恒溫箱溫度動(dòng)態(tài)特性分析

許多實(shí)驗(yàn)條件要求了實(shí)驗(yàn)環(huán)境的恒溫控制，如材料應(yīng)力試驗(yàn)和食品物理測(cè)量試驗(yàn)。在這些小型恒溫箱中,特別是采用直接蒸發(fā)冷卻的恒溫箱,其恒溫性能是一個(gè)值得研究的問題。在目前的研究中,大多數(shù)研究集中于控制系統(tǒng)的研究,通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)達(dá)到恒溫性能。包長(zhǎng)春等研究了恒溫箱的接口及PID調(diào)節(jié)系統(tǒng);陸仲達(dá)等對(duì)恒溫箱的控制硬件進(jìn)行了優(yōu)化;房百達(dá)等采用H∞法對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。從這些研究成果可以發(fā)現(xiàn),他們忽略了恒溫箱結(jié)構(gòu)特性對(duì)恒溫性能的影響,因此研究恒溫箱的結(jié)構(gòu)特性將有助于了解恒溫箱恒溫性的變化。1恒溫箱空氣源及源內(nèi)放熱w在分析以前,對(duì)恒溫箱需要做一定假設(shè):1)恒溫箱不存在冷橋,且沒有熱源;2)恒溫箱內(nèi)空氣物性不隨溫度變化而變化,為定值;3)恒溫箱結(jié)構(gòu)材料物性不隨溫度變化而變化,為定值。在以上假設(shè)基礎(chǔ)上,以恒溫箱內(nèi)部空氣為考慮對(duì)象,則箱內(nèi)空氣能量變化可以用式(1)表達(dá):cpρVdtdτ=kF(tw?t)+Qv(1)cpρVdtdτ=kF(tw-t)+Qv(1)式中:cp為箱內(nèi)空氣的定壓比熱容(kJ/(kg·℃));ρ為密度(kg/m3);V為體積(m3);k為傳熱系數(shù)(W/(m2·℃));F為恒溫箱的表面積(m2);tw為恒溫箱外部空氣溫度(℃);t為恒溫箱內(nèi)空氣的瞬時(shí)溫度(℃);τ為時(shí)間(s);Qv為恒溫箱內(nèi)的瞬時(shí)內(nèi)熱源(W),主要包括恒溫箱的結(jié)構(gòu)放熱、蒸發(fā)器及加熱器的放熱。為了簡(jiǎn)化對(duì)式(1)的求解,認(rèn)為Qv是一個(gè)與時(shí)間無(wú)關(guān)的變量,這一假設(shè)也符合事實(shí)。對(duì)于采用ON/OFF方式控制的恒溫箱,當(dāng)箱內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),其溫度在設(shè)定范圍內(nèi)波動(dòng),加熱器或蒸發(fā)器和結(jié)構(gòu)蓄熱的釋放與溫度波動(dòng)有關(guān),但由于波動(dòng)很小,可以認(rèn)為蓄熱的釋放為穩(wěn)定的。基于這種假設(shè),式(1)可以改寫為式(2):cpρVFkdttw?t+QvFk=dτ(2)cpρVFkdttw-t+QvFk=dτ(2)初始條件:τ=0,t=t0,t0為恒溫箱內(nèi)溫度開始變化時(shí)的溫度。解式(2)可以得恒溫箱內(nèi)的溫度隨時(shí)間波動(dòng)的情況:t=(tw+QvFk)?(tw+QvFk?t0)e?FkcpρVτ(3)t=(tw+QvFk)-(tw+QvFk-t0)e-FkcpρVτ(3)從式(3)可以看出,除空氣物性參數(shù)外,恒溫箱內(nèi)的溫度主要受到箱內(nèi)熱源、結(jié)構(gòu)表面積及箱內(nèi)體積的影響,其中結(jié)構(gòu)表面積與體積關(guān)系可以用體型系數(shù)S(1/m)來(lái)表示,如式(4):S=FV(4)S=FV(4)因此式(3)可以改寫為:t=(tw+QvFk)?(tw+QvFk?t0)kcpρSτ(5)t=(tw+QvFk)-(tw+QvFk-t0)kcpρSτ(5)2溫箱溫度的變化在進(jìn)行理論分析以前,規(guī)定:1)恒溫箱的容積為0.4158m3,這主要是和所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)用箱體體積一致。2)恒溫箱采用30mm的聚氨酯保溫材料,內(nèi)部具有夾套,考慮箱內(nèi)外的對(duì)流換熱取決于內(nèi)部的自然對(duì)流換熱系數(shù),換熱系數(shù)k以1計(jì)算。3)箱內(nèi)空氣的特性分別為:cp=1005J/(kg·℃);ρ=1.205kg/m3。在上述計(jì)算條件下,按式(5)計(jì)算3種S和2種Qv值下的恒溫箱內(nèi)溫度在一個(gè)周期內(nèi)的變化規(guī)律,結(jié)果如圖1所示。曲線通過(guò)以下原則獲得:恒溫箱溫度設(shè)定在20℃,溫度波幅為0.2℃。當(dāng)箱內(nèi)溫度達(dá)到19.8℃時(shí),壓縮機(jī)停機(jī);當(dāng)箱內(nèi)溫度達(dá)到20.2℃時(shí),壓縮機(jī)開啟。從圖1中可以看出恒溫箱2個(gè)重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其恒溫性能的影響。首先考慮Qv的影響,當(dāng)S保持不變時(shí),Qv的不同會(huì)造成恒溫箱內(nèi)溫度變化規(guī)律不同。當(dāng)壓縮機(jī)停機(jī)后,這時(shí)的內(nèi)熱源主要是保溫材料的蓄冷,所造成的結(jié)果是內(nèi)壁面與箱內(nèi)空氣之間存在1℃的溫差,并且是冷量,所以符號(hào)為負(fù)。同時(shí)由于蓄冷量小于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得熱量,因此恒溫箱內(nèi)的溫度逐漸升高,達(dá)到設(shè)定的高溫值20.2℃。當(dāng)達(dá)到這個(gè)溫度時(shí),壓縮機(jī)開始工作,這時(shí)內(nèi)壁面溫度與箱內(nèi)空氣存在3℃的溫差,制冷系統(tǒng)所產(chǎn)生的冷量可以彌補(bǔ)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得熱量,從而使恒溫箱內(nèi)溫度下降,達(dá)到下限值,壓縮機(jī)停機(jī),進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)?？紤]S對(duì)恒溫性能的影響,假定Qv保持不變,分別針對(duì)升溫和降溫階段進(jìn)行討論。從上升階段的曲線可以看出,隨著S的增大,加熱時(shí)間縮短,主要原因是由于S的增大,增大了恒溫箱體的外表面積,從而增加了熱負(fù)荷,使升溫時(shí)間縮短。在降溫階段,隨著S的增大,降溫時(shí)間延長(zhǎng)。這個(gè)原因與升溫階段相反。因?yàn)樵诮禍仉A段,需要輸入冷量來(lái)平衡從外界得到的熱量,在冷量一定的條件下,外部熱負(fù)荷越大,降溫時(shí)間越長(zhǎng)。3理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較3.1恒溫箱有效冷卻在實(shí)驗(yàn)條件下,設(shè)計(jì)了一小型恒溫箱,結(jié)構(gòu)如圖2。整個(gè)箱體外尺寸為1500mm×530mm×1100mm,有效恒溫空間為1350mm×340mm×450mm,體型系數(shù)為8.768。冷凝機(jī)組為一臺(tái)0.25匹的太康風(fēng)冷冷凝機(jī)組,加熱器功率為0.1kW?？刂葡到y(tǒng)為一繼電器控制的雙位開關(guān),可以對(duì)恒溫箱內(nèi)的溫度波動(dòng)范圍進(jìn)行設(shè)定。為減少箱外環(huán)境條件波動(dòng)及蒸發(fā)器和風(fēng)扇對(duì)箱體內(nèi)的溫度的影響,采用了內(nèi)循環(huán)風(fēng)的間接冷卻方法。采用這樣的送風(fēng)方式可以盡可能維持箱體內(nèi)各部分溫度分布均勻。3.2冷熱源的提供方式采用上述實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行不同溫度上下限運(yùn)行周期實(shí)驗(yàn),并將結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較,箱內(nèi)1個(gè)周期內(nèi)的溫度變化如圖3~圖5所示。所有實(shí)驗(yàn)中,箱體外部環(huán)境保持在21.6℃。從圖3~圖5可以看出,溫度波幅的設(shè)定對(duì)恒溫箱的恒溫能力(即維持箱內(nèi)溫度的周期時(shí)間)有很大的影響。當(dāng)溫度波幅為2℃時(shí),即箱內(nèi)的最高溫度為22℃,最低溫度為18℃時(shí),從圖3可以看出恒溫時(shí)間為35分鐘;波幅為0.5℃時(shí),從圖4可以看出恒溫時(shí)間11分鐘;而波幅為0.2℃時(shí),從圖5可以看出恒溫時(shí)間為2分鐘。這可以從幾個(gè)方面解釋。第1個(gè)決定因素是波幅的設(shè)定。由于箱體內(nèi)外的冷熱負(fù)荷是一定的,當(dāng)波幅設(shè)定較小時(shí),箱體溫度容易達(dá)到上下限,因此溫度波動(dòng)頻率快。第2個(gè)因素為冷熱源的提供方式。圖3所示的實(shí)驗(yàn)中冷熱源為翅片式電加熱器和制冷系統(tǒng)。當(dāng)溫度達(dá)到20℃時(shí),電加熱器停止工作。但是由于電加熱器自身的熱量,箱體內(nèi)溫度還繼續(xù)升高,達(dá)到21.5℃時(shí),制冷系統(tǒng)開始工作,這時(shí)溫度還有少量的上升,然后溫度下降到20℃,制冷系統(tǒng)停止工作。同樣也由于制冷系統(tǒng)自身的冷量,箱內(nèi)溫度會(huì)繼續(xù)下降到18.5℃,這時(shí)電加熱器開始工作,溫度還略有下降,從而進(jìn)入下一個(gè)周期。在這個(gè)過(guò)程中,由于冷熱源的交叉使用,冷熱源的作用相互抵消減弱,使溫度波動(dòng)變緩,延長(zhǎng)了周期時(shí)間。圖4所示實(shí)驗(yàn)中冷熱源為制冷系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到20.5℃時(shí),制冷系統(tǒng)啟動(dòng),箱體內(nèi)溫度迅速降低到19.5℃,這時(shí)制冷系統(tǒng)停止工作。由于制冷系統(tǒng)工作時(shí)間短,自身沒有積蓄一定的冷量,因此箱體內(nèi)的溫度在箱體內(nèi)外溫差作用下,溫度開始慢慢升高,這個(gè)過(guò)程是溫度下降過(guò)程的6倍左右。圖5所示實(shí)驗(yàn)中冷熱源為制冷系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到20.2℃時(shí),制冷系統(tǒng)啟動(dòng),箱體內(nèi)溫度迅速降低到19.8℃,這時(shí)制冷系統(tǒng)停止工作。由于制冷系統(tǒng)工作時(shí)間極短,所產(chǎn)生的冷量只是在夾套內(nèi)和來(lái)自圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷相互平衡,箱體內(nèi)溫度受到的影響較小,所以波幅較小,但是周期時(shí)間短,使得制冷系統(tǒng)開機(jī)頻繁,認(rèn)為恒溫能力差。第3個(gè)因素為恒溫箱的結(jié)構(gòu)影響。為防止冷熱源對(duì)恒溫箱內(nèi)的空氣溫度產(chǎn)生直接的影響,設(shè)計(jì)時(shí)采用了夾套設(shè)計(jì)的間接提供冷熱源方式,使冷熱源在夾套中循環(huán),從而延緩了溫度變化,改變了制冷系統(tǒng)停啟周期時(shí)間。同時(shí)恒溫箱圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱和蓄冷能力也是影響恒溫能力的一個(gè)重要因素。另外,可以從圖4和圖5看出,理論計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合程度較高,造成誤差的主要原因是沒有考慮冷熱源及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄冷蓄熱能力,主要是通過(guò)控制來(lái)平衡這種蓄冷蓄熱的影響,例如提前啟動(dòng)制冷系統(tǒng)或停止制冷系統(tǒng)。4冷