有关高低温试验箱温场流场特性分析及优化设计

有关高低温试验箱温场流场特性分析及优化设计

徐文贯

广州威德玛环境仪器有限公司 ,广东 广州 510802

摘要：在电子产品的生产制造中，需要对其不同温度下的稳定性进行检测，高低温试验箱的主要功能就是用于该项检测，是电子设备环境检测中的重要设备。为提高高低温试验箱检测性能的稳定性，本文在基于高低温试验箱结构的基础上，对其保温性能等关键参数进行分析，并基于此进行优化，以期对高低温试验箱的工作稳定性提升起到促进作用。

关键词：高低温试验箱；温场；特性分析

高低温试验箱是应用于模拟实验环境，对设备进行检测的一种设备，主要用于对不同设备在不同温度环境下的可靠性进行测试，可以对电子、机械、生物制药以及农业等多个领域的产品在不同温度环境下的工作性能进行测试。在金属制造领域中，高低温试验箱主要被用于对不同温度下，不同金属的内部应力变化关系进行测试，或在不同温度下，对不同金属材料的体积变化规律进行研究。在塑胶行业中，主要用于对塑胶材料高温状态下产生的变化进行研究，为塑料成型制造工艺提供必要的理论数据。在生物研究中，高低温试验箱主要用于对各种微生物温度实用性的研究分析，探究这些生命体的活性与温度变化之间的关系。在医药方面，药物的研发制造等需要适宜的温度环境提供支持，因此对高低温实验设备的需求量也非常高。除此之外，在当前的电力、国防工程、交通运输等领域中也需要大量的高低温试验箱设备。随着如今新能源的发展，蓄电池的使用越发广泛，作为易燃物品的蓄电池，在行业中对电池的检测中也需要使用到高低温试验箱。为此对高低温试验箱的稳定性进行分析研究，这对多个行业的发展都具有积极意义^[1]。

一、试验箱箱体传热分析

高低温试验箱的温度场变化中，具有均匀性以及波动性的特点，这与制冷或制热系统有关，同时与试验箱自身的保温性能之间也有直接的关联。提高高低温试验箱的保温性能，能直接起到对温度测试精确度提高的效果，同时也能有效的降低高低温试验箱的能源消耗。在对此的研究中，主要通过对试验箱箱体传热进行分析，于此同时对影响箱体热交换的因素进行探究，对提高高低温试验箱保温性能的方法进行研究^[2]。

（一）环境因素

高低温试验箱安置区域一般是室内的无缝区域，以此实现降低流传热系数的效果，从而减少试验箱箱体与外界发生热量交换，这种方式能有效的起到提高试验箱内部温度场稳定性的效果，同时也能提高能源的实用效率。其基本结构模型如图1所示。

图1 高低温试验箱结构模型简图

在温度设定中，根据试验箱设备的使用要求，一般会选择安置在室内温度5-40摄氏度的室内环境中。在使用中，试验箱与外界环境进行热交换的方式主要有两种，分别是热传导和热对流方式。当试验箱在进行高温试验中，试验箱内部温度会远大于室外温度，通过箱体的热传导作用，试验箱会与环境之间发生热交换。在低温实验中同理，箱内温度会远低于外界温度，会与外界环境形成吸热传热的作用效果。

在试验箱使用中，其内部的气流会在风机的作用下，形成循环流动的效果，流动形式大多为剧烈的湍流运动状态，此时箱内的空气会与内壁面之间发生强制热对流现象。相比之下，外界环境中空气的流动速度很慢，因此会通过箱体结构的热传导，形成自然对流传热效应。在试验箱中，箱体结构设计中为了保证热隔绝效果，一般会采用三层材料的组成结构。其中最内层是不锈钢结构，中层填充的是保温材料，起到隔绝热交换的效果，主要的组成是聚氨酯发泡板以及玻璃棉，最外层的材料是钢材。整个三层结构分布如图2所示：

图2试验箱箱体传热结构简图

试验箱的保温设计中，其箱体材料的导热系数，会直接对箱体的传热性能造成影响，导热系数越大的材料，其导热能力就越好，与之而来的是箱体的隔热性能就越差。因此在保温箱的材料设计中，要选择导热系数尽量小的材料，以此提高保温箱的隔热能力。在当下的保温材料中，主要有矿渣棉、玻璃棉毡、岩棉等。除此之外，空气也可以作为一种导热材料。空气自身的导热系数也比较低，并且具有密度小的优点^[3]。

二、试验箱箱体传热的相关研究

（一）对流传热系数变化

在基于对试验箱体相关研究中证明，顶平面的和底部表面的传热系数在不同温度环境下有较大的变化。在低温的环境中，顶平面的传热系数与温度变化成正比关系。当内部温度高于外界温度时，对流传热系数的变化与温度变化也成正比关系。底部平面与顶平面的对流传热系数变化呈现相反的效果。当实验温度与外界温度相差较近时，此时传热系数变化率最大。在对自然对流传热系数的影响中，试验箱内部温度变化影响更大一些，外部环境的温度变化带来的影响较小。为保证试验箱内部稳定，通过上述变化规律对外部温度进行调整是一种有效的措施^[4]。

（二）箱体保温层厚度

在对箱体厚度的研究中，相关实验结果表明，在试验箱进行温度实验中，随着保温箱保温层厚度的增加，整个箱体的导热系数在降低，整个保温箱的性能得到了提升。因此可以通过增加保温层厚度的方式来加强箱体内部温度场稳定性。

（三）空气保温层的相关研究

空气也是一种较为优良的隔热材料，在相关的实验中，通过空气作为保温层的隔热材料，受到对流传热的影响，空气材料造成的热量流失要大于玻璃棉等保温材料，因此通过空气作为保温材料的方式不可取。但通过真空的方式进行隔热，这种方式的成本十分高昂，保温箱的性价比很低，因此玻璃棉等材料是当下选择中的最优选^[5]。

（四）风速调控

在保温箱的温度场控制中，对温度场的波动进行控制十分关键，这会对保温箱中的试验结果造成较大的影响。在相关试验研究中证明，随着风速的变化，保温箱内部的温变速率也会有明显的波动，由此可以证实了风速对保温箱的温度变化具有直接的影响。在对温度场控制中，为了进一步加强内部温度场的稳定性，可以通过提高循环风速的方式，降低温度场内部的温度极差，提高温度场整体温度变化的均匀性。在对风速的相关研究中证明，７ｍ／ｓ的风速下，温度场不均匀性系数最低，并且能量转化效益更高，因此在试验区的风速调控中，可以将其设定为７ｍ／ｓ，以此获得最均匀的温度场。

三、结束语

综上所述，本文以进一步提高实验箱中温度场变化均匀性为目标，阐述了试验箱的重要作用，并对试验箱的组成结构等进行探讨。在基于导热原理以及试验箱基本构成的基础上，对影响试验箱保温因素进行了分析，并通过相关文献以及实验数据为基础，对试验箱的风速调控、箱体厚度以及对流传热系数变化进行了研究，对这几项变量对保温箱温度场的影响进行了阐述。

参考文献:

[1]张莉伟,付志强,张蕾,雷鹏,徐雅,周传浩.环境温度和导热系数条件下保温箱壁厚分析[J].包装工程,2020,41(05):97-102.

[2]朱宏,王冬梅,潘欣艺.不同外界环境温度下保温箱保温性能研究[J].包装与食品机械,2018,36(04):9-12+48.

[3]潘欣艺,王冬梅,朱宏.保温材料对保温箱内温度场的影响[J].食品与机械,2018,34(08):115-118.

[4]常杰英.新型保温箱在医药冷链运输中夏季保温性能研究[J].物流工程与管理,2017,39(12):79-80.

[5]黄国平.真空保温技术在保温箱上的应用[J].制冷与空调,2016,16(05):40-42.