冰箱性能试验用试验包比热容校准装置

孔繁海 夏华 叶超 韩天驹 王弘达 咸美玲 / 山东省计量科学研究院

0 引言

根据GB/T 8059-2016标准的要求，冰箱性能试验过程中用到的试验包分为两种，一种冻结点为-1 ℃（热学性能相当于瘦牛肉），另一种冻结点为-5 ℃（热学性能未作说明），用来模拟实际使用中冰箱内的负载。标准中对试验包尺寸和质量给出了明确的技术指标要求，而对热学性能并没有给出具体指标要求和考核方法。根据试验要求，试验包会时常经历从解冻→冷冻→解冻的过程，长期使用后热学性能会发生改变，为保证冰箱性能试验结果的准确可靠，需要对其热学性能技术指标进行定期校准。

1 热学性能校准参数的确定

根据GB/T 8059-2016要求，试验包的尺寸和质量指标要求见表1。

表1 试验包尺寸、质量最大允许误差要求

长度和质量分别可以用直尺和电子天平进行测量，考核其是否满足标准要求。而热学性能则需要明确具体的校准参数，针对影响量较大的参数进行定期校准。通过查阅资料可知，热学性能包括：

1）热膨胀：指材料温度升高，体积增大的特性。

2）热稳定：材料在温度急剧变化的情况下而不被破坏的能力，也被称为抗热震性。

3）比热容：指没有相变化和化学变化时，1 kg均相物质温度升高（降低）1 K所需的吸收（放出）的热量。

4）热传导：指热量从温度高的地方向温度低的地方传导。

由此可知，通过尺寸误差，可有效判断试验包在热膨胀和热稳定方面能否满足要求，因此，热膨胀和热稳定不选作热学性能校准参数。

试验包比热容的大小会极大地影响被测冰箱的负荷及内部温度的变化速度，被测冰箱容积越大，所放试验包越多，影响也越明显，因此，比热容为影响试验结果的主要影响量，可确定为热学性能校准参数。

热传导性能的高低会影响冷热传递的效率，对试验包达到目标温度所用时间长短产生影响。由于GB/T 8059-2016标准中性能试验对于温度改变所用时间没有规定限值，属于次要指标，因此，热传导不选作热学性能校准参数。

2 比热容校准装置的组成

1）原理

比热容计算公式为

式中 ：c—— 比热容，J /(kg·K)；

Q——物质吸收（或放出）的热量，J；

m——物质质量，kg；

ΔT——物质温度变化量，K

根据式（1），采用绝热法测量试验包比热容，该方法原理简单且非常直观，能够很好地复现公式中的每一个参数。

2）组成

比热容校准装置主要由恒温容器、真空绝热系统、恒温气体发生仓组成。根据冰箱性能试验的需求，试验包大多在-18 ℃左右的温度使用，此温度与室温差距较大，温差越大，热交换率越高，为了减小其影响，设计了一种三层中空隔板的恒温恒压容器，其结构见图1。

图1 比热容校准装置结构

被测试验包所处测量室外壁由三层中空隔板组成，顶盖也为中空，在铰链附近顶盖与最外层中空隔板由软管连通，最内层、最外层中空隔板及顶盖为真空保温层，中间隔板为恒温层。三层中空隔板结构均为杜瓦瓶式结构，材料为不锈钢，且内、外面均电镀为镜面，以减少热量的辐射损耗。

顶盖内侧附着气凝胶保温层，以增强其保温效果，垂直壁面间有柔性石墨垫片（压缩回弹率＞15%、应力松弛率＜1%）用于密封。被测样品测温用热电偶或铂电阻连接线经过三层中空隔板顶端的倒梯形结构伸出测量室，倒梯形结构可增大连接线与恒温层顶端的接触面积，形成热锚，以减少由连接线热传导导致的热量损耗。同时倒梯形结构也可增加密封层的接触面积，在一定程度上起到了增加气密性的作用。

测量室内的气凝胶测试台上有两块加热膜，可分别进行通断电控制，以适应测量不同质量试验包时的需要。加热膜电源线穿过气凝胶和三层隔板与底座的电源相连，电源线在气凝胶测试台内和恒温层内呈锯齿形走线，增加气密性及形成热锚，以减少由连接线热传导导致的热量损耗。

恒温气体发生仓共两个，分别给测量室和恒温层供给恒温气体，形成两套独立内循环的恒温系统，由两块帕尔贴（制冷片）贴片分别为仓体提供冷量和热量。

真空绝热系统使用真空泵抽至真空状态，通过多个压力传感器分别测量不同空间内的压力值。

3）工作过程

首先对杜瓦瓶结构真空层进行抽真空，使测量室与杜瓦瓶结构恒温层温度稳定在设定温度，并对被测样品热电偶/铂电阻温度判稳，满足判稳条件后对测量室抽真空。通过加热膜对被测样品加热，一定时间后停止，期间装置会自动记录加热的起止时间，根据式（2）可得加热膜产生的热量Q。

式中：Q—— 加热膜在Δt时间段内产生的热量，J；

P—— 加热膜的加热功率，W；

Δt—— 加热膜的加热时长，s

根据被测样品温度变化情况，恒温层温度也将实时调整，保持与测量室内温度同步变化以减小温度差的产生。

加热膜停止加热后，根据判稳条件判稳，并由式（3）可得被测样品的温度变化量，最后根据式（1）计算出被测样品的比热容。

式中：ΔT—— 被测样品温度变化量，℃；

T0—— 被测样品初始温度，℃；

Tx—— 被测样品最终温度，℃

4 结语

比热容校准装置可有效解决冰箱性能试验用试验包热学性能量值溯源的问题，进一步减小冰箱性能试验测量结果的不确定度，提高不同实验室间测量数据的一致性及各实验室间数据互认度，进而达到避免重复试验、共享数据、降低成本、合作研发的目的。

比热容校准装置所采用的保温原理和结构，能够保证在温差较大的情况下测量室温度的稳定，配合软件的判稳功能，可一键式自动生成测量结果。通过软件的升级，可实现多种测量模式，拓展该装置的应用范围，无论对检测机构还是制冷企业，都有广阔的应用前景。