corresponding to the normal operation conditions for the refrigeration room (?100 Pa～100 Pa), the air infiltration through unit length magnetic seals varies from (?0.175～0.9) L/(m·min). Within the same initial actuation stress, the absolute air infiltration increases with the increase of absolute pressure difference, and has a linear relationship with absolute pressure difference under negative pressure conditions, while it has a nonlinear relationship under positive pressure conditions. With the increase of initial actuation stress from 487 Pa to 924 Pa, the air infiltration of the same pressure difference shows a maximum decrease of nearly 60%.

Refrigeration room; Magnetic seals; Air infiltration; Experimental research

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.06.103

*許旭東（1992-），男，碩士生。研究方向：冰箱系統(tǒng)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

**胡海濤（通訊作者），男，副教授、博士生導(dǎo)師。研究方向：制冷系統(tǒng)強(qiáng)化傳熱、制冷系統(tǒng)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)；聯(lián)系地址：上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院制冷所，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34206295。E-mail：huhaitao2001@sjtu.edu.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51506117）、中國(guó)博士后基金（2015M581610）、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃項(xiàng)目（16XD1401500）。