冷冻空间门封空气渗透特性实验研究

许旭东，夏广辉，赵丹，丁国良，胡海涛1

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

冷冻空间门封空气渗透特性实验研究

许旭东*，夏广辉，赵丹，丁国良，胡海涛**1

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

冷冻空间温度上下波动时，门封软硬吸合面周期性地吸入外界热空气和呼出内部冷空气的“呼吸效应”导致能耗上升。为了减弱其不利影响，需要掌握“呼吸效应”的机理。本文通过实验研究了冷冻空间内外压差和初始门封吸合应力对软硬吸合面空气渗透量的影响规律。实验结果表明，在冷冻空间正常工况运行对应的软硬吸合面内外压差范围（-100 Pa～100 Pa）内变化时，单位长度软硬吸合面渗透量对应变化范围为(-0.175～0.9) L/(m·min)。在相同初始吸合应力下，渗透量绝对值随压差绝对值增大而增大，且在负压工况下为线性关系，在正压工况下为非线性关系；在相同内外压差工况下，初始吸合应力从487 Pa增大到924 Pa时，渗透量绝对值随吸合应力的增加而减小，渗透量绝对值最大减小接近60%。

冷冻空间；门封；渗透量；实验研究

0 引言

冰箱、冷柜等冷冻空间常被用于食品、药品及生物制品等的低温保存。维持这些低温环境需消耗大量能量，其中用于抵消门封处空气渗入热负荷所需的耗能占到冷冻设备耗能的20%以上[1-3]。因此，冷冻设备的节能需要减少门封处的空气渗入。

空气渗入冷冻空间的主要方式是门封软硬吸合面的“呼吸效应”。“呼吸效应”是冷冻空间温度上下波动时，门封软硬吸合面周期性地吸入外界热空气和呼出内部冷空气的效应。由于冷冻空间温度控制大多采取压缩机周期性开停的方法，使冷冻空间温度在设定的温度上下限内波动[4-6]，压力也发生周期性变化；而外界环境压力基本保持不变，这就导致冷冻空间与外界环境压差周期性变化，进而使门封吸合面（冷冻空间和外界环境的唯一空气通道）周期性“吸入”外界热空气和“呼出”冷冻空间内的冷空气，导致冷冻空间热量侵入以及冷量的丧失[7-8]。

为了减少“呼吸效应”导致的不利影响，如果只简单地将门紧紧密封来减少空气渗透，会导致冷冻空间正常运行过程中内外压差过大，使得冷冻空间的门无法打开[7]。因此，为了减小呼吸效影响并使冷冻空间的门正常打开，则需要明确门封软硬吸合面呼吸效应的关键是量化门封软硬吸合面空气渗透量的影响因素。门封处空气渗透量主要取决于门内外压差和门封吸合应力两个影响因素[8-9]。门内外的压差是门封渗透的推动势，是空气渗透的动力；门封的吸合应力决定了空气渗透路径，吸合应力越大，渗透路径越狭小。因此，明确门封软硬吸合面呼吸效应的机理，需要首先量化研究门内外压差和门封吸合应力对门封软硬吸合面空气渗透量的影响。

量化冷冻空间门封软硬吸合面空气渗透量，可借助于密闭空间泄漏测试的方法。现有的气体泄漏测试方法有气泡法、压力变化法、流量法、示踪气体法、超声波法[10]和红外热成像法[11]。其中气泡法为传统湿式检测方法，通过将容器充气加压并浸没于水中测量排出气泡体积的原理测量泄漏量大小，但对于体积较大的容器不便于检测[12]。超声波法和红外热成像法利用波谱分析的原理测试泄漏量，两种方法均成本高且易受环境影响[12]。压力变化法包含直压法和差压法，通过给容器加压充气并测量一段时间内压力变化，结合气体状态方程测量容器泄漏量[13-14]。示踪气体法是通过测量空间内示踪气体浓度变化来间接测量空间气体渗透量，此方法可测量家用冰箱在运行过程中门封空气渗透量[15]。上述方法适用于测量密封件在一段时间内气体的总渗透量，而无法测量在定压差下空气的渗透量。直接测量流量方法适用于定压差下空气的渗透量，已经用于橡胶密封件的渗透量的测量[16-17]，但此测试实验台仅适用于大压差（压差大于1 kPa）下气体渗透量的测量，而不适用于冷冻空间小压差（不超过100 Pa）工况下门封气体渗透量的测量。现有的空气渗透量测试方法无法直接用于冷冻空间门封吸合面渗透量的测量，为了量化门内外压差和门封吸合应力对门封软硬吸合面空气渗透量的影响，需要对冷冻空间门封气体渗透量进行实验研究。

1 测试对象及实验装置

1.1 测试对象

本文测试对象为某型冷柜门封条，选取该冷柜作为测试的冷冻空间。门封条由气囊和PVC材质组成，结构图如图1所示。门封条通过胶粘及Ω槽配合安装于冷柜门上。门封条与冷柜箱体侧边顶部接合，形成软硬吸合面，实现了门体附近的密封。冷柜门受力分析简图如图2所示。

图1 冷冻空间实物及门封局部结构示意图

图2 冷柜门受力分析简图

门的重力Gd和箱体侧边的支持力FN以及内外空气压差所带来的空气压力FA平衡,箱体侧边的支持力也即门封和箱体侧边的接触压力越大，两者的吸合应力越大，可通过在冷柜门上放置一定重量Gw的砝码改变接触压力FN。因此，软硬吸合面的吸合应力可用公式(1)表示。

式中：

As——门封与箱体侧边接触面积，m2；

FN——作用于软硬吸合面的接触压力，N。

1.2 实验装置及原理

实验装置包括实验测试段、气体输送系统和数据采集系统，实验原理图如图3所示。实验测试段由门封软硬吸合面及其周围的温度、压差、湿度测量元件组成。气体输送段包括微型气体泵、流量调节阀、流量计和输送管道组成。微型泵用于提供恒定流量气体；流量调节阀调节流量，改变内外压差；流量计用于测量气体的流量。数据采集系统由安捷伦数据采集系统和PC机组成。湿度传感器用于测量内外湿度，热电偶用于测量内外温度。实验仪器选型见表1。

图3 实验原理图

表1 测试参数及仪器选型

2 实验结果分析

3 结论

[6] 陈炜. 通过开停控制降低三系统冰箱能耗分析[J]. 制冷技术, 2011, 31(1): 35-37.

[7] 孟岩勇, 南晓红. 冷库门在热压作用下冷量渗透的数值模拟[J]. 建筑热能通风空调, 2007, 26(2): 40-41.

[8] 石亚锋. 单门大冰箱门体开启困难问题的分析及解决[J]. 中国机械, 2014, 33(6): 61-62.

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Experimental Research on Air Infiltration Properties of Magnetic Seals for Refrigeration Room

XU Xu-dong*, XIA Guang-hui, ZHAO Dan, DING Guo-liang, HU Hai-tao**
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

When the temperature of refrigeration room fluctuates, the outside hot air and inside cold air of refrigeration room flow across the magnetic seals periodically, which is called breathing effect and leads to the increase of energy consumption. To reduce the adverse effect, mechanism of breathing effect should be investigated. In this paper, the influence of some factors including pressure difference and initial actuation stress on air infiltration are investigated. Results show that, when the pressure difference of inside and outside air changes within the ranges corresponding to the normal operation conditions for the refrigeration room (−100 Pa～100 Pa), the air infiltration through unit length magnetic seals varies from (−0.175～0.9) L/(m·min). Within the same initial actuation stress, the absolute air infiltration increases with the increase of absolute pressure difference, and has a linear relationship with absolute pressure difference under negative pressure conditions, while it has a nonlinear relationship under positive pressure conditions. With the increase of initial actuation stress from 487 Pa to 924 Pa, the air infiltration of the same pressure difference shows a maximum decrease of nearly 60%.

Refrigeration room; Magnetic seals; Air infiltration; Experimental research

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.06.103

*许旭东（1992-），男，硕士生。研究方向：冰箱系统仿真及优化设计。

**胡海涛（通讯作者），男，副教授、博士生导师。研究方向：制冷系统强化传热、制冷系统仿真与优化设计；联系地址：上海交通大学机械与动力工程学院制冷所，邮编：200240。联系电话：021-34206295。E-mail：huhaitao2001@sjtu.edu.cn。

国家自然科学基金（51506117）、中国博士后基金（2015M581610）、上海市优秀学术带头人计划项目（16XD1401500）。