冷柜门封吸合面水蒸气渗透速率的计算方法

宋楠 杨雪冬

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冰箱、冷柜等常被用来储存食品、生物制品及药品等，在使用过程中外界环境中的高湿空气通过冷柜门封吸合面渗入，带来大量的湿负荷。渗入湿空气中的水蒸气降温造成蒸发器壁面结霜，降低换热性能；除霜不仅耗能，还需要停止冷柜的正常工作，导致内部食品保存品质的下降。因此，冷柜的节能及食品保存品质的提升均要求减少水蒸气渗入。

1 门封吸合面渗透类型

冷柜门封吸合面通常为橡胶金属接触面，由橡胶门封条和接触的金属箱体面组成，由于橡胶和金属表面粗糙度的影响，实际门封吸合面存在微小缝隙，冷柜门封吸合面结构如图1所示。

图1 冷柜门封吸合面结构

确定门封吸合面的渗透类型，首先需要测试非吸合状态下软硬表面的表面粗糙度的特征尺度，然后得出吸合力影响下的变形量，最后，经计算得出吸合面表面缝隙的尺度。

非吸合状态下软硬表面的表面粗糙度的特征尺度。本文通过高分辨率共聚焦显微镜对某型冷柜橡胶门封条和金属箱体进行表面粗糙度测量，分析门封吸合面表面缝隙的特征尺度大小，橡胶门封条和金属箱体表面粗糙度值。

吸合力影响下的软硬表面变形量特征尺度。吸合状态下的门封吸合面表面形貌无法通过实验获得，本文通过材料力学弹性形变公式计算。当存在接触吸合应力作用时，应力作用使表面发生形变，导致门封吸合面的缝隙特征尺度发生变化。在如图1所示的渗透路径(门封吸合面)上，只有正向应力作用，在应力作用下粗糙表面的横向弹性形变可采用材料力学公式。

2 基于实验的渗透特性系数

2.1 实验原理及装置

实验的基本原理为：通过实验测定通过吸合面渗透的水蒸气质流量速率和对应的门封吸合面两侧的水蒸气分压差，通过拟合得出式中渗透特性系数Km值。实验过程中，需要获得吸合面两端不同水蒸气分压差下水蒸气渗透速率的数据。测量门封吸合面水蒸气渗透速率的实验原理是通过测量一段时间内恒定水蒸气分压力差的水蒸气渗透量来计算水蒸气渗透率，通过控制门封吸合面两侧湿度差来控制两侧的水蒸气分压差。图2所示为实验装置及实验原理。实验装置由湿度测试段，气体内循环及吸湿测试系统和数据采集系统组成。湿度测试段由冷柜及布置在门封吸合面内外的温湿度传感器组成，测量门封吸合面内外的相对湿度及温度。气体内循环及吸湿测试系统由微型气泵，分析天平，密封瓶及干燥剂组成。微型气泵将冷柜内部的高湿气体抽出至密封瓶内由干燥剂吸湿再循环送入冷柜内部，密封瓶置于冷柜外侧的分析天平上，可实时测量干燥剂质量。数据采集系统由PC及安捷伦数据采集器组成，采集温湿度传感器的数据[1]。

图2 实验原理

2.2 计算公式误差分析

根据上文确定的系数，利用式预测相应实验工况下对应水蒸气的渗透速率，预测值与实验值对照图如图3所示。

图3 水蒸气渗透速率预测值与实验值对照

3 结语

本文研究了水蒸气通过冷柜门封的渗透规律，通过观测门封吸合面表面形貌确定了水蒸气通过门封的流动类型，根据理论分析建立了水蒸气通过门封渗透速率的计算公式，基于部分实验数据拟合了渗透系数，开发了水蒸气通过门封渗透速率的计算方法。得到如下结论：

冷柜门封吸合面表面形貌符合多孔介质特性，表面成像显示特征尺度为微米级，远大于纳米级的水蒸气平均分子自由程，水蒸气通过冷柜门封吸合面流动雷诺数＜1，属于低速黏性流动，满足渗透流动的Darcy定律。依据Darcy定律建立的水蒸气通过门封吸合面渗透速率计算公式，水蒸气渗透速率可由水蒸气分压差、水蒸气黏度和门封吸合面的渗透特性系数计算。渗透速率与吸合面两端分压力差以及渗透系数成正比，与水蒸气黏度成反比。

通过冷柜门封吸合面水蒸气渗透系数可由实验确定，对于某典型冷柜，依据在温度27℃，大气压100.45kPa的环境下，水蒸气分压差0.71-2.78kPa范围内的水蒸气渗透实验数据结果拟合的门封水蒸气渗透系数为-3.12×10-4，采用提出的水蒸气渗透速率公式预测的水蒸气通过门封吸合面渗透速率，预测值与实验值的最大误差小于15%。