CN110285845B - 一种温湿度检定箱温度均匀度和波动度的提高方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温湿度检定箱温度均匀度和波动度的提高方法，包括以下步骤：S1、翅片换热器的设计：选用常规铜管带翅片换热器；S2、叶轮的选型和台数的确定；S3、缓冲区的设计。本发明通过改变箱内送风温度和温场的均匀性，并辅以出风方式的优化来提高温湿度检定箱内有效工作区的温度均匀度和温度波动度，达到校准规范提出的对专用恒温箱的技术要求。
Description
技术领域
本发明涉及温湿度检定箱技术领域，具体是一种温湿度检定箱温度均匀度和波动度的提高方法。
背景技术
温湿度检定箱是用于检定校准机械式温湿度计和数字式温湿度计的重要配套设备，其均匀度和波动度对于检测有着极其重要的影响。随着国民经济的快速发展，各类型温湿度计使用越来越广泛，已经遍及医药、工农业、国防、科技等各个领域。
上海市技术基础“十二五”规划中指出发展的重点任务之一为：提高涉及公共安全产品的质量保障能力。日用消费品、食品、药品等量大面广，其质量安全状况与人民生活密切相关，直接影响公共安全和社会稳定。为此，要在重点消费品、药品等涉及社会公共安全类的产品领域内，新建一批国家级产品质检中心，聚焦其检测技术能力和风险预警体系的建设，着力提升产品质量安全基础保障能力。温湿度数据存储记录仪在药品或疫苗等研发储运、食品生产储运销售等环节起到至关重要的监控作用。随着新版GMP(《药品生产质量管理规范(2010年修订)》)自2014年01月01日起全面严格实施，要求厂家在储存药品的仓库中和运输冷藏、冷冻药品的设备中配备温湿度监测系统，对药品储存过程的温湿度状况和冷藏及冷冻药品运输过程的温度状况进行实时自动监测和记录。没有达到要求的生产厂家一律停产改造，因此，温湿度数据存储记录仪的送检量逐年递增，2018年已达1500台以上。
现有的温湿度数据存储记录仪的常用温区为(-20～35)℃，热指数仪的常用温区为(5～50)℃，现有的温湿度检定箱在全量程提高温度均匀度和波动度至规范要求难度太高。
因此，针对以上现状，迫切需要开发一种温湿度检定箱温度均匀度和波动度的提高方法，以克服当前实际应用中的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种温湿度检定箱温度均匀度和波动度的提高方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种温湿度检定箱温度均匀度和波动度的提高方法，包括以下步骤：
S1、翅片换热器的设计：选用常规铜管带翅片换热器，外部空气的热负荷计算公式应为：
Q＝Wha＝WCpΔt
W(kg/s)--空气质量流量；
ha(kJ/kg)--空气焓值；
Cp(kJ/(kg·℃))--空气的定压比热容；
Δt(℃)--两端空气温度差；
温湿度检定箱的出风口风速为v＝2m/s，出风口左右两端的出风面积为250mm*70mm＝0.0175m2；
在20℃时，一个标准大气压下，空气密度为ρa＝1.199kg/m3，定压比热容Cp＝1.007kJ/(kg·℃)；
将换热器模型简化，在换热器左右两边各布置5个测温点，求得左右平均温度t1、t2，可得左右两端Δt＝0.5℃；
将以上已知参数代入公式可计算得换热器的热负荷为
Q＝WCpΔt＝v·S·ρa·Cp·Δt＝2×0.0175×1.199×1.007×0.5＝0.0211(kW)
热负荷确定之后，可根据公式计算换热器的传热面积，换热器传热量的计算公式为：
Q＝KAΔtm
K(kW/(m2·℃))--传热系数；
A(m2)--传热面积；
Δtm(℃)--对数平均温差；
Δtm＝(Δtmax-Δtmin)/(ln(Δtmax/Δtmin))
Δtmax--冷热流体间温差最大值；
Δtmin--冷热流体间温差最小值；
传热系数K的计算公式为：
K＝1/(1/α+δ/λ+1/β)
α，β(W/(m2·℃))--分别为管内外空气换热系数；
δ(m)--铜管厚度；
λ(kW/(m·℃)--铜管导热率；
根据出风口温差，求得简化模型的最大最小温差分别为Δtmax＝0.5℃，Δtmin＝0.2℃。
则
Δtm＝(Δtmax-Δtmin)/(ln(Δtmax/Δtmin))＝0.327℃
空气强制对流时的换热系数一般在(0.02-0.1)kW/(m2·℃)之间，温湿度检定箱中风速较大，因此取α＝0.1kW/(m2·℃)。换热器铜管选择厚度为δ＝0.001m，铜管导热率根据厚度有所不同，为(0.1-0.3)kW/(m·℃)，取带肋片的铜管导热率为0.3kW/(m·℃)，根据已知参数代入换热计算公式，可得
A＝Q/(K·Δtm)＝Q·(1/α+δ/λ+1/β)/Δtm＝1.29m2
根据出风口的尺寸500mm*70mm，以及换热器的翅片排布间距为2mm，因此选择三根φ8mm铜管带翅片宽度为40mm的翅片换热器；
S2、叶轮的选型和台数的确定：将不同型号叶轮以不同台数摆放在翅片换热器的前端，在有效工作区域内部安装多个铂电阻探头，分别在20℃、-20℃、0℃、50℃四个温度点进行试验，得出多组有效工作区的均匀度和波动度数据，将试验数据录入表格，进行对比选取合适的叶轮型号和数量；
S3、缓冲区的设计：
定做两种指定孔径和排布方式的底面，两种底面上的开孔形状分别为圆形和椭圆形，排布方式为错排，圆形小孔间横向间隔为12.5mm，纵向间隔为12.5mm；椭圆形小孔间横向间隔为25mm，纵向间隔为12.5mm；在箱体内部安装上述两种底面，对有效工作区的温度均匀度和波动度进行实验，将试验数据录入表格，进行对比选取合适的底面；
采用密封胶带封住底面上部分小孔，在20℃、-20℃、0℃、50℃四个温度点对有效工作区进行试验，并将试验数据录入表格，进行对比选取小孔最佳出风方式。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过对温湿度检定箱的改进，在(-20-0)℃，温度均匀度达到了≤0.1℃，温度波动度达到了≤±0.05℃/10min，在(0-50)℃，温度均匀度≤0.05℃，温度波动度≤±0.02℃/10min，本发明通过改变箱内送风温度和温场的均匀性，并辅以出风方式的优化来提高温湿度检定箱内有效工作区的温度均匀度和温度波动度，达到校准规范提出的对专用恒温箱的技术要求。
附图说明
图1为温湿度检定箱温度均匀度和波动度的提高方法中温湿度检定箱的结构示意图。
图2为温湿度检定箱温度均匀度和波动度的提高方法中温湿度检定箱的外观图。
图3为温湿度检定箱温度均匀度和波动度的提高方法中温湿度检定箱的正视图。
图4为温湿度检定箱温度均匀度和波动度的提高方法中温湿度检定箱中底面的结构示意图。
图中：1-风扇、2-制冷蒸发器、3-加热盘管、4-翅片换热器、5-叶轮、6-缓冲区、7-可视窗口。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
请参阅图1～4，本发明实施例中，一种温湿度检定箱，包括箱体；所述箱体内部沿背部风道进风方向依次设置有风扇1、制冷蒸发器2和加热盘管3；所述箱体内部位于风道出口横向设置有翅片换热器4，翅片换热器4的外侧安装有叶轮5，箱体内部还设置有底面，底面与箱体的底板之间形成缓冲区6；
具体的，本实施例中，箱体为伟思富奇的OMEGA 205温湿度检定箱，风道出口尺寸为250mm*70mm；
具体的，本实施例中，翅片换热器4是三根直径为8mm铜管带翅片的换热器，翅片换热器4的尺寸为500mm*70mm*40mm；
具体的，本实施例中，叶轮5为不带任何主动驱动装置的被动式风扇叶轮，具体为7台超频三F-72叶轮；
具体的，本实施中，底面上均匀开设有若干椭圆形小孔，小孔的横向间隔为25mm，纵向间隔为12.5mm，且小孔上用密封胶带密封有遮挡区域；
在温湿度检定箱的改进过程中首先对箱体内部的风速分布和温度分布进行测量，测量步骤如下：
在箱体内部的各个顶点处安装风速探头和温度探头，风速测量为每个点进行3次，取平均值录入表格，如表1所示，温度测量范围是(-20-50)℃，每个温度点等稳定后连续测量30min，每2min读数一次，取偏差最大一次数据录入表格，如表2所示，通过对表格中数据进行分析可知，有效工作区域的温度测量值与风速有着很大的关联，风速越大则受热或受冷越充分，有效工作区的各点风速差异较大，尤其点1和点3相差甚远，由此可以看出温湿度检定箱内的左右前后出风不均。根据这个测量结果，我们提出了改进方案：
1、在出风口横向加入翅片换热器；
2、在翅片换热器前端增加若干台叶轮；
3、将原有的三侧面出风底板改为上底面密集小孔出风，并找到最优出风方式。
表1改进前的温湿度检定箱内各点风速测量值
表2改进前的温湿度检定箱内各点温度测量值
根据风速分布和温度分布的测量结果，利用改进方案对箱体进行改进，所述的温湿度检定箱温度均匀度和波动度的提高方法，包括以下步骤：
S1、翅片换热器4的设计：选用常规铜管带翅片换热器，外部空气的热负荷计算公式应为：
Q＝Wha＝WCpΔt
W(kg/s)--空气质量流量；
ha(kJ/kg)--空气焓值；
Cp(kJ/(kg·℃))--空气的定压比热容；
Δt(℃)--两端空气温度差；
温湿度检定箱的出风口风速大约为v＝2m/s，出风口左右两端的出风面积为250mm*70mm＝0.0175m2；
在20℃时，一个标准大气压下，空气密度为ρa＝1.199kg/m3，定压比热容Cp＝1.007kJ/(kg·℃)；
将换热器模型简化，在换热器左右两边各布置5个测温点，求得左右平均温度t1、t2，可得左右两端Δt＝0.5℃；
将以上已知参数代入公式可计算得换热器的热负荷为
Q＝WCpΔt＝v·S·ρa·Cp·Δt＝2×0.0175×1.199×1.007×0.5＝0.0211(kW)
热负荷确定之后，可根据公式计算换热器的传热面积，换热器传热量的计算公式为：
Q＝KAΔtm
K(kW/(m2·℃))--传热系数；
A(m2)--传热面积；
Δtm(℃)--对数平均温差；
Δtm＝(Δtmax-Δtmin)/(ln(Δtmax/Δtmin))
Δtmax--冷热流体间温差最大值；
Δtmin--冷热流体间温差最小值；
传热系数K的计算公式为：
K＝1/(1/α+δ/λ+1/β)
α，β(W/(m2·℃))--分别为管内外空气换热系数；
δ(m)--铜管厚度；
λ(kW/(m·℃)--铜管导热率；
根据出风口温差，求得简化模型的最大最小温差分别为Δtmax＝0.5℃，Δtmin＝0.2℃。
则
Δtm＝(Δtmax-Δtmin)/(ln(Δtmax/Δtmin))＝0.327℃
空气强制对流时的换热系数一般在(0.02-0.1)kW/(m2·℃)之间，温湿度检定箱中风速较大，因此取α＝0.1kW/(m2·℃)。换热器铜管选择厚度为δ＝0.001m，铜管导热率根据厚度有所不同，大致为(0.1-0.3)kW/(m·℃)，取带肋片的铜管导热率为0.3kW/(m·℃)，根据已知参数代入换热计算公式，可得
A＝Q/(K·Δtm)＝Q·(1/α+δ/λ+1/β)/Δtm＝1.29m2
根据出风口的尺寸500mm*70mm，以及换热器的翅片排布间距为2mm，因此选择三根φ8mm铜管带翅片宽度为40mm的翅片换热器，由此计算A1＝500×0.07×0.04＝1.4m2满足换热器传热面积的需要；
换热器安装前后对比试验：
选用Fluke的2638A多通道温度采集仪(配AA级Pt100铂电阻)作为温度测量设备，将标定完毕的铂电阻探头放置在有效工作区的各个位置，准备进行温度测量，测试温度点选取原则为：一般选择设备适用范围的下限、上限及中间点，也可根据用户需求选择实际常用的温度点，本实施例中，温湿度检定箱的改造温度范围为(-20-50)℃，因此，选用的测试校准点为-20℃,0℃,20℃,50℃；
当温度达到设定值后，再稳定30min，然后开始记录1-5位置的温度，每隔2min记录一组数据，共记录15组数据Ti1 Ti5(i＝1,2,…，15)，Ti1 Ti4与Ti5之差的绝对值的最大值为ΔTi
ΔTi＝max(|Ti1-Ti5|,|Ti2-Ti5|,…，|Ti4-Ti5|)
于是，该温度点上的温度均匀度为：
ΔTu＝max(ΔT1,ΔT2,…，ΔT15)
而10min内的温度波动度则为取10min内5组中心点数据Ti5(i＝1,2,…，5)，最大值与最小值之差的一半，并冠以±号为温度波动度。
ΔTf＝±(max(Ti5)-min(Ti5))/2
设定温湿度检定箱温度为20℃，在翅片换热器安装前后各做若干次试验，分别求得均匀度和波动度，取其中一组10min内数据，如表3所示：
表3 20℃时温湿度检定箱换热器安装前后试验结果对比/℃
在20℃时换热器安装以后有效工作区的温度均匀度从≤0.15℃提高至≤0.10℃，温度波动度从≤±0.06℃/10min提高至≤±0.05℃/10min，具有较明显的提高；
采取与20℃同样的测量设备和布点方法，我们又进行了-20℃，0℃，50℃三个温度点时换热器安装前后的试验，有效工作区的温度均匀度和波动度都有不同程度的提高，具体试验数据见表4：
表4不同温度点时换热器安装前后试验结果对比
由此可见，本实施例在温湿度检定箱出口增加翅片换热器的方案可行，并且收到了较好的效果。
S2、叶轮5的选型和台数的确定：根据出风口尺寸(500mm*70mm)分别选择5台，6台和7台的三个不同型号的叶轮(70mm*70mm)，摆放在翅片换热器前端；
(1)在20℃时进行了一系列试验，在有效工作区域内部安装多个铂电阻探头，将试验结果录入表格，如表5所示：
表5不同数量不同型号叶轮安装前后的试验结果
对表5数据进行分析，有效工作区的温度均匀度和波动度在不同品牌不同型号的叶轮安装后比安装前都有不同程度的提高，其中7台超频三F-72叶轮安装后温湿度检定箱的有效工作区温度均匀度和波动度提高最明显，因此根据试验结果选择7台超频三F-72叶轮；
(2)在-20℃，0℃，50℃三个温度点时进行试验，布点位置相同，叶轮同样采用7台超频三F-72，试验结果录入表格，如表6所示：
表6不同温度点时叶轮安装前后试验结果对比
对表6数据进行分析，叶轮安装后使得有效工作区的均匀度和波动度在(-20-50)℃温区都有不同程度的提高，尤其以点-20℃最为明显，因此根据试验结果选择7台超频三F-72叶轮；
S3、缓冲区6的设计：
(1)定做两种指定孔径和排布方式的底面，两种底面上的开孔形状分别为圆形和椭圆形，排布方式为错排，圆形小孔间横向间隔为12.5mm，纵向间隔为12.5mm；椭圆形小孔间横向间隔为25mm，纵向间隔为12.5mm；在箱体内部安装上述两种底面，对有效工作区的温度均匀度和波动度进行试验，试验结果如表7所示：
表7不同温度点时叶轮安装前后试验结果对比
对表7数据进行分析可知，在整个温区，使用带椭圆小孔的缓冲区比带圆形小孔的缓冲区有更明显的改善效果，因此本实施例选择带椭圆小孔的缓冲区；
(2)采用密封胶带封住偏右边的一部分小孔和靠近后面的一部分小孔，在20℃情况下进行多次试验，试验结果如表8所示；
表格8 20℃时缓冲区上底面小孔排布情况试验结果
| 小孔排布情况 | 温度均匀度/℃ | 温度波动度/℃/10min |
| 4-1 | ≤0.07 | ≤±0.04 |
| 4-2 | ≤0.06 | ≤±0.03 |
| 4-3 | ≤0.05 | ≤±0.03 |
| 4-4 | ≤0.04 | ≤±0.02 |
然后在-20℃，0℃，50℃这三个点对有效工作区进行试验，试验结果如表9所示：
表9不同温度点时缓冲区上底面小孔排布情况试验结果
结合表8和表9的数据，进行分析得出，有效区域的温度均匀度和波动度一步一步得到了提升，在不同温度点时，小孔排布情况的优劣程度也比较明显，随着(4-1)到(4-4)的调整过程，整个温区的有效工作区域的温度均匀度和波动度都一步步得到了提升，最终确定(4-4)为最佳小孔出风方式。
以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
Claims (1)
1.一种温湿度检定箱温度均匀度和波动度的提高方法，应用于温湿度检定箱，所述温湿度检定箱包括箱体；所述箱体内部沿背部风道进风方向依次设置有风扇(1)、制冷蒸发器(2)和加热盘管(3)；所述箱体内部位于风道出口横向设置有翅片换热器(4)，翅片换热器(4)的外侧安装有叶轮(5)，箱体内部还设置有底面，底面与箱体的底板之间形成缓冲区(6)；所述箱体为伟思富奇的OMEGA 205温湿度检定箱，风道出口尺寸为250mm*70mm；所述翅片换热器(4)是三根直径为8mm铜管带翅片的换热器；所述翅片换热器(4)的尺寸为500mm*70mm*40mm；所述叶轮(5)为不带任何主动驱动装置的被动式风扇叶轮；所述叶轮(5)为7台超频三F-72叶轮；所述底面上均匀开设有若干椭圆形小孔，小孔的横向间隔为25mm，纵向间隔为12.5mm，且小孔上用密封胶带密封有遮挡区域，其特征在于，包括以下步骤：
S1、翅片换热器的设计：选用常规铜管带翅片换热器，外部空气的热负荷计算公式应为：
Q＝Wha＝WCpΔt
W(kg/s)--空气质量流量；
ha(kJ/kg)--空气焓值；
Cp(kJ/(kg·℃))--空气的定压比热容；
Δt(℃)--两端空气温度差；
温湿度检定箱的出风口风速为v＝2m/s，出风口左右两端的出风面积为250mm*70mm＝0.0175m2；
在20℃时，一个标准大气压下，空气密度为ρa＝1.199kg/m3，定压比热容Cp＝1.007kJ/(kg·℃)；
将换热器模型简化，在换热器左右两边各布置5个测温点，求得左右平均温度t1、t2，可得左右两端Δt＝0.5℃；
将以上已知参数代入公式计算得换热器的热负荷为
Q＝WCpΔt＝v·S·ρa·Cp·Δt＝2×0.0175×1.199×1.007×0.5＝0.0211(kW)
热负荷确定之后，根据公式计算换热器的传热面积，换热器传热量的计算公式为：
Q＝KAΔtm
K(kW/(m2·℃))--传热系数；
A(m2)--传热面积；
Δtm(℃)--对数平均温差，Δtm＝(Δtmax-Δtmin)/(ln(Δtmax/Δtmin))；
Δtmax--冷热流体间温差最大值；
Δtmin--冷热流体间温差最小值；
传热系数K的计算公式为：
K＝1/(1/α+δ/λ+1/β)
α，β(W/(m2·℃))--分别为管内外空气换热系数；
δ(m)--铜管厚度；
λ(kW/(m·℃)--铜管导热率；
根据出风口温差，求得简化模型的最大最小温差分别为Δtmax＝0.5℃，Δtmin＝0.2℃，则
Δtm＝(Δtmax-Δtmin)/(ln(Δtmax/Δtmin))＝0.327℃
空气强制对流时的换热系数一般在(0.02-0.1)kW/(m2·℃)之间，温湿度检定箱中风速较大，因此取α＝0.1kW/(m2·℃)，换热器铜管选择厚度为δ＝0.001m，铜管导热率根据厚度有所不同，为(0.1-0.3)kW/(m·℃)，取带肋片的铜管导热率为0.3kW/(m·℃)，根据已知参数代入换热计算公式，可得
A＝Q/(K·Δtm)＝Q·(1/α+δ/λ+1/β)/Δtm＝1.29m2
根据出风口的尺寸500mm*70mm，以及换热器的翅片排布间距为2mm，因此选择三根φ8mm铜管带翅片宽度为40mm的翅片换热器；
S2、叶轮的选型和台数的确定：将不同型号叶轮以不同台数摆放在翅片换热器的前端，在有效工作区域内部安装多个铂电阻探头，分别在20℃、-20℃、0℃、50℃四个温度点进行试验，得出多组有效工作区的均匀度和波动度数据，将试验数据录入表格，进行对比选取合适的叶轮型号和数量；
S3、缓冲区的设计：
(1)定做两种指定孔径和排布方式的底面，两种底面上的开孔形状分别为圆形和椭圆形，排布方式为错排，圆形小孔间横向间隔为12.5mm，纵向间隔为12.5mm；椭圆形小孔间横向间隔为25mm，纵向间隔为12.5mm；在箱体内部安装上述两种底面，对有效工作区的温度均匀度和波动度进行实验，将试验数据录入表格，进行对比选取合适的底面；
(2)采用密封胶带封住底面上部分小孔，在20℃、-20℃、0℃、50℃四个温度点对有效工作区进行试验，并将试验数据录入表格，进行对比选取小孔最佳出风方式。
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