孔繁海 杜啟行 楊雷 劉漢陽 鄧林涓 劉媛/.山東省計(jì)量檢測(cè)中心；.山東省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

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

1 實(shí)驗(yàn)室對(duì)均勻送風(fēng)的技術(shù)要求

為實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫濕度的控制，冰箱能效恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室會(huì)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(diǎn)的干濕球溫度反饋運(yùn)行相應(yīng)的制冷、制熱和加濕程序，通過預(yù)先設(shè)計(jì)建造好的送風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣冷熱交換，達(dá)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(yàn)條件》的要求，針對(duì)不同類型產(chǎn)品的耗電量進(jìn)行試驗(yàn)，歸納出實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境溫濕度和環(huán)境風(fēng)速技術(shù)要求，見表1。

冰箱能效恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)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(fēng)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(duì)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(yàn)中，很多家電企業(yè)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)環(huán)境相對(duì)濕度的要求甚至提升到MPE：±2.5%RH，這就對(duì)實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

表1 各項(xiàng)目技術(shù)要求

2 均勻送風(fēng)的原理

想要實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)，需要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)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(fēng)道送風(fēng)為例，根據(jù)流體力學(xué)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(fēng)道內(nèi)風(fēng)量不斷減少，水平方向的風(fēng)速和動(dòng)壓不斷降低，相應(yīng)的復(fù)得靜壓也隨之增大。水平方向上，處于風(fēng)道首端側(cè)孔的氣流方向幾乎平行于風(fēng)道水平軸線，隨著氣流向末端移動(dòng)而逐漸改變方向，接近風(fēng)道末端側(cè)孔時(shí)，氣流方向與風(fēng)道水平軸線接近垂直（見圖1），即沿送風(fēng)方向，側(cè)孔氣流的出流角α?xí)粩嘣龃?，送風(fēng)量也會(huì)逐漸增大。

圖1 等開孔率、等截面風(fēng)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(shí)現(xiàn)：

1）使用非等截面風(fēng)道

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

2）每個(gè)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(fēng)量與孔口前風(fēng)管內(nèi)風(fēng)量之比。在一定范圍內(nèi)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，工程上可以認(rèn)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(fēng)時(shí)的流速大于首端風(fēng)道內(nèi)的流速，保證第一個(gè)側(cè)孔的出流角α≥60°，即

式中：vj——靜壓速度，m/s；

vd——?jiǎng)訅核俣?，m/s；

pj——靜壓，Pa；

pd——?jiǎng)訅?，Pa

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

要實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)，可將風(fēng)道首端水平方向的風(fēng)速盡可能減少，使第一個(gè)側(cè)孔垂直方向的風(fēng)速盡可能增大，風(fēng)速大對(duì)應(yīng)著阻力大，對(duì)應(yīng)的靜壓也就大，風(fēng)道內(nèi)靜壓與動(dòng)壓的比值變大，說明出流角變大，有利于均勻送風(fēng)。風(fēng)道內(nèi)水平方向風(fēng)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(fēng)。

3 實(shí)際應(yīng)用中的問題

考慮到建設(shè)成本，目前實(shí)驗(yàn)室多使用等截面風(fēng)道，即出風(fēng)孔板與外圍保溫板之間形成了一個(gè)內(nèi)表面光滑的長(zhǎng)方體靜壓箱，這個(gè)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(fēng)方向動(dòng)壓會(huì)逐漸減小，相應(yīng)的靜壓會(huì)逐漸增大（全壓=動(dòng)壓+靜壓+沿程壓力損失+局部壓力損失）。出風(fēng)孔板開孔率相同的情況下，靜壓大的位置出風(fēng)量就更大，這將不利于實(shí)驗(yàn)室溫濕度場(chǎng)的穩(wěn)定。為減小這一影響，可以通過沿送風(fēng)方向逐漸減小孔板開孔率來實(shí)現(xiàn)不同位置的出風(fēng)量相同。這是一種沿出風(fēng)方向等風(fēng)量、不等風(fēng)速的送風(fēng)方式，不是均勻送風(fēng)。

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，由于結(jié)構(gòu)和面積存在差異，不同實(shí)驗(yàn)室在計(jì)算所需孔板開孔率時(shí)，結(jié)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(shè)公司會(huì)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(fēng)引入新的不穩(wěn)定因素。對(duì)于面積較小和環(huán)境溫濕度控制準(zhǔn)確度要求不高的實(shí)驗(yàn)室，這種送風(fēng)系統(tǒng)可以滿足要求，但是對(duì)于有高準(zhǔn)確度控制需求的實(shí)驗(yàn)室需使用等開孔率、非等截面風(fēng)道送風(fēng)方式。

4 等開孔率、非等截面風(fēng)道數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

圖2 矩形等開孔率孔板、非等截面風(fēng)道側(cè)視圖

設(shè)通過孔口目標(biāo)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(yīng)具有的靜壓。

1）截面0處

風(fēng)道出風(fēng)口處（即截面0）尺寸已知，經(jīng)實(shí)際測(cè)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(fēng)量

用式（4）求得截面0處應(yīng)具有的動(dòng)壓

2）0～1段的總壓力損失計(jì)算

用式（5）求得截面0處單位長(zhǎng)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(yīng)具有的動(dòng)壓

用式（9）求得截面1處應(yīng)具有的動(dòng)壓速度

用式（10）求得截面1處水平方向風(fēng)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(jì)算

用式（13）求得單位長(zhǎng)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(jì)算，可得到各截面高度，所得結(jié)果見表2。

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

表2 實(shí)例結(jié)果匯總

5 結(jié)語

想要實(shí)現(xiàn)較好的送風(fēng)效果，最基本的實(shí)現(xiàn)條件為等風(fēng)速、等靜壓。如果使用等截面風(fēng)道送風(fēng)，也可以通過其他手段實(shí)現(xiàn)相同效果，例如：通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)復(fù)雜的送風(fēng)支管，分別控制每個(gè)支管的送風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)各部位風(fēng)速和靜壓的一致。但是相較于等開孔率、非等截面風(fēng)道方案，無論設(shè)計(jì)還是施工方面，都明顯復(fù)雜得多，不利于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成本控制。因此，建議在實(shí)驗(yàn)室面積較小或技術(shù)指標(biāo)要求不高時(shí)可以考慮使用變開孔率、等截面風(fēng)道送風(fēng)方案，施工簡(jiǎn)單，成本較低；而在實(shí)驗(yàn)室面積較大或技術(shù)指標(biāo)要求較高時(shí)，建議使用等開孔率、非等截面風(fēng)道送風(fēng)方案，在有限提升成本的前提下，可滿足高準(zhǔn)確度控制環(huán)境溫濕度的要求。