孔繁海 夏華 葉超 韓天駒 王弘達 咸美玲 / 山東省計量科學(xué)研究院

0 引言

根據(jù)GB/T 8059-2016標準的要求，冰箱性能試驗過程中用到的試驗包分為兩種，一種凍結(jié)點為-1 ℃（熱學(xué)性能相當于瘦牛肉），另一種凍結(jié)點為-5 ℃（熱學(xué)性能未作說明），用來模擬實際使用中冰箱內(nèi)的負載。標準中對試驗包尺寸和質(zhì)量給出了明確的技術(shù)指標要求，而對熱學(xué)性能并沒有給出具體指標要求和考核方法。根據(jù)試驗要求，試驗包會時常經(jīng)歷從解凍→冷凍→解凍的過程，長期使用后熱學(xué)性能會發(fā)生改變，為保證冰箱性能試驗結(jié)果的準確可靠，需要對其熱學(xué)性能技術(shù)指標進行定期校準。

1 熱學(xué)性能校準參數(shù)的確定

根據(jù)GB/T 8059-2016要求，試驗包的尺寸和質(zhì)量指標要求見表1。

表1 試驗包尺寸、質(zhì)量最大允許誤差要求

長度和質(zhì)量分別可以用直尺和電子天平進行測量，考核其是否滿足標準要求。而熱學(xué)性能則需要明確具體的校準參數(shù)，針對影響量較大的參數(shù)進行定期校準。通過查閱資料可知，熱學(xué)性能包括：

1）熱膨脹：指材料溫度升高，體積增大的特性。

2）熱穩(wěn)定：材料在溫度急劇變化的情況下而不被破壞的能力，也被稱為抗熱震性。

3）比熱容：指沒有相變化和化學(xué)變化時，1 kg均相物質(zhì)溫度升高（降低）1 K所需的吸收（放出）的熱量。

4）熱傳導(dǎo)：指熱量從溫度高的地方向溫度低的地方傳導(dǎo)。

由此可知，通過尺寸誤差，可有效判斷試驗包在熱膨脹和熱穩(wěn)定方面能否滿足要求，因此，熱膨脹和熱穩(wěn)定不選作熱學(xué)性能校準參數(shù)。

試驗包比熱容的大小會極大地影響被測冰箱的負荷及內(nèi)部溫度的變化速度，被測冰箱容積越大，所放試驗包越多，影響也越明顯，因此，比熱容為影響試驗結(jié)果的主要影響量，可確定為熱學(xué)性能校準參數(shù)。

熱傳導(dǎo)性能的高低會影響冷熱傳遞的效率，對試驗包達到目標溫度所用時間長短產(chǎn)生影響。由于GB/T 8059-2016標準中性能試驗對于溫度改變所用時間沒有規(guī)定限值，屬于次要指標，因此，熱傳導(dǎo)不選作熱學(xué)性能校準參數(shù)。

2 比熱容校準裝置的組成

1）原理

比熱容計算公式為

式中 ：c—— 比熱容，J /(kg·K)；

Q——物質(zhì)吸收（或放出）的熱量，J；

m——物質(zhì)質(zhì)量，kg；

ΔT——物質(zhì)溫度變化量，K

根據(jù)式（1），采用絕熱法測量試驗包比熱容，該方法原理簡單且非常直觀，能夠很好地復(fù)現(xiàn)公式中的每一個參數(shù)。

2）組成

比熱容校準裝置主要由恒溫容器、真空絕熱系統(tǒng)、恒溫氣體發(fā)生倉組成。根據(jù)冰箱性能試驗的需求，試驗包大多在-18 ℃左右的溫度使用，此溫度與室溫差距較大，溫差越大，熱交換率越高，為了減小其影響，設(shè)計了一種三層中空隔板的恒溫恒壓容器，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 比熱容校準裝置結(jié)構(gòu)

被測試驗包所處測量室外壁由三層中空隔板組成，頂蓋也為中空，在鉸鏈附近頂蓋與最外層中空隔板由軟管連通，最內(nèi)層、最外層中空隔板及頂蓋為真空保溫層，中間隔板為恒溫層。三層中空隔板結(jié)構(gòu)均為杜瓦瓶式結(jié)構(gòu)，材料為不銹鋼，且內(nèi)、外面均電鍍?yōu)殓R面，以減少熱量的輻射損耗。

頂蓋內(nèi)側(cè)附著氣凝膠保溫層，以增強其保溫效果，垂直壁面間有柔性石墨墊片（壓縮回彈率＞15%、應(yīng)力松弛率＜1%）用于密封。被測樣品測溫用熱電偶或鉑電阻連接線經(jīng)過三層中空隔板頂端的倒梯形結(jié)構(gòu)伸出測量室，倒梯形結(jié)構(gòu)可增大連接線與恒溫層頂端的接觸面積，形成熱錨，以減少由連接線熱傳導(dǎo)導(dǎo)致的熱量損耗。同時倒梯形結(jié)構(gòu)也可增加密封層的接觸面積，在一定程度上起到了增加氣密性的作用。

測量室內(nèi)的氣凝膠測試臺上有兩塊加熱膜，可分別進行通斷電控制，以適應(yīng)測量不同質(zhì)量試驗包時的需要。加熱膜電源線穿過氣凝膠和三層隔板與底座的電源相連，電源線在氣凝膠測試臺內(nèi)和恒溫層內(nèi)呈鋸齒形走線，增加氣密性及形成熱錨，以減少由連接線熱傳導(dǎo)導(dǎo)致的熱量損耗。

恒溫氣體發(fā)生倉共兩個，分別給測量室和恒溫層供給恒溫氣體，形成兩套獨立內(nèi)循環(huán)的恒溫系統(tǒng)，由兩塊帕爾貼（制冷片）貼片分別為倉體提供冷量和熱量。

真空絕熱系統(tǒng)使用真空泵抽至真空狀態(tài)，通過多個壓力傳感器分別測量不同空間內(nèi)的壓力值。

3）工作過程

首先對杜瓦瓶結(jié)構(gòu)真空層進行抽真空，使測量室與杜瓦瓶結(jié)構(gòu)恒溫層溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度，并對被測樣品熱電偶/鉑電阻溫度判穩(wěn)，滿足判穩(wěn)條件后對測量室抽真空。通過加熱膜對被測樣品加熱，一定時間后停止，期間裝置會自動記錄加熱的起止時間，根據(jù)式（2）可得加熱膜產(chǎn)生的熱量Q。

式中：Q—— 加熱膜在Δt時間段內(nèi)產(chǎn)生的熱量，J；

P—— 加熱膜的加熱功率，W；

Δt—— 加熱膜的加熱時長，s

根據(jù)被測樣品溫度變化情況，恒溫層溫度也將實時調(diào)整，保持與測量室內(nèi)溫度同步變化以減小溫度差的產(chǎn)生。

加熱膜停止加熱后，根據(jù)判穩(wěn)條件判穩(wěn)，并由式（3）可得被測樣品的溫度變化量，最后根據(jù)式（1）計算出被測樣品的比熱容。

式中：ΔT—— 被測樣品溫度變化量，℃；

T0—— 被測樣品初始溫度，℃；

Tx—— 被測樣品最終溫度，℃

4 結(jié)語

比熱容校準裝置可有效解決冰箱性能試驗用試驗包熱學(xué)性能量值溯源的問題，進一步減小冰箱性能試驗測量結(jié)果的不確定度，提高不同實驗室間測量數(shù)據(jù)的一致性及各實驗室間數(shù)據(jù)互認度，進而達到避免重復(fù)試驗、共享數(shù)據(jù)、降低成本、合作研發(fā)的目的。

比熱容校準裝置所采用的保溫原理和結(jié)構(gòu)，能夠保證在溫差較大的情況下測量室溫度的穩(wěn)定，配合軟件的判穩(wěn)功能，可一鍵式自動生成測量結(jié)果。通過軟件的升級，可實現(xiàn)多種測量模式，拓展該裝置的應(yīng)用范圍，無論對檢測機構(gòu)還是制冷企業(yè)，都有廣闊的應(yīng)用前景。