冷柜門(mén)封吸合面水蒸氣滲透速率的計(jì)算方法

宋楠 楊雪冬

1.澳柯瑪股份有限公司 山東青島 266510 2.青島海爾智能技術(shù)研發(fā)有限公司 山東青島 266000

冰箱、冷柜等常被用來(lái)儲(chǔ)存食品、生物制品及藥品等，在使用過(guò)程中外界環(huán)境中的高濕空氣通過(guò)冷柜門(mén)封吸合面滲入，帶來(lái)大量的濕負(fù)荷。滲入濕空氣中的水蒸氣降溫造成蒸發(fā)器壁面結(jié)霜，降低換熱性能；除霜不僅耗能，還需要停止冷柜的正常工作，導(dǎo)致內(nèi)部食品保存品質(zhì)的下降。因此，冷柜的節(jié)能及食品保存品質(zhì)的提升均要求減少水蒸氣滲入。

1 門(mén)封吸合面滲透類型

冷柜門(mén)封吸合面通常為橡膠金屬接觸面，由橡膠門(mén)封條和接觸的金屬箱體面組成，由于橡膠和金屬表面粗糙度的影響，實(shí)際門(mén)封吸合面存在微小縫隙，冷柜門(mén)封吸合面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 冷柜門(mén)封吸合面結(jié)構(gòu)

確定門(mén)封吸合面的滲透類型，首先需要測(cè)試非吸合狀態(tài)下軟硬表面的表面粗糙度的特征尺度，然后得出吸合力影響下的變形量，最后，經(jīng)計(jì)算得出吸合面表面縫隙的尺度。

非吸合狀態(tài)下軟硬表面的表面粗糙度的特征尺度。本文通過(guò)高分辨率共聚焦顯微鏡對(duì)某型冷柜橡膠門(mén)封條和金屬箱體進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量，分析門(mén)封吸合面表面縫隙的特征尺度大小，橡膠門(mén)封條和金屬箱體表面粗糙度值。

吸合力影響下的軟硬表面變形量特征尺度。吸合狀態(tài)下的門(mén)封吸合面表面形貌無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，本文通過(guò)材料力學(xué)彈性形變公式計(jì)算。當(dāng)存在接觸吸合應(yīng)力作用時(shí)，應(yīng)力作用使表面發(fā)生形變，導(dǎo)致門(mén)封吸合面的縫隙特征尺度發(fā)生變化。在如圖1所示的滲透路徑(門(mén)封吸合面)上，只有正向應(yīng)力作用，在應(yīng)力作用下粗糙表面的橫向彈性形變可采用材料力學(xué)公式。

2 基于實(shí)驗(yàn)的滲透特性系數(shù)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

實(shí)驗(yàn)的基本原理為：通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定通過(guò)吸合面滲透的水蒸氣質(zhì)流量速率和對(duì)應(yīng)的門(mén)封吸合面兩側(cè)的水蒸氣分壓差，通過(guò)擬合得出式中滲透特性系數(shù)Km值。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要獲得吸合面兩端不同水蒸氣分壓差下水蒸氣滲透速率的數(shù)據(jù)。測(cè)量門(mén)封吸合面水蒸氣滲透速率的實(shí)驗(yàn)原理是通過(guò)測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)恒定水蒸氣分壓力差的水蒸氣滲透量來(lái)計(jì)算水蒸氣滲透率，通過(guò)控制門(mén)封吸合面兩側(cè)濕度差來(lái)控制兩側(cè)的水蒸氣分壓差。圖2所示為實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)原理。實(shí)驗(yàn)裝置由濕度測(cè)試段，氣體內(nèi)循環(huán)及吸濕測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。濕度測(cè)試段由冷柜及布置在門(mén)封吸合面內(nèi)外的溫濕度傳感器組成，測(cè)量門(mén)封吸合面內(nèi)外的相對(duì)濕度及溫度。氣體內(nèi)循環(huán)及吸濕測(cè)試系統(tǒng)由微型氣泵，分析天平，密封瓶及干燥劑組成。微型氣泵將冷柜內(nèi)部的高濕氣體抽出至密封瓶?jī)?nèi)由干燥劑吸濕再循環(huán)送入冷柜內(nèi)部，密封瓶置于冷柜外側(cè)的分析天平上，可實(shí)時(shí)測(cè)量干燥劑質(zhì)量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由PC及安捷倫數(shù)據(jù)采集器組成，采集溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)[1]。

圖2 實(shí)驗(yàn)原理

2.2 計(jì)算公式誤差分析

根據(jù)上文確定的系數(shù)，利用式預(yù)測(cè)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)工況下對(duì)應(yīng)水蒸氣的滲透速率，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)照?qǐng)D如圖3所示。

圖3 水蒸氣滲透速率預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)照

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了水蒸氣通過(guò)冷柜門(mén)封的滲透規(guī)律，通過(guò)觀測(cè)門(mén)封吸合面表面形貌確定了水蒸氣通過(guò)門(mén)封的流動(dòng)類型，根據(jù)理論分析建立了水蒸氣通過(guò)門(mén)封滲透速率的計(jì)算公式，基于部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了滲透系數(shù)，開(kāi)發(fā)了水蒸氣通過(guò)門(mén)封滲透速率的計(jì)算方法。得到如下結(jié)論：

冷柜門(mén)封吸合面表面形貌符合多孔介質(zhì)特性，表面成像顯示特征尺度為微米級(jí)，遠(yuǎn)大于納米級(jí)的水蒸氣平均分子自由程，水蒸氣通過(guò)冷柜門(mén)封吸合面流動(dòng)雷諾數(shù)＜1，屬于低速黏性流動(dòng)，滿足滲透流動(dòng)的Darcy定律。依據(jù)Darcy定律建立的水蒸氣通過(guò)門(mén)封吸合面滲透速率計(jì)算公式，水蒸氣滲透速率可由水蒸氣分壓差、水蒸氣黏度和門(mén)封吸合面的滲透特性系數(shù)計(jì)算。滲透速率與吸合面兩端分壓力差以及滲透系數(shù)成正比，與水蒸氣黏度成反比。

通過(guò)冷柜門(mén)封吸合面水蒸氣滲透系數(shù)可由實(shí)驗(yàn)確定，對(duì)于某典型冷柜，依據(jù)在溫度27℃，大氣壓100.45kPa的環(huán)境下，水蒸氣分壓差0.71-2.78kPa范圍內(nèi)的水蒸氣滲透實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果擬合的門(mén)封水蒸氣滲透系數(shù)為-3.12×10-4，采用提出的水蒸氣滲透速率公式預(yù)測(cè)的水蒸氣通過(guò)門(mén)封吸合面滲透速率，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的最大誤差小于15%。