熱護(hù)式熱板儀風(fēng)道系統(tǒng)的研究

陳益松, 祝 斌

(東華大學(xué) a. 服裝和藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院; b. 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200051)

熱護(hù)式熱板儀風(fēng)道系統(tǒng)的研究

陳益松a, b, 祝 斌a

(東華大學(xué) a. 服裝和藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院; b. 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200051)

基于熱護(hù)式熱板儀測(cè)量服裝面料熱阻的基本原理, 提出熱護(hù)式熱板儀在有風(fēng)狀態(tài)下正常測(cè)量的自平衡條件.對(duì)606E型熱板儀的原吹風(fēng)風(fēng)道進(jìn)行了剖析, 分析了風(fēng)扇形成的湍流區(qū)對(duì)熱板表面溫度的影響.使用紅外熱像儀對(duì)606E型熱板儀表面溫度場(chǎng)進(jìn)行拍攝測(cè)量, 證實(shí)了原606E吹風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷.設(shè)計(jì)并制作一種新風(fēng)道系統(tǒng), 采用由正壓吹變負(fù)壓吸，加長(zhǎng)風(fēng)道、增大風(fēng)道橫截面積、添加風(fēng)壓阻尼層和把環(huán)境溫度傳感器移到風(fēng)道外部的改進(jìn)方法, 使流經(jīng)熱板表面的風(fēng)穩(wěn)定在層流狀態(tài).對(duì)采用新風(fēng)道后的熱板表面溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量, 發(fā)現(xiàn)溫度變化平穩(wěn)線性, 能夠滿足測(cè)量熱板與熱護(hù)板之間的自平衡條件.用新裝置對(duì)海綿標(biāo)樣進(jìn)行測(cè)量, 所測(cè)數(shù)據(jù)與海綿熱阻理論值相接近, 驗(yàn)證了新裝置的可靠性和準(zhǔn)確性.相較于原風(fēng)道下的測(cè)量, 新風(fēng)道下12塊面料的熱阻測(cè)量值與面料厚度呈現(xiàn)更好的線性相關(guān)性, 表明改進(jìn)后的風(fēng)道系統(tǒng)使606E型熱板儀具有更高的測(cè)量準(zhǔn)確性.

熱護(hù)式熱板儀; 風(fēng)道系統(tǒng); 織物熱阻

紡織面料熱阻測(cè)量用熱護(hù)式熱板儀(下文簡(jiǎn)稱熱板儀)的基本形式相對(duì)完善于美國(guó)20世紀(jì)60年代，并形成測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1518—64.在ISO 11092—1993標(biāo)準(zhǔn)誕生后，有風(fēng)條件下的出汗熱板儀及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)逐漸為各國(guó)所采納.我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11048—2008的A法基本與ISO 11092—1993一致.出汗熱板儀相對(duì)于干式熱板儀僅僅增加了出汗系統(tǒng), 其熱護(hù)式熱板結(jié)構(gòu)和吹風(fēng)系統(tǒng)的原理都是一樣的, 僅具體結(jié)構(gòu)形式存在差異[1-2]. 理論上, 采用相同標(biāo)準(zhǔn)的儀器, 測(cè)量的結(jié)果應(yīng)該是一致的, 但文獻(xiàn)[2]對(duì)兩國(guó)產(chǎn)熱板儀的對(duì)比研究表明606E型和606D型在相同ISO 11092—1993標(biāo)準(zhǔn)下熱阻測(cè)量平均值差異達(dá)21.5%, 而文獻(xiàn)[3]的研究表明，進(jìn)口熱板儀SGHP-10.8型與國(guó)產(chǎn)熱板儀606E型熱阻測(cè)量值存在31%的差異.文獻(xiàn)[1-2]通過對(duì)熱板儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析表明儀器本身的設(shè)計(jì)差異是系統(tǒng)誤差的主要來源, 盡可能地消除儀器本身存在的系統(tǒng)誤差, 才能根本地解決儀器之間的測(cè)量差異.

熱板儀最初是按無風(fēng)條件下設(shè)計(jì)的, 隨著新標(biāo)準(zhǔn)有風(fēng)條件的加入, 導(dǎo)致熱板表面溫度場(chǎng)隨風(fēng)變化.文獻(xiàn)[4-6]研究認(rèn)為，由于1 m/s風(fēng)的存在, 熱板表面溫度不再均勻平衡, 但對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響沒有闡述.在實(shí)際應(yīng)用中, 發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有熱板儀吹風(fēng)系統(tǒng)沒有充分考慮到風(fēng)的湍流區(qū)對(duì)熱板表面溫度場(chǎng)的不利影響, 進(jìn)而造成系統(tǒng)誤差, 這也是不同熱板儀之間熱阻測(cè)量差異很大的原因之一[1-2].

本文在建立有風(fēng)條件下熱板儀的自平衡條件的基礎(chǔ)上, 指出現(xiàn)有熱板儀風(fēng)道設(shè)計(jì)的缺陷, 并以606E型熱板儀為原型, 重新設(shè)計(jì)了風(fēng)道系統(tǒng), 使流過熱板表面的風(fēng)穩(wěn)定在層流狀態(tài), 減少儀器的系統(tǒng)誤差, 提高測(cè)量的準(zhǔn)確性.

1 熱板儀的自平衡條件

1.1 無風(fēng)條件下熱板儀自平衡條件

q1=0

(1)

q2=0

(2)

式中: q1為測(cè)量熱板與上熱護(hù)板之間的熱量交換, W; q2為測(cè)量熱板與底熱護(hù)板之間的熱量交換, W.

1—面料; 2—測(cè)量熱板; 3—隔熱材料; 4—上熱護(hù)板; 5—隔板; 6—底熱護(hù)板圖1 無風(fēng)條件熱板表面溫度變化Fig.1 Hotplate temperature variation without wind

1.2 1 m/s風(fēng)速下熱板儀的自平衡條件

在ISO 11092—1993標(biāo)準(zhǔn)中, 熱板上表面1 m/s的均勻風(fēng)成為了熱阻測(cè)量的必要條件.由于室溫的風(fēng)沿?zé)岚灞砻媪鲃?dòng)過程中被熱板逐漸加熱, 風(fēng)的溫度由低到高變化, 與熱板的熱量交換也由強(qiáng)變?nèi)? 因此，熱板儀上表面的溫度也不再是靜態(tài)空氣層下的均勻狀態(tài), 而是沿著風(fēng)向呈現(xiàn)由低到高的梯度變化. 假設(shè)平行于風(fēng)向的上熱護(hù)板與測(cè)量熱板相鄰的邊沿溫度變化是一樣的, 則可認(rèn)為它們之間不存在熱量交換; 但垂直于風(fēng)向的兩臨邊, 由于溫度梯度的存在, 邊沿兩邊有溫差, 就會(huì)有熱量傳遞, 但只要入風(fēng)側(cè)與出風(fēng)側(cè)熱交換的代數(shù)和為零, 則等同于測(cè)量熱板與熱護(hù)板之間發(fā)生零熱交換[4]. 同理, 底熱護(hù)板的溫度只要控制為測(cè)量熱板的平均溫度, 則可滿足它們之間局部熱交換代數(shù)和為零的要求.用數(shù)學(xué)公式表達(dá)有風(fēng)條件下熱板儀的自平衡條件為

|q1a|-|q1b|=0

(3)

|q2a|-|q2b|=0

(4)

式中: q1a、q1b分別為上熱護(hù)板與測(cè)量熱板入風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)相鄰邊沿的熱交換量, W; q2a、q2b分別為底熱護(hù)板與測(cè)量熱板之間入風(fēng)側(cè)區(qū)域和出風(fēng)側(cè)區(qū)域的熱交換量, W.要滿足式(3)、(4)的要求, 熱板儀上表表面的溫度必須線性均勻變化, 即

t2b-t1b=t1a-t2a

(5)

t3a-t1c=t1d-t3b

(6)

式中: t1a、t1b分別為測(cè)量熱板上表面入風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)邊沿的溫度, ℃; t2a、t2b分別為上熱護(hù)板入風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)邊沿的溫度, ℃； t1c、t1d分別為測(cè)量熱板下表面入風(fēng)側(cè)與出風(fēng)側(cè)邊沿的溫度, ℃； t3a、t3b分別為底熱護(hù)板入風(fēng)側(cè)與出風(fēng)側(cè)邊沿的溫度, ℃. 有風(fēng)條件下熱板表面溫度變化如圖2所示.

圖2 有風(fēng)條件熱板表面溫度變化Fig.2 Hotplate surface temperature variation under wind

要滿足式(5)的條件, 熱板儀上表面的溫度變化需是線性的, 這就要求流經(jīng)熱板儀上表面的風(fēng)速是均勻的, 當(dāng)然熱護(hù)板外沿與環(huán)境接觸部分溫度會(huì)下降, 因此熱護(hù)板需要保持一定的寬度.

2 原606E型熱板儀風(fēng)道系統(tǒng)

使用溫度分辨率為0.06 ℃的Mikroscan 7600PRO型紅外熱像儀對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)下(自身儀表顯示)的熱板儀上表面溫度場(chǎng)進(jìn)行拍攝, 以觀察熱板儀上表面溫度場(chǎng)的變化情況.

606E型熱板儀為浙江寧波紡織儀器廠生產(chǎn)的ASTM型熱板儀, 其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示, 測(cè)量熱板的尺寸為20 mm×20 mm, 上熱板板外沿尺寸為40 mm×40 mm(底熱護(hù)板尺寸與之相同). 在無風(fēng)靜態(tài)空氣下熱板的溫度場(chǎng)分布比較均勻[1], 與相鄰側(cè)熱護(hù)板內(nèi)側(cè)的溫度相差不大, 基本符合無風(fēng)條件下熱板儀的自平衡條件.

606E型熱板儀的原風(fēng)道由矩形截面的有機(jī)玻璃板構(gòu)成, 矩形截面的尺寸為40 mm×10 mm, 其風(fēng)道長(zhǎng)度與熱板儀上表面寬度相同.安裝在入風(fēng)口處的風(fēng)扇(4只并排)直接將風(fēng)吹過熱板儀表面至出風(fēng)口, 由于靠近風(fēng)扇吹風(fēng)的區(qū)域是氣流湍流區(qū), 與熱板的熱量交換劇烈, 熱板儀在該區(qū)域的溫度要明顯低于層流區(qū)的溫度, 從而導(dǎo)致熱板儀上表面溫度變化無法達(dá)到有風(fēng)條件下熱板儀自平衡狀態(tài), 即式(5)不成立, 式(3)、(4)也不再等于零. 606E型熱板儀表面溫度變化如圖3所示.

在1 m/s風(fēng)速條件下, 待熱板儀達(dá)到平衡時(shí)(測(cè)量熱板與熱護(hù)板溫度均控制在設(shè)定溫度±0.5 ℃以內(nèi)并穩(wěn)定一段時(shí)間), 用熱像儀對(duì)其表面溫度場(chǎng)進(jìn)行拍攝, 拍攝圖像如圖4所示. 由圖4可發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇形成的湍流區(qū)對(duì)熱板表面溫度產(chǎn)生很大影響, 與前述分析一致，此時(shí)熱板儀處于假性平衡狀態(tài), 測(cè)量熱板與熱護(hù)板之間存在熱量?jī)糨斎牖騼糨敵? 無法實(shí)現(xiàn)式(3)、(4)的自平衡條件，必然會(huì)造成測(cè)量系統(tǒng)誤差.

圖3 606E型熱板儀的表面溫度變化Fig.3 Surface temperature Variation

圖4 原風(fēng)道中606E型熱板儀表面溫度場(chǎng)Fig. 4 Surface temperature field of 606E guarded hotplate at the original air duct

3 熱板儀新風(fēng)道系統(tǒng)的研制

針對(duì)606E型熱板儀原風(fēng)道系統(tǒng)存在的問題, 本文重新設(shè)計(jì)風(fēng)道系統(tǒng), 如圖5所示.新風(fēng)道主要改進(jìn)在以下3個(gè)方面.

(1) 采用更高功率的風(fēng)扇, 并加長(zhǎng)、加寬和加高風(fēng)道, 使風(fēng)道的截面尺寸為50 mm×12 mm, 增加入風(fēng)口與出風(fēng)口到熱板儀的距離, 使熱板儀處于氣流最均勻的風(fēng)道中部位置.

(2) 由正壓吹風(fēng)更改為負(fù)壓吸風(fēng), 即風(fēng)扇安裝在風(fēng)道的出口處，風(fēng)向向外, 由于風(fēng)扇產(chǎn)生負(fù)壓, 氣流由入風(fēng)口平行經(jīng)過風(fēng)道吸入風(fēng)扇.相對(duì)于吹風(fēng)方式, 吸風(fēng)為無紊流的層流, 更符合熱板儀正常測(cè)量的要求.

(3) 在風(fēng)扇入風(fēng)側(cè)增加均勻分布小孔的阻尼板, 使風(fēng)速由2.5 m/s(風(fēng)扇在無阻尼板時(shí)風(fēng)道內(nèi)產(chǎn)生的風(fēng)速)下降為1 m/s, 由于阻尼產(chǎn)生的壓差較大, 則風(fēng)扇附近的渦流區(qū)被消耗, 使阻尼板前流經(jīng)熱板上方的氣流更加均勻.

圖5 新風(fēng)道系統(tǒng)示意圖Fig. 5 Schematic of new air flow system

新風(fēng)道采用4個(gè)風(fēng)扇并行排列, 電源為0～30 V可調(diào)直流穩(wěn)壓電源, 通過轉(zhuǎn)速儀將4個(gè)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)一致, 使之產(chǎn)生的風(fēng)壓相同.導(dǎo)流罩選用KT板制作相應(yīng)的尺寸, 在導(dǎo)流罩內(nèi)貼近風(fēng)扇放置一塊阻尼層, 上面帶有均勻排列的小孔, 使流經(jīng)導(dǎo)流罩內(nèi)的氣流均勻穩(wěn)定. 新裝置如圖6所示.

裝置搭建好之后, 通過電壓調(diào)節(jié)使流經(jīng)熱板中心上方1.5 cm處的風(fēng)速為1m/s, 此時(shí)測(cè)量入風(fēng)側(cè)與出風(fēng)側(cè)同樣高度的風(fēng)速, 測(cè)量點(diǎn)如圖7所示, 每側(cè)5個(gè)不同位置的風(fēng)速列于表1.從表1中可以看

出, 入風(fēng)側(cè)與出風(fēng)側(cè)的風(fēng)速都比較均勻, 因此，整個(gè)熱板上方的風(fēng)速都是比較均勻的.

圖6 新風(fēng)道系統(tǒng)Fig.6 New air flow system

圖7 風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)位置圖Fig.7 Position of air velocity measuring points

m/s

需要指出的是, 新風(fēng)道將環(huán)境溫度傳感器移到了導(dǎo)流罩外面, 可直接測(cè)量恒溫實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度, 這符合ISO 11092—1993標(biāo)準(zhǔn)的描述: “This air flow is measured at a point 15 mm above the measuring table over the centre of the uncovered measuring unit and at an air temperaturetaof 20 ℃. The air speedvameasured at this point shall have a mean value of 1 m/s, with the drift not exceeding ±0.05 m/s for the duration of a test.” 而在GB 11048—2008中, 該段文字被錯(cuò)誤地翻譯成“在試驗(yàn)板的中心上方15 mm處測(cè)定氣流溫濕度, 從這點(diǎn)測(cè)得的氣流溫度ta為20 ℃、速度va的平均值應(yīng)為1 m/s”. 這導(dǎo)致國(guó)內(nèi)廠家研制儀器出現(xiàn)錯(cuò)誤, 606E型熱板儀的環(huán)境溫度傳感器在熱板中心上方15 mm處, 這與ISO 11092—1993標(biāo)準(zhǔn)并不相符.新風(fēng)道對(duì)此進(jìn)行了更正, 將環(huán)境溫度傳感器移至風(fēng)道之外, 與國(guó)際上主流熱板儀相一致.

圖8 新風(fēng)道中606E型熱板儀表面溫度場(chǎng)Fig.8 Surface temperature field of 606E guarded hotplate at new air duct

606E型熱板儀使用新風(fēng)道后, 再對(duì)穩(wěn)定后熱板表面進(jìn)行紅外溫度場(chǎng)拍攝, 可以得到如圖8所示的溫度場(chǎng)圖像.將該溫度場(chǎng)與原來的溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn), 熱板表面溫度由于1 m/s的風(fēng)速影響同樣是沿著風(fēng)向由低變高, 但是變化趨勢(shì)相對(duì)于原來的更加平緩, 風(fēng)扇的湍流區(qū)遠(yuǎn)離熱板工作區(qū), 對(duì)熱板表面溫度影響很小, 入風(fēng)側(cè)與出風(fēng)側(cè)的溫度僅相差1.2 ℃, 而原來的相差4.9 ℃, 由此證明改進(jìn)后的風(fēng)道裝置在保證熱板表面溫度均勻變化方面效果是很明顯的.

采用海綿標(biāo)樣對(duì)使用新風(fēng)道的606E型熱板儀(后簡(jiǎn)稱新儀器)進(jìn)行檢定, 海綿標(biāo)樣檢定相對(duì)于面料標(biāo)樣疊加法更加合理, 因?yàn)榀B加法由于空氣層的存在會(huì)影響熱阻值的測(cè)定, 從而影響檢定結(jié)果, 而海綿不存在這樣的問題.選取實(shí)驗(yàn)室中厚度為4.717, 10.000和15.000 mm的海綿標(biāo)樣進(jìn)行熱阻測(cè)量, 通過3次測(cè)量取平均值, 海綿熱阻測(cè)量結(jié)果如表2所示. 3種不同厚度海綿的新風(fēng)道熱阻測(cè)量值與理論值相差不大, 相對(duì)偏差在13%以內(nèi), 而原風(fēng)道的測(cè)試值與理論值的相對(duì)偏差在17.2%以上, 可以認(rèn)為新風(fēng)道測(cè)試值更接近理論值, 進(jìn)一步證實(shí)了新風(fēng)道的設(shè)計(jì)合理性.將測(cè)試值與理論值對(duì)應(yīng)輸入儀器中進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn), 表3為新風(fēng)道校準(zhǔn)前后空板值的比較.由表3可以看出, 空板值在校準(zhǔn)前后變化不大, 也說明系統(tǒng)誤差較小.

表2 不同厚度海綿熱阻測(cè)試值與理論值對(duì)比

表3 校準(zhǔn)前后空板值比較

Table 3 Constract of empty plate value before and after calibration

指標(biāo)校準(zhǔn)前校準(zhǔn)后Q1/(W·℃-1)0．5500．548熱阻/(m2·K·W-1)0．07270．0729

4 面料熱阻測(cè)量試驗(yàn)

試驗(yàn)選取12種不同的服裝面料如表4所示, 在(20±0.3) ℃和 (65±3)%的恒溫、恒濕室進(jìn)行測(cè)量.12種面料的熱阻新風(fēng)道測(cè)試數(shù)據(jù)與原風(fēng)道測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比如表5所示.

表4 試驗(yàn)用面料及參數(shù)

表5 測(cè)試結(jié)果和相對(duì)偏差

注: 相對(duì)偏差=2(A-B)/(A+B)×100%(A與B分別為新風(fēng)道和原風(fēng)道中的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)).

從表5可以看出, 12種面料的新風(fēng)道測(cè)量結(jié)果與原風(fēng)道所測(cè)結(jié)果相對(duì)偏差平均值為18.45%.由理論及大量的試驗(yàn)證明, 面料的厚度總體與面料的熱阻值成正相關(guān)性, 對(duì)兩次測(cè)得的12種面料的熱阻與厚度進(jìn)行回歸分析, 結(jié)果如圖9所示.由圖9可知, 新風(fēng)道所測(cè)面料熱阻與厚度呈現(xiàn)更好的線性相關(guān)性, 由此也能說明新風(fēng)道裝置具有更高的測(cè)量靈敏度, 更好地反映了面料厚度與熱阻之間的關(guān)系.

圖9 面料熱阻與厚度的關(guān)系Fig.9 Relationship between fabric thermal resistance and thickness

5 結(jié) 語

熱護(hù)式熱板儀的測(cè)量熱板和熱護(hù)板之間的熱平衡是準(zhǔn)確測(cè)量面料熱阻的必要條件, 本文給出了有風(fēng)狀態(tài)下熱板儀的自平衡條件.通過對(duì)606E型熱板儀的風(fēng)道及送風(fēng)方式進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇吹風(fēng)形成的湍流區(qū)是影響熱板表面溫度不均的重要因素.設(shè)計(jì)并制作新的風(fēng)道及由吹風(fēng)改吸風(fēng)并結(jié)合強(qiáng)阻尼解決上述問題, 紅外熱像表明新風(fēng)道條件下熱板的溫度變化均勻線性, 符合有風(fēng)狀態(tài)下的自平衡條件, 使測(cè)量熱板與熱護(hù)板之間的熱量交換代數(shù)和基本為零, 消除了熱板儀送風(fēng)系統(tǒng)引起的系統(tǒng)誤差.海綿標(biāo)樣試驗(yàn)、空板試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可信, 證實(shí)了新風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性. 12種面料的新風(fēng)道熱板儀測(cè)試數(shù)據(jù)比原有熱板儀的測(cè)試數(shù)據(jù)更好地反映了面料厚度與熱阻之間的線性關(guān)系, 證明新風(fēng)道使熱板儀測(cè)量靈敏性提高, 測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確.

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Study of Guarded Hotplate’s Air Flow System

CHENYi-songa, b,ZHUBina

(a. Fashion & Art Design Institute; b. Key Laboratory of Clothing Design & Technology,Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 200051, China)

The self-balance measurement condition of guarded hotplate under wind was proposed according to the fundamental principles of guarded hotplate. The original air flow system of 606E guarded hotplate was analyzed and the influence of turbulence flowing formed by fan on the surface temperature distribution of the plates was pointed out. The surface temperature fields of 606E hotplate was captured by infrared imager.And the infrared image confirmed the design defect of the original air flow system. A new air flowing chamber was developed by altering air blowing into air suction, lengthening and widening the air duct, adding air pressure damp, and moving the ambient temperature sensor outside of the chamber to make the wind above the plate in a stable laminar flowing state. In this state the infrared image would show a stable and linear temperature variation, and the self-balance between testing plate and guarded plate would achieve. The testing results of the standard sponge samples were identical to their theoretical value, which verified the validity and accuracy of the new design. 12 pieces of different fabrics’ thermal resistance were measured by using 606E with the new air flow system, and the results compared to those measured with original air blowing chamber showed a better linear correlation between thermal resistance and the fabric thickness, which verified a higher measument accuracy of the new design.

guarded hotplate; air flow system; fabric thermal resistance

1671-0444 (2016)06

2015-07-30

陳益松(1964—)，男，湖南寧遠(yuǎn)人，教授，博士，研究方向?yàn)榉b舒適性及光學(xué)三維測(cè)量等. E-mail：cys@dhu.edu.cn

TS 941.19

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