恒温箱温度动态特性分析

恒温箱温度动态特性分析

许多实验条件要求了实验环境的恒温控制，如材料应力试验和食品物理测量试验。在这些小型恒温箱中,特别是采用直接蒸发冷却的恒温箱,其恒温性能是一个值得研究的问题。在目前的研究中,大多数研究集中于控制系统的研究,通过控制系统来达到恒温性能。包长春等研究了恒温箱的接口及PID调节系统;陆仲达等对恒温箱的控制硬件进行了优化;房百达等采用H∞法对温度控制系统进行了优化。从这些研究成果可以发现,他们忽略了恒温箱结构特性对恒温性能的影响,因此研究恒温箱的结构特性将有助于了解恒温箱恒温性的变化。1恒温箱空气源及源内放热w在分析以前,对恒温箱需要做一定假设:1)恒温箱不存在冷桥,且没有热源;2)恒温箱内空气物性不随温度变化而变化,为定值;3)恒温箱结构材料物性不随温度变化而变化,为定值。在以上假设基础上,以恒温箱内部空气为考虑对象,则箱内空气能量变化可以用式(1)表达:cpρVdtdτ=kF(tw−t)+Qv(1)cpρVdtdτ=kF(tw-t)+Qv(1)式中:cp为箱内空气的定压比热容(kJ/(kg·℃));ρ为密度(kg/m3);V为体积(m3);k为传热系数(W/(m2·℃));F为恒温箱的表面积(m2);tw为恒温箱外部空气温度(℃);t为恒温箱内空气的瞬时温度(℃);τ为时间(s);Qv为恒温箱内的瞬时内热源(W),主要包括恒温箱的结构放热、蒸发器及加热器的放热。为了简化对式(1)的求解,认为Qv是一个与时间无关的变量,这一假设也符合事实。对于采用ON/OFF方式控制的恒温箱,当箱内温度达到设定温度时,其温度在设定范围内波动,加热器或蒸发器和结构蓄热的释放与温度波动有关,但由于波动很小,可以认为蓄热的释放为稳定的。基于这种假设,式(1)可以改写为式(2):cpρVFkdttw−t+QvFk=dτ(2)cpρVFkdttw-t+QvFk=dτ(2)初始条件:τ=0,t=t0,t0为恒温箱内温度开始变化时的温度。解式(2)可以得恒温箱内的温度随时间波动的情况:t=(tw+QvFk)−(tw+QvFk−t0)e−FkcpρVτ(3)t=(tw+QvFk)-(tw+QvFk-t0)e-FkcpρVτ(3)从式(3)可以看出,除空气物性参数外,恒温箱内的温度主要受到箱内热源、结构表面积及箱内体积的影响,其中结构表面积与体积关系可以用体型系数S(1/m)来表示,如式(4):S=FV(4)S=FV(4)因此式(3)可以改写为:t=(tw+QvFk)−(tw+QvFk−t0)kcpρSτ(5)t=(tw+QvFk)-(tw+QvFk-t0)kcpρSτ(5)2温箱温度的变化在进行理论分析以前,规定:1)恒温箱的容积为0.4158m3,这主要是和所进行的实验用箱体体积一致。2)恒温箱采用30mm的聚氨酯保温材料,内部具有夹套,考虑箱内外的对流换热取决于内部的自然对流换热系数,换热系数k以1计算。3)箱内空气的特性分别为:cp=1005J/(kg·℃);ρ=1.205kg/m3。在上述计算条件下,按式(5)计算3种S和2种Qv值下的恒温箱内温度在一个周期内的变化规律,结果如图1所示。曲线通过以下原则获得:恒温箱温度设定在20℃,温度波幅为0.2℃。当箱内温度达到19.8℃时,压缩机停机;当箱内温度达到20.2℃时,压缩机开启。从图1中可以看出恒温箱2个重要的结构参数对其恒温性能的影响。首先考虑Qv的影响,当S保持不变时,Qv的不同会造成恒温箱内温度变化规律不同。当压缩机停机后,这时的内热源主要是保温材料的蓄冷,所造成的结果是内壁面与箱内空气之间存在1℃的温差,并且是冷量,所以符号为负。同时由于蓄冷量小于围护结构的得热量,因此恒温箱内的温度逐渐升高,达到设定的高温值20.2℃。当达到这个温度时,压缩机开始工作,这时内壁面温度与箱内空气存在3℃的温差,制冷系统所产生的冷量可以弥补围护结构的得热量,从而使恒温箱内温度下降,达到下限值,压缩机停机,进入下一个循环。考虑S对恒温性能的影响,假定Qv保持不变,分别针对升温和降温阶段进行讨论。从上升阶段的曲线可以看出,随着S的增大,加热时间缩短,主要原因是由于S的增大,增大了恒温箱体的外表面积,从而增加了热负荷,使升温时间缩短。在降温阶段,随着S的增大,降温时间延长。这个原因与升温阶段相反。因为在降温阶段,需要输入冷量来平衡从外界得到的热量,在冷量一定的条件下,外部热负荷越大,降温时间越长。3理论分析与实验结果的比较3.1恒温箱有效冷却在实验条件下,设计了一小型恒温箱,结构如图2。整个箱体外尺寸为1500mm×530mm×1100mm,有效恒温空间为1350mm×340mm×450mm,体型系数为8.768。冷凝机组为一台0.25匹的太康风冷冷凝机组,加热器功率为0.1kW。控制系统为一继电器控制的双位开关,可以对恒温箱内的温度波动范围进行设定。为减少箱外环境条件波动及蒸发器和风扇对箱体内的温度的影响,采用了内循环风的间接冷却方法。采用这样的送风方式可以尽可能维持箱体内各部分温度分布均匀。3.2冷热源的提供方式采用上述实验装置进行不同温度上下限运行周期实验,并将结果和理论计算结果进行了比较,箱内1个周期内的温度变化如图3~图5所示。所有实验中,箱体外部环境保持在21.6℃。从图3~图5可以看出,温度波幅的设定对恒温箱的恒温能力(即维持箱内温度的周期时间)有很大的影响。当温度波幅为2℃时,即箱内的最高温度为22℃,最低温度为18℃时,从图3可以看出恒温时间为35分钟;波幅为0.5℃时,从图4可以看出恒温时间11分钟;而波幅为0.2℃时,从图5可以看出恒温时间为2分钟。这可以从几个方面解释。第1个决定因素是波幅的设定。由于箱体内外的冷热负荷是一定的,当波幅设定较小时,箱体温度容易达到上下限,因此温度波动频率快。第2个因素为冷热源的提供方式。图3所示的实验中冷热源为翅片式电加热器和制冷系统。当温度达到20℃时,电加热器停止工作。但是由于电加热器自身的热量,箱体内温度还继续升高,达到21.5℃时,制冷系统开始工作,这时温度还有少量的上升,然后温度下降到20℃,制冷系统停止工作。同样也由于制冷系统自身的冷量,箱内温度会继续下降到18.5℃,这时电加热器开始工作,温度还略有下降,从而进入下一个周期。在这个过程中,由于冷热源的交叉使用,冷热源的作用相互抵消减弱,使温度波动变缓,延长了周期时间。图4所示实验中冷热源为制冷系统。当系统达到20.5℃时,制冷系统启动,箱体内温度迅速降低到19.5℃,这时制冷系统停止工作。由于制冷系统工作时间短,自身没有积蓄一定的冷量,因此箱体内的温度在箱体内外温差作用下,温度开始慢慢升高,这个过程是温度下降过程的6倍左右。图5所示实验中冷热源为制冷系统。当系统达到20.2℃时,制冷系统启动,箱体内温度迅速降低到19.8℃,这时制冷系统停止工作。由于制冷系统工作时间极短,所产生的冷量只是在夹套内和来自围护结构的热负荷相互平衡,箱体内温度受到的影响较小,所以波幅较小,但是周期时间短,使得制冷系统开机频繁,认为恒温能力差。第3个因素为恒温箱的结构影响。为防止冷热源对恒温箱内的空气温度产生直接的影响,设计时采用了夹套设计的间接提供冷热源方式,使冷热源在夹套中循环,从而延缓了温度变化,改变了制冷系统停启周期时间。同时恒温箱围护结构的蓄热和蓄冷能力也是影响恒温能力的一个重要因素。另外,可以从图4和图5看出,理论计算模型与实验结果的吻合程度较高,造成误差的主要原因是没有考虑冷热源及围护结构的蓄冷蓄热能力,主要是通过控制来平衡这种蓄冷蓄热的影响,例如提前启动制冷系统或停止制冷系统。4冷