冰箱能效恒溫恒濕實驗室送風系統(tǒng)

孔繁海 杜啟行 楊雷 劉漢陽 鄧林涓 劉媛/.山東省計量檢測中心；.山東省計量科學研究院

0 引言

冰箱能效恒溫恒濕實驗室送風系統(tǒng)多采用不等開孔率孔板、等截面風道送風，這種方式施工簡單，不同位置單位面積出風量相同、風速不同，可以滿足面積不大、環(huán)境溫濕度要求不高的實驗室要求。本文著重介紹了等開孔率孔板、非等截面風道的送風原理，并通過數(shù)學公式推導，給出實例數(shù)據(jù)，為面積較大或環(huán)境溫濕度控制準確度要求較高的實驗室建設提供了更為理想的解決方案。

1 實驗室對均勻送風的技術要求

為實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度的控制，冰箱能效恒溫恒濕實驗室會在幾何中心位置放置一組干濕球式溫控器，根據(jù)幾何中心點的干濕球溫度反饋運行相應的制冷、制熱和加濕程序，通過預先設計建造好的送風系統(tǒng)實現(xiàn)實驗室內(nèi)空氣冷熱交換，達到恒溫恒濕的目的。

參考GB/T 8059-2016《家用和類似用途制冷器具》和GB/T 21001.2-2015《制冷陳列柜 第2部分：分類、要求和試驗條件》的要求，針對不同類型產(chǎn)品的耗電量進行試驗，歸納出實驗室對環(huán)境溫濕度和環(huán)境風速技術要求，見表1。

冰箱能效恒溫恒濕實驗室面積小的為20 m2，大的為60 m2，使環(huán)境溫濕度和環(huán)境風速穩(wěn)定、均勻絕非易事，從表1可以看出，商用冷柜產(chǎn)品在環(huán)境相對濕度方面的要求很高。通過與企業(yè)接觸了解到，在家用電冰箱凝露試驗中，很多家電企業(yè)的企業(yè)標準對環(huán)境相對濕度的要求甚至提升到MPE：±2.5%RH，這就對實驗室送風系統(tǒng)設計提出了更高的要求。

表1 各項目技術要求

2 均勻送風的原理

想要實現(xiàn)均勻送風，需要實現(xiàn)實驗室送風孔板等開孔率及側(cè)孔各處靜壓相等，這是最為理想的狀態(tài)。

以等開孔率孔板、等截面風道送風為例，根據(jù)流體力學原理分析可得，隨著空氣從側(cè)孔不斷送出，沿水平氣流方向，風道內(nèi)風量不斷減少，水平方向的風速和動壓不斷降低，相應的復得靜壓也隨之增大。水平方向上，處于風道首端側(cè)孔的氣流方向幾乎平行于風道水平軸線，隨著氣流向末端移動而逐漸改變方向，接近風道末端側(cè)孔時，氣流方向與風道水平軸線接近垂直（見圖1），即沿送風方向，側(cè)孔氣流的出流角α會不斷增大，送風量也會逐漸增大。

圖1 等開孔率、等截面風道側(cè)視圖

由此可見側(cè)孔各處靜壓不相等，要解決這一問題，可以考慮用以下方法實現(xiàn)：

1）使用非等截面風道

對于內(nèi)表面較光滑的風道而言，因流速下降而產(chǎn)生的復得靜壓往往大于風道內(nèi)的壓力損失。這就需要沿送風方向逐漸減小風道高度，使多余的靜壓轉(zhuǎn)化為動壓，以實現(xiàn)風道所有位置靜壓保持一致。

2）每個側(cè)孔的流量系數(shù)μ（或局部阻力系數(shù)ξo）相等

側(cè)孔的流量系數(shù)取決于孔口形狀、出流角α，以及孔口送風量與孔口前風管內(nèi)風量之比。在一定范圍內(nèi)，為了簡化計算，工程上可以認為側(cè)孔的流量系數(shù)μ不變。

3）增大氣流出流角α

通常要求側(cè)孔出風時的流速大于首端風道內(nèi)的流速，保證第一個側(cè)孔的出流角α≥60°，即

式中：vj——靜壓速度，m/s；

vd——動壓速度，m/s；

pj——靜壓，Pa；

pd——動壓，Pa

為使氣流方向盡可能垂直于風道水平軸線，也可在孔口處設置導向葉片、送風格柵，或把側(cè)孔改為短管。

要實現(xiàn)均勻送風，可將風道首端水平方向的風速盡可能減少，使第一個側(cè)孔垂直方向的風速盡可能增大，風速大對應著阻力大，對應的靜壓也就大，風道內(nèi)靜壓與動壓的比值變大，說明出流角變大，有利于均勻送風。風道內(nèi)水平方向風速越小，沿程摩擦壓力損失和通路局部壓力損失越小，側(cè)孔間的靜壓差值也就越小，有利于均勻送風。

3 實際應用中的問題

考慮到建設成本，目前實驗室多使用等截面風道，即出風孔板與外圍保溫板之間形成了一個內(nèi)表面光滑的長方體靜壓箱，這個靜壓箱各處高度相同。通過前面介紹的原理可知，這種靜壓箱沿送風方向動壓會逐漸減小，相應的靜壓會逐漸增大（全壓=動壓+靜壓+沿程壓力損失+局部壓力損失）。出風孔板開孔率相同的情況下，靜壓大的位置出風量就更大，這將不利于實驗室溫濕度場的穩(wěn)定。為減小這一影響，可以通過沿送風方向逐漸減小孔板開孔率來實現(xiàn)不同位置的出風量相同。這是一種沿出風方向等風量、不等風速的送風方式，不是均勻送風。

實驗室建設中，由于結構和面積存在差異，不同實驗室在計算所需孔板開孔率時，結果不完全相同，這就使得定制孔板的成本大大提高。因此，為了降低成本，建設公司會批量定制開孔率相同的通用孔板，通過各種方式（比如用膠帶）堵住孔洞來改變某塊孔板的開孔率，這樣孔板上的孔洞很難做到均勻分布，無形中又為均勻送風引入新的不穩(wěn)定因素。對于面積較小和環(huán)境溫濕度控制準確度要求不高的實驗室，這種送風系統(tǒng)可以滿足要求，但是對于有高準確度控制需求的實驗室需使用等開孔率、非等截面風道送風方式。

4 等開孔率、非等截面風道數(shù)學模型推導

圖2 矩形等開孔率孔板、非等截面風道側(cè)視圖

設通過孔口目標速度v0=0.25 m/s，銳邊孔口的流量系數(shù)近似取μ=0.6，用式（1）求得靜壓速度。

用式（2）求得孔口處應具有的靜壓。

1）截面0處

風道出風口處（即截面0）尺寸已知，經(jīng)實際測量得出寬W：6 m；高H0：0.5 m。

用式（3）求得截面0處水平方向風量

用式（4）求得截面0處應具有的動壓

2）0～1段的總壓力損失計算

用式（5）求得截面0處單位長度沿程壓力損失

用式（6）求得0～1段通路局部壓力損失

用式（7）求得0～1段的總壓力損失

3）截面1處

用式（8）求得截面1處應具有的動壓

用式（9）求得截面1處應具有的動壓速度

用式（10）求得截面1處水平方向風量

用式（11）求得截面1的面積：

用式（12）求得截面1的高H1：

4）1～2段的總壓力損失計算

用式（13）求得單位長度沿程壓力損失

用式（14）求得通路局部壓力損失

用式（15）求得1～2段的總壓力損失

5）按上述步驟循環(huán)計算，可得到各截面高度，所得結果見表2。

由表2數(shù)據(jù)可以直觀地看出，各項參數(shù)的變化趨勢，實現(xiàn)了等開孔率、等靜壓送風，符合等開孔率、非等截面風道均勻送風原理。

表2 實例結果匯總

5 結語

想要實現(xiàn)較好的送風效果，最基本的實現(xiàn)條件為等風速、等靜壓。如果使用等截面風道送風，也可以通過其他手段實現(xiàn)相同效果，例如：通過復雜的數(shù)學計算設計復雜的送風支管，分別控制每個支管的送風量，實現(xiàn)各部位風速和靜壓的一致。但是相較于等開孔率、非等截面風道方案，無論設計還是施工方面，都明顯復雜得多，不利于實驗室建設的成本控制。因此，建議在實驗室面積較小或技術指標要求不高時可以考慮使用變開孔率、等截面風道送風方案，施工簡單，成本較低；而在實驗室面積較大或技術指標要求較高時，建議使用等開孔率、非等截面風道送風方案，在有限提升成本的前提下，可滿足高準確度控制環(huán)境溫濕度的要求。