不同環(huán)境下包裝容器內(nèi)溫濕度變化試驗研究

王竟成，李軍念，張倫武，張丁非

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.甘肅敦煌大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，甘肅 敦煌 736202；3.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044）

自然環(huán)境試驗是支撐裝備及產(chǎn)品自主創(chuàng)新發(fā)展的必要手段，是服務(wù)國防和國民經(jīng)濟建設(shè)的國家重大基礎(chǔ)技術(shù)[1]。這項工程技術(shù)不僅是評價裝備和材料性能的重要手段，也是保障產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。自然環(huán)境試驗和研究獲得的數(shù)據(jù)與規(guī)律，準確可靠，符合使用實際，對于產(chǎn)品合理選材、正確選擇防護措施、延長使用壽命、減少經(jīng)濟損失都具有十分重要的意義。通過自然環(huán)境試驗技術(shù)掌握各種環(huán)境的性質(zhì)、特征和變化規(guī)律，分析各種環(huán)境對產(chǎn)品的影響，以調(diào)節(jié)和控制它們與環(huán)境的相互關(guān)系，能有效提高產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性[2]。行業(yè)內(nèi)眾多專家學者對自然環(huán)境試驗的試驗特點[3-4]、試驗實施[5-6]及其在產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程中的應(yīng)用[7]進行了探討。

影響產(chǎn)品性能的自然環(huán)境因素很多，其中溫度、濕度[8-9]和太陽輻射是最主要、普遍的三大因素。重要產(chǎn)品在使用和貯存過程中，采用密閉包裝容器對產(chǎn)品提供防護是常見的技術(shù)手段。自然環(huán)境下，包裝容器內(nèi)部的微環(huán)境信息對于產(chǎn)品的定壽、延壽、維護等至關(guān)重要。溫度能改變產(chǎn)品的物理化學特性：高溫引發(fā)材料軟化、干裂，氣體膨脹，金屬氧化等；低溫引發(fā)橡膠硬化、材料脆裂、油脂變黏發(fā)稠等；溫度交變會誘發(fā)裂紋萌生、界面開裂、凝水結(jié)霜等現(xiàn)象。濕度是表征大氣潮濕程度的參量。高濕會加速金屬腐蝕，電氣絕緣性能降低；低濕使產(chǎn)品產(chǎn)生干裂、脆化、粉化和靜電；干濕交替會加速材料返潮與電化學腐蝕。太陽輻射對產(chǎn)品的影響主要包括熱效應(yīng)和光化學效應(yīng)，文中僅研究太陽照射引起容器的輻射溫升。

本研究針對密閉包裝容器在戶外暴露、戶外遮蔽和室內(nèi)存放3種工況，采用傳感器采集、記錄環(huán)境與容器內(nèi)部的溫濕度數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)處理與對比分析，掌握容器在不同條件下的溫濕度分布、變化規(guī)律，從而為產(chǎn)品的使用和維護提供數(shù)據(jù)支撐，同時也為下一步的數(shù)值模擬、分析預測工作提供寶貴的試驗驗證。

1 試驗

1.1 試驗器件

包裝容器由外筒體、端蓋、底座、內(nèi)筒、木托、傳感器支架、熱負載（橡膠）、密封條等組成。底座用Q235鋼材焊接成形，表面采用熱浸鋅工藝防腐蝕。三棱柱式傳感器支架用鋼條焊接，用于固定溫濕度傳感器。外筒體采用6系列鋁合金板材卷焊成圓筒，外徑為850 mm，長度為1000 mm，兩端焊接16 mm厚的法蘭盤，配備10 mm厚的鋁合金端蓋，整體刷涂綠色聚氨酯涂料漆。端蓋與外筒體之間采用螺栓螺桿連接，并使用橡膠圈密封，保證容器的氣密性。用100 kg橡膠作為模擬產(chǎn)品的熱負載卷入內(nèi)筒，置于容器內(nèi)木托上。試驗實施前，利用除濕機對橡膠、木托進行48 h除濕處理，盡可能除去內(nèi)部水分。

傳感器采用HOBO U23-002，并通過專業(yè)機構(gòu)校核檢定，可靠性、穩(wěn)定性有保障，具體性能參數(shù)見表1。其記錄模塊內(nèi)存為64 kB，能存儲21 000組數(shù)據(jù)。將預先編號的標簽貼于記錄艙，使用專用軟件將傳感器激活，采集頻率設(shè)置為每10 min一次，可存儲145 d的數(shù)據(jù)。

表1 傳感器參數(shù)Tab.1 Performance parameters of sensor

1.2 試驗實施

容器內(nèi)各傳感器位置如圖1所示。1號傳感器位于橡膠上部外側(cè)（監(jiān)測點1）；2號傳感器位于容器內(nèi)空氣域上1/4處（監(jiān)測點2）；3號傳感器位于下1/4處（監(jiān)測點3）；4號傳感器位于容器外背陰處（監(jiān)測點4），用于監(jiān)測環(huán)境溫度。本次試驗共使用11個傳感器，監(jiān)測點1僅采集橡膠內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)。在某大氣試驗站投放3套包裝容器，1號置于室內(nèi)，表面不作任何遮擋；2、3號放于大氣試驗場，暴露在開闊、陽光不受遮擋的位置，并保證容器軸線為東西朝向。2號容器使用篷布覆蓋，3號容器不作遮擋。1、2、3號容器環(huán)境嚴酷性依次增加。

圖1 試驗傳感器布置Fig.1 the position of sensors

2 試驗結(jié)果及分析

傳感器每10 min采集一組數(shù)據(jù)，單個每天記錄144組數(shù)據(jù)。本次試驗周期為30 d。為更好地展現(xiàn)數(shù)據(jù)曲線的細節(jié)特征，僅繪制最具有代表性的6個日循環(huán)（11月10日7:30至15日21:00，約800組數(shù)據(jù)）的溫濕度變化，分別從溫度、濕度、溫濕度關(guān)聯(lián)性進行對比分析。

2.1 溫度變化

室內(nèi)1號容器監(jiān)測點的溫度變化情況如圖2所示。4條曲線走勢大致相同，溫差小于1.3 ℃。觀察期內(nèi)處于一個降溫過程，6 d后，室內(nèi)平均溫度下降3.5 ℃。室內(nèi)晝夜溫差約為1.1 ℃，白天溫度上升，夜間溫度下降，形成一個正弦峰。由于熱量的傳遞，容器內(nèi)溫度呈現(xiàn)類似正弦的變化。筒體內(nèi)部氣體溫度的極大值相比環(huán)境溫度極大值，滯后約2個采集點（約20 min）。因為橡膠熱容量較大，空氣的導熱能力又較弱，降溫過程中呈現(xiàn)出橡膠（0101）溫度＞容器內(nèi)空氣（0102/0103）溫度＞室內(nèi)（0104）溫度的分布規(guī)律。容器內(nèi)兩處空氣監(jiān)測點的溫度曲線基本契合，差異小于0.1 ℃。溫度曲線第3天沒有出現(xiàn)正弦型溫升峰，室內(nèi)溫度一路走低，推斷當天為陰雨天，后面的分析中將多次印證這一結(jié)論。

圖2 1號容器監(jiān)測點溫度變化Fig.2 The monitoring temperature of container No.1

暴露場中2、3號容器的溫度變化趨勢幾乎一致，僅數(shù)值上有差別，如圖3所示。戶外晝夜溫差約15 ℃，監(jiān)測點2溫度振幅高達30 ℃，篷布覆蓋后，監(jiān)測點2振幅減為25 ℃。完全暴露的3號容器，內(nèi)部溫度對外界因素更敏感，日間次級波動較多。2號容器內(nèi)溫度變化較平滑，濾去了日間很多細小波動。容器上半部在日照下產(chǎn)生輻射溫升，容器內(nèi)溫度明顯高于環(huán)境溫度，在熱傳導與對流傳熱的綜合作用下，容器內(nèi)部形成有規(guī)律的溫度梯度，日間呈現(xiàn)出監(jiān)測點2＞監(jiān)測點3＞監(jiān)測點1＞監(jiān)測點4的分布特征。與單純依靠熱傳導引起溫變的1號容器相比，太陽輻射的熱效應(yīng)致使2、3號容器內(nèi)產(chǎn)生較大溫升。溫度梯度最大時，3號容器監(jiān)測點2（0302）高于環(huán)境溫度（0304）約14 ℃，高于監(jiān)測點3（0303）約5 ℃，高于監(jiān)測點1（0301）約10 ℃。同等情況下，2號容器內(nèi)0202高于環(huán)境溫度約10 ℃，高于0203約4 ℃，高于0201約9 ℃。因此，篷布覆蓋在太陽照射下能起到一定的降溫作用。桶內(nèi)2、3號監(jiān)測點溫度幾乎同時達到極大值，1號監(jiān)測點極大值滯后7~18個采集點不等，與具體升溫過程有關(guān)。戶外環(huán)境下，桶內(nèi)溫度受太陽輻射影響最大，環(huán)境溫度降為次要因素，極大值超前滯后皆有出現(xiàn)。第3天沒有出現(xiàn)大幅正弦型溫升，可再次推斷第3天為陰雨天，查閱當天氣象記錄，印證了此推斷。在沒有太陽輻射的夜間或陰雨天，監(jiān)測點2、3的溫度曲線迅速重合，表征著容器內(nèi)空氣溫度趨于平衡。橡膠較高的比熱加上空氣較差的導熱能力，致使夜間橡膠溫度反而高于空氣溫度，最大時約高出6 ℃。

圖3 2、3號容器監(jiān)測點溫度變化Fig.3 The monitoring temperature of container No.2 and No.3

圖4a對比了室內(nèi)與戶外的環(huán)境溫度，戶外溫度次生波動較多，受日照變化、實時空氣對流條件等多種因素影響。戶外環(huán)境的瞬時變化對室內(nèi)環(huán)境幾乎沒有影響，室內(nèi)環(huán)境溫度曲線十分平滑，沒有細小波動；室內(nèi)濾去了戶外晝夜90%以上的溫度波動，提供了較溫和的貯存環(huán)境，有良好的防護作用。受外部降溫影響，室內(nèi)溫度亦逐日降低。圖4b為不同環(huán)境下監(jiān)測點1的溫度變化，表征了橡膠內(nèi)部的溫度變化。2、3號容器中，橡膠監(jiān)測點的溫度變化趨勢基本一致。2號容器中，橡膠晝夜溫度波動約為3號容器的80%。3號容器中，橡膠監(jiān)測點溫度極大值高于同等情況下2號監(jiān)測點約2.5 ℃，極小值低約1 ℃。同環(huán)境溫度一樣，1號容器內(nèi)橡膠溫度的晝夜波動（約0.5 ℃）遠小于戶外2、3號容器。

圖4 室內(nèi)外溫度與橡膠內(nèi)部溫度對比Fig.4 Comparison of (a) indoor and outdoor temperature and(b) rubber internal temperature

2.2 濕度變化

1號容器的濕度時程曲線（實線）如圖5所示，同時用虛線繪制了戶外（0304）濕度的變化作對比分析。戶外濕度曲線顯示，第3天（數(shù)據(jù)節(jié)點250~400）大氣相對濕度陡增，由20%~30%的水平上升到90%以上，進一步證實了當天出現(xiàn)降雨。降雨后的2天，大氣相對濕度比降雨前有較大提升，平均在55%左右。室內(nèi)環(huán)境相對濕度（0104）波動相對于戶外小很多，第3天由于戶外降雨引起庫室內(nèi)相對濕度上升，最高接近40%，說明戶外的相對濕度對室內(nèi)濕度有明顯影響。降雨后，室內(nèi)環(huán)境相對濕度由26%提升至36%。容器內(nèi)空氣相對濕度變化較小，保持在62.5%左右，監(jiān)測點2和監(jiān)測點3的數(shù)據(jù)幾乎重合，差異小于0.6%。結(jié)合上文溫度分析，室內(nèi)的2、3號監(jiān)測點僅使用一個傳感器即可滿足溫濕度監(jiān)測需求。容器內(nèi)空氣相對濕度受外界濕度變化影響較小，表明容器的氣密性良好。容器內(nèi)相對濕度明顯高于庫內(nèi)相對濕度，可能是由于封蓋后橡膠內(nèi)部水汽散發(fā)，集聚在容器內(nèi)所致。

圖5 1號容器相對濕度變化Fig.5 The variation of relative humidity in container No.1

暴露場中2、3號容器內(nèi)空氣相對濕度的變化曲線如圖6所示，兩者相對濕度變化趨勢高度相似，僅數(shù)值上有差別。日間總體呈現(xiàn)出RH0302＜RH0202＜RH0303＜RH0203的規(guī)律，夜間相對濕度曲線幾乎重合。對比上文不難發(fā)現(xiàn)，相對濕度與溫度的分布規(guī)律反向相關(guān)，溫度越高，相對濕度越低。日間3號容器內(nèi)監(jiān)測點2溫度最高，其相對濕度最低，最低值約為32%；夜間4個監(jiān)測點溫度趨于相同，其相對濕度曲線也幾乎重合。容器內(nèi)部的濕度雖有較大波動，但與環(huán)境的相對濕度沒有明顯相關(guān)性，進一步驗證了試驗容器具有良好的氣密性。

圖6 2、3號容器相對濕度變化Fig.6 The variation of relative humidity in container No.2 and No.3

2.3 溫濕度關(guān)聯(lián)

相對濕度直接反映了空氣中水汽含量距離飽和的程度，指空氣中水汽壓P與相同溫度下飽和水汽壓Ps的百分比，即：RH=P/Ps×100%[10]。飽和水汽壓是水汽達到飽和時的水汽壓強，它是溫度的函數(shù)，隨溫度升高顯著增大[11]。因此，相對濕度不僅與空氣中的水汽含量有關(guān)，也與溫度緊密相關(guān)。當水汽壓不變時，氣溫升高，飽和水汽壓增大，相對濕度會減小。圖7采用雙軸圖較好地展現(xiàn)了密閉容器內(nèi)溫度（實線）與相對濕度（虛線）的關(guān)聯(lián)性。選取試驗中最具代表性的1號容器與3號容器中監(jiān)測點2（0102和0302）的溫濕度數(shù)據(jù)制圖。與上述分析一致，密閉容器內(nèi)溫度高時，相對濕度低；溫度低時，相對濕度高，表現(xiàn)出較強的負相關(guān)性。上午筒內(nèi)溫度迅速升高，相對濕度一路走低。午后溫度達到極大值，相對濕度也下降到極小值。隨后筒內(nèi)溫度開始下降，相對濕度則開始上升。但溫度降至5 ℃附近時，相對濕度不再與溫度負相關(guān)，轉(zhuǎn)而隨溫度下降而下降。推測這一原因是筒內(nèi)局部水汽壓飽和，水汽冷凝析出，水汽總量減小，導致相對濕度下降。

圖7 溫濕度的關(guān)聯(lián)性Fig.7 The correlation between temperature and relative humidity

4 結(jié)論

1）太陽輻射會顯著引起試驗容器內(nèi)部溫升，加之熱傳導與熱對流的綜合作用，日間試驗容器內(nèi)部會形成較大的溫度梯度。

2）戶外條件下，容器內(nèi)局部空氣溫度可高于環(huán)境溫度14 ℃以上，橡膠局部溫度可高于環(huán)境4 ℃，而室內(nèi)容器內(nèi)外溫差小于1.3 ℃。

3）戶外晝夜溫差高達15 ℃時，使用篷布覆蓋能使試驗容器內(nèi)溫度波動下降約20%，室內(nèi)晝夜溫差僅為1.1 ℃。

4）戶外濕度對庫內(nèi)濕度有較大影響。試驗容器氣密性良好，容器內(nèi)相對濕度不受外界濕度變化的影響，但與容器內(nèi)溫度有較強負相關(guān)性。