小型独立文物陈列柜微环境控制系统的研究

摘要

采用半导体制冷技术并结合PLC控制技术实现对小型书画、织绣品类独立陈列柜微环境的调节与控制。提出陈列柜热、湿负荷的计算方法；以热力学和传热学理论为基础对陈列柜微环境进行性能分析：以理论分析结果为基础,对陈列柜微环境及其控制系统进行实验研究以及温、湿度分布进行数值模拟,校核温、湿度场判断陈列柜文物区是否存在结露的风险。 采用冷负荷系数法计算陈列柜热湿负荷,采用迭代算法计算出陈列柜内、外壁面温度,解决了于陈列柜冷负荷计算时内、外壁面温度的关键问题。 理论分析结果表明,当冷端散热器表面温度在要求露点温度以下时,一定时间后文物柜内的相对湿度即能达到要求。降低冷端散热器表面温度的方法有：加强热端散热强度、减弱冷端散热强度、适当减小冷端散热面积。 针对用聚苯乙烯泡沫板制作的小型陈列柜模型的理论分析结果表明,陈列柜温、湿度调节装置对冷端散热要求不同,因此将陈列柜温、湿度调节装置独立设置,降温装置冷端散热应选用强迫对流散热；除湿装置应采用自然对流散热。 通过实验研究了冷端散热强度、冷端散热面积、热端散热强度、制冷片片数对陈列柜温度场的影响,以及冷端散热强度对陈列柜湿度场的影响。实验结果表明,相对湿度的变化趋势为先急速上升剑90％左右,后逐渐下降至稳定在某一数值,与理论分析一致。 采用PLC对装置电源进行通断控制,实现陈列柜温度、相对湿度以及控湿冷端铝板表面结霜的控制。实验结果表明,采用该控制策略,稳定时温度和相对湿度波动均在要求范围内,可实现对陈列柜温、湿度的有效控制。 采用计算流体动力学分析软件对陈列柜的温度分布进行数值模拟,结果表明,温度分布均匀性可满足要求,但风扇速度不宜过大。286K(13℃)时相对湿度均在95％以下,陈列柜内文物区无结露风险。

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第一章 绪论

1.1课题背景和意义

1.2国内外发展现状及存在问题

1.3本文研究的内容

第二章半导体制冷文物柜的理论研究

2.1陈列柜动态热湿负荷的计算方法

2.2半导体制冷文物柜性能理论分析

2.2.1文物柜温度场理论分析

2.2.2文物柜湿度场理论分析

2.3本章小结

第三章半导体制冷文物柜的实验研究

3.1实验装置

3.1.1文物柜模型

3.1.2温、湿度调节装置

3.2半导体制冷文物柜性能实验分析

3.2.1实验方法

3.2.2温、湿度控制系统

3.2.3文物柜温度场实验结果及分析

3.2.4文物柜湿度场实验结果及分析

3.2.5文物柜温、湿度控制系统实验结果及分析

3.3本章小结

第四章文物柜温、湿度场的数值模拟

4.1引言

4.2理论模型

4.3采用Fluent软件模拟温、湿度场的步骤

4.3.1温度场

4.3.2湿度场

4.4模拟结果及分析

4.5本章小结

第五章 总结

致谢

参考文献

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