宋楠 楊雪冬

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冰箱、冷柜等常被用來儲存食品、生物制品及藥品等，在使用過程中外界環(huán)境中的高濕空氣通過冷柜門封吸合面滲入，帶來大量的濕負荷。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 門封吸合面滲透類型

冷柜門封吸合面通常為橡膠金屬接觸面，由橡膠門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，實際門封吸合面存在微小縫隙，冷柜門封吸合面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 冷柜門封吸合面結(jié)構(gòu)

確定門封吸合面的滲透類型，首先需要測試非吸合狀態(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。本文通過高分辨率共聚焦顯微鏡對某型冷柜橡膠門封條和金屬箱體進行表面粗糙度測量，分析門封吸合面表面縫隙的特征尺度大小，橡膠門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)下的門封吸合面表面形貌無法通過實驗獲得，本文通過材料力學(xué)彈性形變公式計算。當(dāng)存在接觸吸合應(yīng)力作用時，應(yīng)力作用使表面發(fā)生形變，導(dǎo)致門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 基于實驗的滲透特性系數(shù)

2.1 實驗原理及裝置

實驗的基本原理為：通過實驗測定通過吸合面滲透的水蒸氣質(zhì)流量速率和對應(yīng)的門封吸合面兩側(cè)的水蒸氣分壓差，通過擬合得出式中滲透特性系數(shù)Km值。實驗過程中，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)。測量門封吸合面水蒸氣滲透速率的實驗原理是通過測量一段時間內(nèi)恒定水蒸氣分壓力差的水蒸氣滲透量來計算水蒸氣滲透率，通過控制門封吸合面兩側(cè)濕度差來控制兩側(cè)的水蒸氣分壓差。圖2所示為實驗裝置及實驗原理。實驗裝置由濕度測試段，氣體內(nèi)循環(huán)及吸濕測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。濕度測試段由冷柜及布置在門封吸合面內(nèi)外的溫濕度傳感器組成，測量門封吸合面內(nèi)外的相對濕度及溫度。氣體內(nèi)循環(huán)及吸濕測試系統(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內(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，可實時測量干燥劑質(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 實驗原理

2.2 計算公式誤差分析

根據(jù)上文確定的系數(shù)，利用式預(yù)測相應(yīng)實驗工況下對應(yīng)水蒸氣的滲透速率，預(yù)測值與實驗值對照圖如圖3所示。

圖3 水蒸氣滲透速率預(yù)測值與實驗值對照

3 結(jié)語

本文研究了水蒸氣通過冷柜門封的滲透規(guī)律，通過觀測門封吸合面表面形貌確定了水蒸氣通過門封的流動類型，根據(jù)理論分析建立了水蒸氣通過門封滲透速率的計算公式，基于部分實驗數(shù)據(jù)擬合了滲透系數(shù)，開發(fā)了水蒸氣通過門封滲透速率的計算方法。得到如下結(jié)論：

冷柜門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，遠大于納米級的水蒸氣平均分子自由程，水蒸氣通過冷柜門封吸合面流動雷諾數(shù)＜1，屬于低速黏性流動，滿足滲透流動的Darcy定律。依據(jù)Darcy定律建立的水蒸氣通過門封吸合面滲透速率計算公式，水蒸氣滲透速率可由水蒸氣分壓差、水蒸氣黏度和門封吸合面的滲透特性系數(shù)計算。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。

通過冷柜門封吸合面水蒸氣滲透系數(shù)可由實驗確定，對于某典型冷柜，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)的水蒸氣滲透實驗數(shù)據(jù)結(jié)果擬合的門封水蒸氣滲透系數(shù)為-3.12×10-4，采用提出的水蒸氣滲透速率公式預(yù)測的水蒸氣通過門封吸合面滲透速率，預(yù)測值與實驗值的最大誤差小于15%。