不同环境下包装容器内温湿度变化试验研究

2021-08-16王竟成李军念张伦武张丁非

装备环境工程 2021年7期

王竟成，李军念，张伦武，张丁非

（1.西南技术工程研究所，重庆 400039；2.甘肃敦煌大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，甘肃敦煌 736202；3.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044）

自然环境试验是支撑装备及产品自主创新发展的必要手段，是服务国防和国民经济建设的国家重大基础技术[1]。这项工程技术不仅是评价装备和材料性能的重要手段，也是保障产品质量的重要环节。自然环境试验和研究获得的数据与规律，准确可靠，符合使用实际，对于产品合理选材、正确选择防护措施、延长使用寿命、减少经济损失都具有十分重要的意义。通过自然环境试验技术掌握各种环境的性质、特征和变化规律，分析各种环境对产品的影响，以调节和控制它们与环境的相互关系，能有效提高产品的环境适应性[2]。行业内众多专家学者对自然环境试验的试验特点[3-4]、试验实施[5-6]及其在产品研制生产过程中的应用[7]进行了探讨。

影响产品性能的自然环境因素很多，其中温度、湿度[8-9]和太阳辐射是最主要、普遍的三大因素。重要产品在使用和贮存过程中，采用密闭包装容器对产品提供防护是常见的技术手段。自然环境下，包装容器内部的微环境信息对于产品的定寿、延寿、维护等至关重要。温度能改变产品的物理化学特性：高温引发材料软化、干裂，气体膨胀，金属氧化等；低温引发橡胶硬化、材料脆裂、油脂变黏发稠等；温度交变会诱发裂纹萌生、界面开裂、凝水结霜等现象。湿度是表征大气潮湿程度的参量。高湿会加速金属腐蚀，电气绝缘性能降低；低湿使产品产生干裂、脆化、粉化和静电；干湿交替会加速材料返潮与电化学腐蚀。太阳辐射对产品的影响主要包括热效应和光化学效应，文中仅研究太阳照射引起容器的辐射温升。

本研究针对密闭包装容器在户外暴露、户外遮蔽和室内存放3种工况，采用传感器采集、记录环境与容器内部的温湿度数据。通过数据处理与对比分析，掌握容器在不同条件下的温湿度分布、变化规律，从而为产品的使用和维护提供数据支撑，同时也为下一步的数值模拟、分析预测工作提供宝贵的试验验证。

1 试验

1.1 试验器件

包装容器由外筒体、端盖、底座、内筒、木托、传感器支架、热负载（橡胶）、密封条等组成。底座用Q235钢材焊接成形，表面采用热浸锌工艺防腐蚀。三棱柱式传感器支架用钢条焊接，用于固定温湿度传感器。外筒体采用6系列铝合金板材卷焊成圆筒，外径为850 mm，长度为1000 mm，两端焊接16 mm厚的法兰盘，配备10 mm厚的铝合金端盖，整体刷涂绿色聚氨酯涂料漆。端盖与外筒体之间采用螺栓螺杆连接，并使用橡胶圈密封，保证容器的气密性。用100 kg橡胶作为模拟产品的热负载卷入内筒，置于容器内木托上。试验实施前，利用除湿机对橡胶、木托进行48 h除湿处理，尽可能除去内部水分。

传感器采用HOBO U23-002，并通过专业机构校核检定，可靠性、稳定性有保障，具体性能参数见表1。其记录模块内存为64 kB，能存储21 000组数据。将预先编号的标签贴于记录舱，使用专用软件将传感器激活，采集频率设置为每10 min一次，可存储145 d的数据。

表1 传感器参数Tab.1 Performance parameters of sensor

1.2 试验实施

容器内各传感器位置如图1所示。1号传感器位于橡胶上部外侧（监测点1）；2号传感器位于容器内空气域上1/4处（监测点2）；3号传感器位于下1/4处（监测点3）；4号传感器位于容器外背阴处（监测点4），用于监测环境温度。本次试验共使用11个传感器，监测点1仅采集橡胶内部的温度数据。在某大气试验站投放3套包装容器，1号置于室内，表面不作任何遮挡；2、3号放于大气试验场，暴露在开阔、阳光不受遮挡的位置，并保证容器轴线为东西朝向。2号容器使用篷布覆盖，3号容器不作遮挡。1、2、3号容器环境严酷性依次增加。

图1 试验传感器布置Fig.1 the position of sensors

2 试验结果及分析

传感器每10 min采集一组数据，单个每天记录144组数据。本次试验周期为30 d。为更好地展现数据曲线的细节特征，仅绘制最具有代表性的6个日循环（11月10日7:30至15日21:00，约800组数据）的温湿度变化，分别从温度、湿度、温湿度关联性进行对比分析。

2.1 温度变化

室内1号容器监测点的温度变化情况如图2所示。4条曲线走势大致相同，温差小于1.3 ℃。观察期内处于一个降温过程，6 d后，室内平均温度下降3.5 ℃。室内昼夜温差约为1.1 ℃，白天温度上升，夜间温度下降，形成一个正弦峰。由于热量的传递，容器内温度呈现类似正弦的变化。筒体内部气体温度的极大值相比环境温度极大值，滞后约2个采集点（约20 min）。因为橡胶热容量较大，空气的导热能力又较弱，降温过程中呈现出橡胶（0101）温度＞容器内空气（0102/0103）温度＞室内（0104）温度的分布规律。容器内两处空气监测点的温度曲线基本契合，差异小于0.1 ℃。温度曲线第3天没有出现正弦型温升峰，室内温度一路走低，推断当天为阴雨天，后面的分析中将多次印证这一结论。

图2 1号容器监测点温度变化Fig.2 The monitoring temperature of container No.1

暴露场中2、3号容器的温度变化趋势几乎一致，仅数值上有差别，如图3所示。户外昼夜温差约15 ℃，监测点2温度振幅高达30 ℃，篷布覆盖后，监测点2振幅减为25 ℃。完全暴露的3号容器，内部温度对外界因素更敏感，日间次级波动较多。2号容器内温度变化较平滑，滤去了日间很多细小波动。容器上半部在日照下产生辐射温升，容器内温度明显高于环境温度，在热传导与对流传热的综合作用下，容器内部形成有规律的温度梯度，日间呈现出监测点2＞监测点3＞监测点1＞监测点4的分布特征。与单纯依靠热传导引起温变的1号容器相比，太阳辐射的热效应致使2、3号容器内产生较大温升。温度梯度最大时，3号容器监测点2（0302）高于环境温度（0304）约14 ℃，高于监测点3（0303）约5 ℃，高于监测点1（0301）约10 ℃。同等情况下，2号容器内0202高于环境温度约10 ℃，高于0203约4 ℃，高于0201约9 ℃。因此，篷布覆盖在太阳照射下能起到一定的降温作用。桶内2、3号监测点温度几乎同时达到极大值，1号监测点极大值滞后7~18个采集点不等，与具体升温过程有关。户外环境下，桶内温度受太阳辐射影响最大，环境温度降为次要因素，极大值超前滞后皆有出现。第3天没有出现大幅正弦型温升，可再次推断第3天为阴雨天，查阅当天气象记录，印证了此推断。在没有太阳辐射的夜间或阴雨天，监测点2、3的温度曲线迅速重合，表征着容器内空气温度趋于平衡。橡胶较高的比热加上空气较差的导热能力，致使夜间橡胶温度反而高于空气温度，最大时约高出6 ℃。

图3 2、3号容器监测点温度变化Fig.3 The monitoring temperature of container No.2 and No.3

图4a对比了室内与户外的环境温度，户外温度次生波动较多，受日照变化、实时空气对流条件等多种因素影响。户外环境的瞬时变化对室内环境几乎没有影响，室内环境温度曲线十分平滑，没有细小波动；室内滤去了户外昼夜90%以上的温度波动，提供了较温和的贮存环境，有良好的防护作用。受外部降温影响，室内温度亦逐日降低。图4b为不同环境下监测点1的温度变化，表征了橡胶内部的温度变化。2、3号容器中，橡胶监测点的温度变化趋势基本一致。2号容器中，橡胶昼夜温度波动约为3号容器的80%。3号容器中，橡胶监测点温度极大值高于同等情况下2号监测点约2.5 ℃，极小值低约1 ℃。同环境温度一样，1号容器内橡胶温度的昼夜波动（约0.5 ℃）远小于户外2、3号容器。

图4 室内外温度与橡胶内部温度对比Fig.4 Comparison of (a) indoor and outdoor temperature and(b) rubber internal temperature

2.2 湿度变化

1号容器的湿度时程曲线（实线）如图5所示，同时用虚线绘制了户外（0304）湿度的变化作对比分析。户外湿度曲线显示，第3天（数据节点250~400）大气相对湿度陡增，由20%~30%的水平上升到90%以上，进一步证实了当天出现降雨。降雨后的2天，大气相对湿度比降雨前有较大提升，平均在55%左右。室内环境相对湿度（0104）波动相对于户外小很多，第3天由于户外降雨引起库室内相对湿度上升，最高接近40%，说明户外的相对湿度对室内湿度有明显影响。降雨后，室内环境相对湿度由26%提升至36%。容器内空气相对湿度变化较小，保持在62.5%左右，监测点2和监测点3的数据几乎重合，差异小于0.6%。结合上文温度分析，室内的2、3号监测点仅使用一个传感器即可满足温湿度监测需求。容器内空气相对湿度受外界湿度变化影响较小，表明容器的气密性良好。容器内相对湿度明显高于库内相对湿度，可能是由于封盖后橡胶内部水汽散发，集聚在容器内所致。

图5 1号容器相对湿度变化Fig.5 The variation of relative humidity in container No.1

暴露场中2、3号容器内空气相对湿度的变化曲线如图6所示，两者相对湿度变化趋势高度相似，仅数值上有差别。日间总体呈现出RH0302＜RH0202＜RH0303＜RH0203的规律，夜间相对湿度曲线几乎重合。对比上文不难发现，相对湿度与温度的分布规律反向相关，温度越高，相对湿度越低。日间3号容器内监测点2温度最高，其相对湿度最低，最低值约为32%；夜间4个监测点温度趋于相同，其相对湿度曲线也几乎重合。容器内部的湿度虽有较大波动，但与环境的相对湿度没有明显相关性，进一步验证了试验容器具有良好的气密性。

图6 2、3号容器相对湿度变化Fig.6 The variation of relative humidity in container No.2 and No.3

2.3 温湿度关联

相对湿度直接反映了空气中水汽含量距离饱和的程度，指空气中水汽压P与相同温度下饱和水汽压Ps的百分比，即：RH=P/Ps×100%[10]。饱和水汽压是水汽达到饱和时的水汽压强，它是温度的函数，随温度升高显著增大[11]。因此，相对湿度不仅与空气中的水汽含量有关，也与温度紧密相关。当水汽压不变时，气温升高，饱和水汽压增大，相对湿度会减小。图7采用双轴图较好地展现了密闭容器内温度（实线）与相对湿度（虚线）的关联性。选取试验中最具代表性的1号容器与3号容器中监测点2（0102和0302）的温湿度数据制图。与上述分析一致，密闭容器内温度高时，相对湿度低；温度低时，相对湿度高，表现出较强的负相关性。上午筒内温度迅速升高，相对湿度一路走低。午后温度达到极大值，相对湿度也下降到极小值。随后筒内温度开始下降，相对湿度则开始上升。但温度降至5 ℃附近时，相对湿度不再与温度负相关，转而随温度下降而下降。推测这一原因是筒内局部水汽压饱和，水汽冷凝析出，水汽总量减小，导致相对湿度下降。