氣候環(huán)境實驗室超大型門體結構保溫與密封設計

任戰(zhàn)鵬 吳敬濤 吳學敏

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

氣候環(huán)境實驗室是一個大型綜合環(huán)境實驗室，實驗室內(nèi)可模擬各種極端氣候環(huán)境條件，開展飛機等武器裝備的環(huán)境適應性試驗[1]。實驗室內(nèi)進行環(huán)境試驗時，為確保室內(nèi)模擬環(huán)境不受外界環(huán)境空氣影響，實驗室內(nèi)處于(25±5)Pa的微正壓狀態(tài)，大門作為實驗室最大的冷/熱量泄漏部位，它的密封性與保溫性能直接影響著實驗室的能耗及環(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)境實驗室有美國Mckinley實驗室和韓國ADD實驗室，這兩個實驗室在使用過程中大門均出現(xiàn)過嚴重泄露問題，影響了實驗室的正常使用。國內(nèi)建有很多大型機庫大門，這些機庫大門對密封沒有很高的要求，并且不會遭受嚴酷的溫度環(huán)境，2016年，陳宇[2]介紹了A33項目機庫大門的保溫與密封形式，可滿足一般環(huán)境溫度下機庫大門的使用要求。另外許多學者在小型門體結構的密封方面進行了深入的研究，例如，2012年，王亮等人[3]對城軌車輛的LS型鎖閉結構外掛密封門密封進行了研究與分析，對該門的設計選型提供了參考。2013年，陳健[4]采用新技術對廣州地鐵車輛的外掛密閉門進行了改造，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)值計算研究了承壓狀態(tài)下門體結構的應力、位移分布情況。但是在極端環(huán)境溫度的超大型門體結構的保溫與密封設計方面文獻尚不多見。

針對氣候環(huán)境實驗室超大型門體結構的密封問題，本文提出了一種超大型門體結構的密封與保溫設計，大大提高了實驗室大門的密封性能和保溫性能，滿足實驗室極端環(huán)境模擬時的保溫與密封要求。

1 工程概況

氣候實驗室大門共4扇，總寬72 m、高22 m，大門密封界面總長254 m。實驗室進行試驗時，大門內(nèi)側為極端溫度環(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

實驗室大門面積巨大，可滿足飛機等武器裝備的進出。大門的門與門之間、門與地面之間以及門與墻體結構之間是門體結構的關鍵密封部位，同時也是實驗室最大的冷/熱量泄漏部位。為維持實驗室內(nèi)的微正壓環(huán)境，實驗室新風系統(tǒng)設計中62%的新風量用來補償大門部位產(chǎn)生的泄漏。為解決高/低溫環(huán)境下大門的密封問題，必須設計一種適用于超大型大門的密封結構，不僅在極端高溫/低溫環(huán)境下具有較好的密封性能，而且對大門的開關動作不會產(chǎn)生干涉。

1.2 保溫問題

實驗室大門的保溫性直接影響著實驗室的能耗和安全。當實驗室在進行極端低溫環(huán)境試驗時，如果大門沒有進行有效的保溫設計，室內(nèi)冷量通過熱傳導從門體結構傳導至門體外側，當門體外表面溫度低于外界露點溫度時，大門外表面?zhèn)葧霈F(xiàn)大量凝露甚至結冰，不僅使得實驗室能耗增加，而且給實驗室的結構安全帶來隱患。另外，大門保溫設計須充分考慮門體配重，避免門體保溫層比重過大，給大門軌道以及驅動機構的設計帶來不利因素，增加設計難度和成本。

2 大門保溫厚度設計

為保證實驗室大門的保溫性能，采用了保溫性能、防潮與防水性較好的聚氨酯復合板作為大門的保溫材料。該保溫板室內(nèi)側表面為0.5 mm厚的不銹鋼材料，外側表面為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行防水及密封處理。距門體保溫板外側約400 mm安裝有100 mm厚的巖棉外飾板，使得門體保溫板外側處于相對封閉的空間里。為確保實驗室大門內(nèi)外90 ℃的最大溫差時(大門室內(nèi)側溫度為-55 ℃時,大門外側室外溫度35 ℃，75%RH)，大門保溫板外側不出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，通過分析計算，確定了實驗室大門保溫層厚度。

由于大門保溫層外側處于無風環(huán)境，保溫板外側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)多層結構熱阻及大門保溫板內(nèi)外傳熱計算公式：

(1)

(2)

式中：T空——室外溫度35 ℃；

T1——室外35 ℃，75%RH時的露點溫度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)側與實驗室室內(nèi)空氣對流換熱系數(shù)，29 W/(m2·K)；

b——保溫板導熱率修正系數(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——不銹鋼導熱系數(shù)，取16.2 W/(m·K)；

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

λ3——彩鋼板面的導熱系數(shù)，取46.5 W/(m·K)。

由以上兩式得出滿足實驗室大門保溫要求的聚氨酯保溫層厚度為σ2=123 mm。該保溫設計已在氣候環(huán)境實驗室項目中得到了成功應用，在室外-37 ℃時，實驗室進行了+74 ℃與-55 ℃極端溫度環(huán)境試驗過程中，大門保溫層外側溫度與環(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 大門密封設計

大門關閉時的門體布局及門體密封結構的密封性是影響大門密封性能的關鍵因素，為解決實驗室大門的密封問題，提出了變軌運行、單軌排布的門體布局設計，以及雙重充氣密封設計，不僅有效的解決了門與門之間、門與地面之間、門與墻體結構之間的密封問題，而且規(guī)避了密封結構與密封界面出現(xiàn)相互干涉的風險。

3.1 門體布局設計

傳統(tǒng)的大型機庫大門采取雙軌或多軌的形式，大門完全關閉時呈階梯狀布局，大門的密封界面不在同一個平面上，使得每扇大門門角的密封存在較大漏點。當實驗室內(nèi)進行低溫環(huán)境試驗時，門體泄漏使得大門外側出現(xiàn)大量結冰，使得實驗室能耗增加，同時會給實驗室?guī)硪欢ǖ陌踩[患。

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

3.2 雙重充氣密封結構設計

大門雙重充氣密封結構采用一種耐受極端溫度環(huán)境的硅橡膠材料，可耐受實驗室-55 ℃和+74 ℃極端溫度條件。每扇門安裝有兩條相互獨立的充氣密封結構，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、門與墻體結構等關鍵部位的密封需求，如圖2所示。該充氣密封結構有充氣密封狀態(tài)和自然狀態(tài)兩種狀態(tài)，如圖3所示。當密封結構處于自然狀態(tài)時，該充氣密封結構與相應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密封結構與相應的密封界面出現(xiàn)干涉；當大門完全關閉且需要密封時，通過充氣調壓系統(tǒng)向密封結構內(nèi)充氣氮氣，使得密封結構內(nèi)壓力在15 kPa～25 kPa之間，密封結構則處于充氣密封狀態(tài)，密封件與相應密封界面充分貼合，達到密封效果，如圖4所示。通過該密封設計，使得實驗室新風系統(tǒng)的新風補償量比原設計降低了約52%。

4 結語

超大門體密封與保溫設計在氣候環(huán)境實驗室大門設計中得到了成功應用，在實驗室進行極端高溫或低溫試驗時，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構的保溫與密封問題，降低了實驗室能耗。通過該項目，在超大型門體的密封與保溫設計方面積累了豐富的經(jīng)驗，對類似項目的設計具有一定的借鑒和參考價值。