双轴型热空气交换试验箱的研制

高 祥，马 玫

（广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665）

单轴型热空气交换老化试验箱无法满足ISO标准中双轴在两个维度上的旋转要求，其样品在内部空间内所受温度无法达到双轴型的温度均匀性，即会存在较大温度偏差。另一方面，对于两种换气率算法，前者利用换气口截面积与换气口风速以及单位时间的乘积可以获得该时间段内流出气体的体积，与工作室容积相除即简单快速地得到空气交换率。但是，存在不同的工作室气体温度下，空气密度的差异会导致该算法得到的结果有所偏差。

本研制试验箱主要采用双轴式旋转样品架，并可调节旋转速率。使其能够满足ISO 4577等标准对于双轴旋转样品架的指定需求，同时对于热空气交换率的算法进行创新和优化，提出一种基于不同温度下空气膨胀系数与密度的实时交换率监测方法，具有高效、准确性。

1 热空气交换试验箱的现状

目前在对高分子材料老化人工加速试验中，采用热空气交换试验箱对聚丙烯进行人工加速老化，依据标准是ISO 4577《塑料—聚丙烯和丙烯共聚物—在空气中热氧化稳定性的测定—烘箱法》。标准中有两种样品架旋转形式：（1）单轴旋转，即在工作室内样品架在同一维度单向旋转；（2）双轴旋转，可在横向和竖向两个维度进行轴心旋转。

目前，热空气交换试验箱是通过试验箱内部与外界空气流动保证工作室内足够的氧气对样品进行老化。标准ISO 4577 中对于空气交换率要求在20次/h。根据标准的不同，空气交换速率基本在20次/h及以下。

而国内绝大多数生产厂商多采用单轴样品结构,该结构较为容易实现，没有过多的复杂机械结构。双轴型的结构目前没有找到有相关厂家生产具体型号产品，单轴型主要缺陷为：样品在工作室运动范围较小，无法避免温度偏差和气流速度偏差影响。另一方面，对于空气交换率的计算存在理论性偏差，因为在目前国内热空气交换试验箱普遍采用气体流量计算方式，即通过计算设备通风口处的空气流速以及截面积最终确定气体交换率。这种方式缺陷在于没有考虑不同温度下气体的膨胀效应，理论计算结果会与实际数据产生偏差。

2 双轴型样品架结构的实现

双轴结构主要由样品架主体结构、异向齿轮组、伺服电机组成，主体结构中由十二根样品支撑横条均匀布置在两端由环形固定板上，中心由横向轴心带动十二根样品支撑横条，另外上述主体结构通过异向齿轮连接至竖向旋转臂、旋转臂连接至伺服电机，最终完成由伺服电机旋转带动竖向旋转臂通过异向齿轮带动主体结构样品架在横向、竖向两个维度上进行360度旋转。其结构如图1所示。

图1 双轴结构样品转架示意图Fig.1 Schematic diagram of sample carousel with dual-axis structure

3 气体交换率计算的优化

目前对空气交换速率的算法主要分为两种：

（1）流量换算：通过对交换风口的风速测定以及风口的截面积进行换算，如式（1）：

式（1）中：N—换气率，即每小时的换气次数；ST—换气口风速；M—换气口截面积；ΔT—单位时间内；V—工作室的容积。

（2）能量消耗：利用老化箱通风口、换气口密封或开启时测得箱内温度与环境温度，分别求算术平均值，将测得的电能消耗量换算成平均功率，除以工作室容积、环境温度下空气密度、箱内温度与环境温度算术平均值差三者的乘积。其公式为：

式（2）中：N—换气率，即每小时的换气次数；hs—系数（3600）；P2—开启时所消耗的平均电功率，单位为瓦；P1—密封时所消耗的平均电功率，单位为瓦；cP—常压下空气的比热容；ρ—环境温度下干空气的密度；Δt—工作空间温度与环境温度的平均值之差；V—老化箱的工作室容积。

对于两种换气率算法，前者利用换气口截面积与换气口风速以及单位时间的乘积可以获得该时间段内流出气体的体积，与工作室容积相除即简单快速得到空气交换率。但是存在不同的工作室气体温度下，空气密度的差异会导致该算法得到的结果有所偏差。而后者通过能量消耗计算空气交换率，需要在设备工作室达到特定温度下，将所有通风口全部密闭测得1h或者更长时间的电能消耗，然后拆除所有密封，打开所有通风口。当工作室温度重新达到第一步骤设定温度稳定后再测得1h或更长时间的电能消耗。然后带入公式（2）进行计算空气交换率。该方法根据能量消耗以及守恒定律进行严谨的计算,同时考虑到各个温度下空气的膨胀系数和密度,可以较为准确地测量空气交换率。但是缺点也非常明显，整个测定过程需要一个非常长的时间，根据上述标准测量的要求，测量时间至少在2h以上，无法实时进行监控。

本项目特定对原有两种换气率算法进行优化和创新，考虑其换气率计算方式式（1）可以由PLC完成在极短时间内ΔT计算瞬时换气率，而式（1）中原本没有考虑其空气在不同温度下的空气密度的差异。本方法在原有基础上引入空气在不同温度下的膨胀系数以及密度体积变化问题。

引入理想气体状态方程，即克拉珀龙方程［1］：pV=nRT，其中p为试验环境大气压强，V为试验环境内部气体体积，n为物质的量，单位mol，R为普适气体常量，即8.314J/（mol·K），T为试验中气体的绝对温度。

本方法中涉及试验设备工作环境均在大气压强常压稳定状态，即采用盖·吕萨克定律：一定质量的气体，在两种不同温度状态下压强不变的条件下，当两种不同温度状态下（两种不同温度状态所指是试验仓内气体温度T1与外界环境的气体温度T2），两种不同温度状态下所处大气压强相同时，一定质量气体的体积跟热力学温度成正比：V1/T1=V2/T2。从而上式中两种不同温度下空气体积与空气密度成反比关系，式中得到任意温度下空气的密度即能推算出其他温度下空气随温度变化的体积变化，即ρ1/ρ2=V1/V2。

将式（3）引入式（1）中，即可以得到试验状态中固定工作室内温度下，与环境温度下两种状态下空气体积之差，将ΔV作为换气体积变量，得到换气率算式：工作室内交换气体的体积大小。

由公式（4）可得在原有流量测算方式中考虑其空气在不同温度下体积与密度变化的因素，即气体因加热后体积随温度升高的正比膨胀，其密度也随温度升高发生反比变化。工作室气体容积V作为衡量气体实际体积的常量也应当考虑气体加热后的体积膨胀效应，可以得到近似于能量消耗原理的最终结果，因为同时考虑了工作室气温下空气的密度体积与常温下空气密度体积。而公式（4）中ΔT可以由设备PLC进行实时计算，时间可以任意设置为几分钟、几秒、甚至毫秒，这样就大大提高了算法效率。同时保证了与能量消耗理论同时考虑气体随温度变化的体积膨胀效应，具备准确性。

4 整体设计方案

该型热空气交换试验设备主要由双轴旋转样品架、伺服电机、工作室、工作室出风口、工作室进风口、工作室强制对流风机、风道、空气交换风门、热线式风速探头、测温探头、PLC控制器、电机服务器、触摸屏等主要组件构成。其中双轴型样品架在工作室内通过万向轴承连接私服电机，私服电机可以设定旋转速率对其双轴样品架主轴进行控制，主轴上齿轮与横向齿轮铆合带动整个样品架在两个维度上同时旋转，从而实现双轴转动。整体试验装置以及双轴如图2所示。

图2 双轴热空气交换试验箱结构Fig.2 Biaxial hot air exchange test box structure

在控制方面：设备通过PLC控制器对内部工作室内加热系统、双鼓风系统、风门系统进行控制进而对设备主要参数温度、风速、换气率进行控制。整体温度的控制主要由空气加热装置在进行PID参数调节后，进行控制。

具体控制逻辑：首先设备运行前设定温度值T0、换气率值N0。在达到温度设定值前的某一个温度点T-1前加热系统全功率工作。因为存在加热惯性，PID调节在温度达到设定值前的T-1后开始介入控制。通过PWM调节方式即控制加热系统的开关两种状态以及开与关的延续时间，最终通过PID方式积分微分控制达到设定温度T0。对于换气率，在设定值N0确定后，即能够根据公式（4）推导出风口所需风口开关闭合角度，由换气风门进行调节，其中变量风速以及空气在设定值温度下的空气密度己确定。

加热装置放置于设备工作室气体交换风道内，在外部空气流入后进行加热后通过工作室进风口进入工作室，从而实现温度控制。风速由工作室动力风机进行风速大小调控，实现对工作室整体风速的调节。换气率由位于设备背部换气口风门大小进行调节。风门开启闭合的角度最终求得换气口截面积，进行计算。最终实现双轴型热空气交换试验箱对于温度、风速以及换气率三个核心参数的控制调节工作。

如图2所示，设备通过位于工作室外部风道内加热装置对外部流入空气进行加热，通过工作室进风口将热空气送入工作室，而后通过工作室出风口将工作室空气重新进入风道进行加热再次进入工作室，完成工作室内部空气循环流动满足设定风速要求的同时达到设定温度设定值。其中一部分空气由设备空气交换风口流出以及外部空气进入风口流入，通过对位于设备空气交换风口风门开关闭合角度的调整完成换气率的设定要求。

5 结语

采用双轴型旋转样品架验试箱相比较传统单轴型热空气交换老化箱，在测试过程中能够避免因样品位置不均匀运动导致的测试结果差异化。双轴型可以让样品在工作室内更加均匀地接收风速以及温度条件。

另外对于换气率的测算，通过本方法相比较传统的流量测试法以及能量消耗测试法，具有精确性以及实时性两个重要的进步。为该类设备的测试提供了良好的算法基础，为用户提供了换气率的真实有效性以及可实时监控性。另外为计量校准单位提供了更加快速有效的校准方法，提高了工作效率。本文研制试验箱具有一定的技术进步性。