研究了1台在给定时间内达到-30℃的低温型试验用小型制冷低温试验箱, 该试验箱配有全自动的微机控制系统能完成各项试验的数据记录。主要针对低温箱围护结构 (隔热层) 在降温阶段非稳态传热特性进行了实验研究。通过试验数据分析, 对隔热层在降温过程的一维大平板非稳态传热问题进行了内部温度场随时间变化关系的的讨论, 同时对低温箱隔热层随时间变化的放热量进行了数据拟合并得出了简化公式, 为这类有特殊要求的制冷装置在节能节材方面的设计提供了的一定的参考数据。

对于置于室内环境下的小型制冷装置如低温试验箱、冰箱、冷柜、及部分小容量装配式冷库, 其冷却空间的围护结构通常由内外钢板或工程塑料覆层及不同厚度的中间隔热层组成。这种由3层材料构成的低温隔热结构, 因其结构简单, 加工、施工效率高, 保温效果良好, 已广泛应用于制冷与低温工程[1,2,3]。由于其箱体表面保护层是金属薄层, 传热热阻很小, 而中间的隔热层既是围护结构的主要部分又是保温结构, 是整个多层平壁传热热阻最大的地方。因此隔热层保温性能的好坏, 直接影响着这类装置的经济性及节能性。

2 研究目的与意义

以往对此类装置的保温设计或热负荷计算大多是进行稳态传热计算[3,4,5], 把隔热层当作一个实时系统, 或考虑到非稳态因素的影响, 用估算的方法来解决[4], 但此缺乏实验依据。因此需掌握隔热箱体所围空间内温度变化与隔热层内部传热量之间的相互关系, 这就要求对隔热箱体 (隔热层) 进行非稳态的实验与分析。

在降温阶段制冷机的冷量除了用于降低箱温并带走试件内部的热量外, 还有很大部分是用于移去隔热层内部蓄存的那部分热量, 这类装置在变温阶段箱体围护结构的放热量 (吸热量) 最大, 其值的大小直接关系到试验箱设备主机容量的选择, 在符合测试要求的前提下, 设计中必须对其准确计算从而降低能耗及材料成本。通过对箱体结构特别是隔热层的降温过程传热特性进行实验研究, 了解箱体保温材料在非稳态传热过程中蓄热量释放这部分热负荷的变化情况, 以实现低温试验装置制冷设备的合理配置。

3 低温箱隔热层传热实验的建立

3.1 低温试验箱的研制要求

本文研究的低温试验箱是食品学科教学或科研的一个实验装置, 除满足高低温试验中制冷装置[6]的一般要求外, 还要结合食品工程试验对象的多样性, 试验要求的复杂性, 要求试验箱有如下功能:

(1) 温度变化范围比常规冰箱、冷柜的冷冻冷藏基本温度要宽, 可以模拟温度 (+40 ℃～-30 ℃) 范围内的任一温度;

(2) 可实现温度调节和恒温控制, 能进行多任务况的程序升降温试验, 控制精度较高;

(3) 可实现计算机采集和控制和编程试验, 能对测试物品温度等参数进行动态跟踪。

3.2 非稳态传热特性实验的设计

低温箱隔热层传热特性实验的试验方法是:从隔热箱体保温材料内部温度场实际测量出发, 应用计算机测控技术, 比较完整地描述隔热层变温过程中温度场变化的规律, 为这种边界条件随时间呈非线性变化的热传导问题做一些初步的探讨。文中提及的低温箱冷却空间的围护结构以“隔热箱体”表示。建立低温试验箱时, 预先在100 mm厚的高密度聚氨脂隔热层内严格按等距离埋设了4对热电偶, 同时在箱体内壁外表面和外壁的内表面安置了2对热电偶测点, 这样将隔热层由外到内依次划分成5层20 mm等厚的分层, 观测低温试验箱在各种初始条件、边界条件、运行工况下温度场的变化情况。