氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室超大型門體結(jié)構(gòu)保溫與密封設(shè)計(jì)

任戰(zhàn)鵬 吳敬濤 吳學(xué)敏

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)大型綜合環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可模擬各種極端氣候環(huán)境條件，開展飛機(jī)等武器裝備的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)[1]。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，為確保室內(nèi)模擬環(huán)境不受外界環(huán)境空氣影響，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)處于(25±5)Pa的微正壓狀態(tài)，大門作為實(shí)驗(yàn)室最大的冷/熱量泄漏部位，它的密封性與保溫性能直接影響著實(shí)驗(yàn)室的能耗及環(huán)境模擬的有效性。

目前，世界上具有代表性的大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室有美國Mckinley實(shí)驗(yàn)室和韓國ADD實(shí)驗(yàn)室，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室在使用過程中大門均出現(xiàn)過嚴(yán)重泄露問題，影響了實(shí)驗(yàn)室的正常使用。國內(nèi)建有很多大型機(jī)庫大門，這些機(jī)庫大門對密封沒有很高的要求，并且不會遭受嚴(yán)酷的溫度環(huán)境，2016年，陳宇[2]介紹了A33項(xiàng)目機(jī)庫大門的保溫與密封形式，可滿足一般環(huán)境溫度下機(jī)庫大門的使用要求。另外許多學(xué)者在小型門體結(jié)構(gòu)的密封方面進(jìn)行了深入的研究，例如，2012年，王亮等人[3]對城軌車輛的LS型鎖閉結(jié)構(gòu)外掛密封門密封進(jìn)行了研究與分析，對該門的設(shè)計(jì)選型提供了參考。2013年，陳健[4]采用新技術(shù)對廣州地鐵車輛的外掛密閉門進(jìn)行了改造，增加了車輛門體的密封性能。2015年，李艷霞等人[5]提出了一種梁板式鋼制矩形密封門，并采用數(shù)值計(jì)算研究了承壓狀態(tài)下門體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移分布情況。但是在極端環(huán)境溫度的超大型門體結(jié)構(gòu)的保溫與密封設(shè)計(jì)方面文獻(xiàn)尚不多見。

針對氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室超大型門體結(jié)構(gòu)的密封問題，本文提出了一種超大型門體結(jié)構(gòu)的密封與保溫設(shè)計(jì)，大大提高了實(shí)驗(yàn)室大門的密封性能和保溫性能，滿足實(shí)驗(yàn)室極端環(huán)境模擬時(shí)的保溫與密封要求。

1 工程概況

氣候?qū)嶒?yàn)室大門共4扇，總寬72 m、高22 m，大門密封界面總長254 m。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，大門內(nèi)側(cè)為極端溫度環(huán)境條件，最高溫度+74 ℃，最低溫度-55 ℃，大門內(nèi)外最大溫差可達(dá)90 ℃，這種極端溫度條件及大溫差環(huán)境給大門的保溫及密封性能帶來極大的挑戰(zhàn)。

1.1 密封問題

實(shí)驗(yàn)室大門面積巨大，可滿足飛機(jī)等武器裝備的進(jìn)出。大門的門與門之間、門與地面之間以及門與墻體結(jié)構(gòu)之間是門體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵密封部位，同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)室最大的冷/熱量泄漏部位。為維持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的微正壓環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中62%的新風(fēng)量用來補(bǔ)償大門部位產(chǎn)生的泄漏。為解決高/低溫環(huán)境下大門的密封問題，必須設(shè)計(jì)一種適用于超大型大門的密封結(jié)構(gòu)，不僅在極端高溫/低溫環(huán)境下具有較好的密封性能，而且對大門的開關(guān)動(dòng)作不會產(chǎn)生干涉。

1.2 保溫問題

實(shí)驗(yàn)室大門的保溫性直接影響著實(shí)驗(yàn)室的能耗和安全。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行極端低溫環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，如果大門沒有進(jìn)行有效的保溫設(shè)計(jì)，室內(nèi)冷量通過熱傳導(dǎo)從門體結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)至門體外側(cè)，當(dāng)門體外表面溫度低于外界露點(diǎn)溫度時(shí)，大門外表面?zhèn)葧霈F(xiàn)大量凝露甚至結(jié)冰，不僅使得實(shí)驗(yàn)室能耗增加，而且給實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)安全帶來隱患。另外，大門保溫設(shè)計(jì)須充分考慮門體配重，避免門體保溫層比重過大，給大門軌道以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來不利因素，增加設(shè)計(jì)難度和成本。

2 大門保溫厚度設(shè)計(jì)

為保證實(shí)驗(yàn)室大門的保溫性能，采用了保溫性能、防潮與防水性較好的聚氨酯復(fù)合板作為大門的保溫材料。該保溫板室內(nèi)側(cè)表面為0.5 mm厚的不銹鋼材料，外側(cè)表面為0.6 mm厚的彩鋼板，中間為聚氨酯保溫芯材，每塊保溫板之間采用耐候性膠進(jìn)行防水及密封處理。距門體保溫板外側(cè)約400 mm安裝有100 mm厚的巖棉外飾板，使得門體保溫板外側(cè)處于相對封閉的空間里。為確保實(shí)驗(yàn)室大門內(nèi)外90 ℃的最大溫差時(shí)(大門室內(nèi)側(cè)溫度為-55 ℃時(shí),大門外側(cè)室外溫度35 ℃，75%RH)，大門保溫板外側(cè)不出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，通過分析計(jì)算，確定了實(shí)驗(yàn)室大門保溫層厚度。

由于大門保溫層外側(cè)處于無風(fēng)環(huán)境，保溫板外側(cè)與空氣換熱為自然對流，空氣自然對流換熱系數(shù)在5 W/(m2·K)～25 W/(m2·K)之間[6]，取換熱系數(shù)最小的5 W/(m2·K)，根據(jù)多層結(jié)構(gòu)熱阻及大門保溫板內(nèi)外傳熱計(jì)算公式：

(1)

(2)

式中：T空——室外溫度35 ℃；

T1——室外35 ℃，75%RH時(shí)的露點(diǎn)溫度29.9 ℃；

T內(nèi)——室內(nèi)環(huán)境溫度-55 ℃；

h1——空氣自然對流換熱系數(shù)；

h2——保溫板內(nèi)側(cè)與實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)空氣對流換熱系數(shù)，29 W/(m2·K)；

b——保溫板導(dǎo)熱率修正系數(shù)1.4[7]；

R——大門保溫層及內(nèi)表面換熱的總熱阻；

σ1，σ2，σ3——保溫板內(nèi)表面不銹鋼、聚氨酯保溫層及外表面彩鋼板的厚度；

λ1——不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)，取16.2 W/(m·K)；

λ2——采用的聚氨酯保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，取0.026 W/(m·K)；

λ3——彩鋼板面的導(dǎo)熱系數(shù)，取46.5 W/(m·K)。

由以上兩式得出滿足實(shí)驗(yàn)室大門保溫要求的聚氨酯保溫層厚度為σ2=123 mm。該保溫設(shè)計(jì)已在氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用，在室外-37 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了+74 ℃與-55 ℃極端溫度環(huán)境試驗(yàn)過程中，大門保溫層外側(cè)溫度與環(huán)境溫度基本相差在3 ℃以內(nèi)，且無凝露現(xiàn)象出現(xiàn)，體現(xiàn)出了很好的保溫性。

3 大門密封設(shè)計(jì)

大門關(guān)閉時(shí)的門體布局及門體密封結(jié)構(gòu)的密封性是影響大門密封性能的關(guān)鍵因素，為解決實(shí)驗(yàn)室大門的密封問題，提出了變軌運(yùn)行、單軌排布的門體布局設(shè)計(jì)，以及雙重充氣密封設(shè)計(jì)，不僅有效的解決了門與門之間、門與地面之間、門與墻體結(jié)構(gòu)之間的密封問題，而且規(guī)避了密封結(jié)構(gòu)與密封界面出現(xiàn)相互干涉的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 門體布局設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的大型機(jī)庫大門采取雙軌或多軌的形式，大門完全關(guān)閉時(shí)呈階梯狀布局，大門的密封界面不在同一個(gè)平面上，使得每扇大門門角的密封存在較大漏點(diǎn)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行低溫環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，門體泄漏使得大門外側(cè)出現(xiàn)大量結(jié)冰，使得實(shí)驗(yàn)室能耗增加，同時(shí)會給實(shí)驗(yàn)室?guī)硪欢ǖ陌踩[患。

變軌運(yùn)行、單軌排布的門體設(shè)計(jì)使得四扇大門出門艙后在一條軌道上運(yùn)行，四扇大門完全關(guān)閉時(shí)處于同一平面(如圖1所示)，使得門與門、門與頂部結(jié)構(gòu)、門與地坪之間的密封處于同一平面，規(guī)避了大門階梯狀結(jié)構(gòu)布局中存在的嚴(yán)重泄漏問題，同時(shí)也有利于各扇大門之間密封界面的密封處理。

3.2 雙重充氣密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大門雙重充氣密封結(jié)構(gòu)采用一種耐受極端溫度環(huán)境的硅橡膠材料，可耐受實(shí)驗(yàn)室-55 ℃和+74 ℃極端溫度條件。每扇門安裝有兩條相互獨(dú)立的充氣密封結(jié)構(gòu)，分別安裝在每扇大門四周密封界面位置，可滿足門與門、門與地面、門與墻體結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部位的密封需求，如圖2所示。該充氣密封結(jié)構(gòu)有充氣密封狀態(tài)和自然狀態(tài)兩種狀態(tài)，如圖3所示。當(dāng)密封結(jié)構(gòu)處于自然狀態(tài)時(shí)，該充氣密封結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的密封界面之間留有2.5 mm～3.0 mm的安全距離，避免大門打開或閉合時(shí)密封結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的密封界面出現(xiàn)干涉；當(dāng)大門完全關(guān)閉且需要密封時(shí)，通過充氣調(diào)壓系統(tǒng)向密封結(jié)構(gòu)內(nèi)充氣氮?dú)猓沟妹芊饨Y(jié)構(gòu)內(nèi)壓力在15 kPa～25 kPa之間，密封結(jié)構(gòu)則處于充氣密封狀態(tài)，密封件與相應(yīng)密封界面充分貼合，達(dá)到密封效果，如圖4所示。通過該密封設(shè)計(jì)，使得實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)補(bǔ)償量比原設(shè)計(jì)降低了約52%。

4 結(jié)語

超大門體密封與保溫設(shè)計(jì)在氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室大門設(shè)計(jì)中得到了成功應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行極端高溫或低溫試驗(yàn)時(shí)，體現(xiàn)出了較好的密封性和保溫性能，成功解決了超大型門體結(jié)構(gòu)的保溫與密封問題，降低了實(shí)驗(yàn)室能耗。通過該項(xiàng)目，在超大型門體的密封與保溫設(shè)計(jì)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，對類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒和參考價(jià)值。