氣候環境實驗室加濕系統設計的關鍵技術研究

張亞娟,吳敬濤,劉海燕

（中國飛機強度研究所三十一室，西安 710065）

引言

氣候環境實驗室體量超10萬m3，是綜合性氣候模擬環境實驗室，具備模擬高溫、低溫、太陽輻射、濕熱、淋雨、降雪、凍雨、結冰和低速吹風等典型氣候環境的能力。實驗室密封性良好，結構復雜，其加濕系統要實現高溫高濕氣候環境條件模擬，實驗室濕度技術要求：2～74 ℃，10 %RH～95 %RH；能在8 h內達到溫濕度包線（見圖1）內的溫濕度要求。

對于大型氣候環境模擬室加濕系統的設計，國內沒有類似規模的實驗室加濕實例可供借鑒，通過學習國外大型氣候環境實驗室加濕系統設計的成功經驗，本文主要從加濕方法、加濕需求量計算及加濕器安裝實施等方面進行了研究，可為大型實驗室加濕系統的設計提供理論指導。

1 加濕系統設計

該實驗室加濕系統選用干蒸汽加濕器，多個加濕噴管平均布置在實驗室5個空調間內，在垂直風流方向噴干蒸汽，氣流把加濕后的濕空氣沿風道送入實驗室內，再通過進風管道末端的多個均勻分布的散流器把濕空氣散射向實驗室內。實驗室單個風循環管道內的加濕系統工作原理圖見圖2。

1.1 實驗室加濕系統工作原理

實驗室選用干蒸汽加濕器，由蒸汽鍋爐供給加濕器汽源，蒸汽進入噴管后在蒸汽壓力作用下向前運動，到達截面積較大的蒸發室后，流動速度下降，蒸汽減速和擋流板的作用，使蒸汽中所含有的凝結水被分離出來。分離出冷凝水的蒸汽經過蒸發室頂部進入預熱的干燥室。經過干燥室內配備的不銹鋼濾網先使殘留水分過濾和分離；再通過調節閥降低干燥室內壓力，使蒸汽內的殘留水分再次汽化，從而實現對飽和蒸汽的干燥處理、汽水分離及水分的二次汽化。經干燥處理的飽和蒸汽經過調節閥進入中心噴管，再通過噴管孔逆向噴入風道，最后進入風道末端且安裝在實驗室頂部散流器，經散流器的散射均勻噴向實驗室內，完成對實驗室內空氣的循環式加濕。干蒸汽加濕器結構示意圖見圖3，干蒸汽加濕系統的特點[1]是：加濕量大，加濕效率高，相對濕度可達95 %以上；加濕速度快，反應靈敏；加濕的成本消耗較低；結構簡單，可靠性高等。

1.2 干蒸汽加濕器設計計算

干蒸汽加濕可近似為一個等溫加濕過程，空氣加濕過程狀態圖如圖4所示。假如將空氣加濕到飽和點 3之后還進行加濕，則多余的水汽將會凝結，放出的汽化潛熱將使飽和空氣的溫度升高，空氣會沿飽和空氣線到達點4，即狀態點4。也可以根據實際加濕量的需求值在等溫延長線上找到點 4′，再由經過點 4′的等焓線與飽和線的交點獲得狀態點4。

加濕器單個噴管噴出的蒸汽量g是實驗室設計所需安裝加濕器的噴管數量的重要設計參數之一，該加濕蒸汽量g根據公式（1）得到：

式中，f為單噴孔面積，單位為mm2；p為蒸汽的表壓力，單位為MPa。

2 實驗室加濕量計算

實驗室加濕的技術要求是在8 h內濕度從最小增加到最大，根據上文的溫濕度包線圖1，假設實驗室濕空氣絕對加濕量最大的狀態為：溫度52 ℃時，相對濕度由10 %增加到95 %。計算實驗室加濕量應確定的參數有：

1）需要加濕空間的容積、新風量以及換氣次數；

2）需加濕量最大工況的相對濕度、實際濕度等。

圖2 單個風循環管道加濕原理圖

圖3 干蒸汽加濕器的結構示意圖

圖4 空氣加濕過程狀態圖

2.1 濕空氣飽和水蒸氣壓力Pq，b的計算

薛殿華[2]提出的濕空氣飽和水蒸氣壓力的數學模型,經計算機驗算, 存在較大誤差, 修正后的模型方程如下:

式中：Pq,b為飽和水蒸氣壓力； T 為絕對溫度（K）。式中各系數的取值見表1。

把T=273.15+52=325.15及濕度系數帶入（2）式，編程計算得到52 ℃時的濕空氣飽和蒸汽壓等于13 628.98 Pa。

2.2 濕空氣密度ρ的計算

濕空氣密度ρ等于干空氣密度與水蒸氣密度之和，計算公式寫成（3）：

式中：

ρ，—濕空氣的密度，單位為kg/m3；

ρg，ρq—干空氣及水蒸氣的密度，單位為kg/m3；

Pg，Pq—干空氣及水蒸氣的壓力，單位為Pa；

Rg—干空氣的氣體常數，值為287 J/(kg·K)；

Rq—水蒸氣的氣體常數，值為461 J/(kg·K)。

一般情況下取大氣壓力為B=101 325 Pa，則（3）可寫成（4）：

相對濕度是空氣中水蒸氣含量的間接指標，其公式定義為：由（4）式和（5）式可得到：

溫度52 ℃，相對濕度為10 %和95 %時的濕空氣密度ρ1和ρ2，由（6）可以計算得到：ρ1=1.080 kg/m3，ρ2=1.032 kg/m3。

2.3 濕空氣的含濕量d

取濕空氣中的水蒸氣密度與干空氣密度之比作為濕空氣含有水蒸氣的指標，即取對應于1 kg干空氣的濕空氣所含有的水蒸汽量。所以有：

溫度為52 ℃，相對濕度為10%和95%時濕空氣的密度為d1和d2，根據公式（7），計算得d1= 8.48×10-3kg/kg，d2= 0.091 1 kg/kg。

2.4 實驗室加濕量

大環境室的體積為V=63 m×72 m×24.5 m=1.111×105m3；實驗室維持微正壓的新風補償量為12.5 kg/sec，該值的選取是基于實驗室暴露在空氣中的外表面面積和及工程經驗。實驗室的加濕量Q按式（8）計算：

式中：

Q—實驗室加濕總量，單位為kg/h；

Q1，Q2—實驗室內空氣及補償新風的加濕量，單位為kg/sec；

c—加濕裕度，一般取1.2。

式（8）中的Q1和Q2可根據式（9）和（10）進行計算：

代入數值計算得到Q1=0.327 3 kg/sec；Q2=1.032 75 kg/sec；Q =5 875 kg/h。

由以上的計算得到實驗室加濕量的最大理論需求值約為6 t/h，取1.2倍的安全系數，則實驗室需要供應的最大實際蒸汽量為7.2 t/h，該計算結果可用于干蒸汽加濕器的選型及數量配置。為了保證加濕系統安全節能的運行，加濕系統除了配置干蒸汽加濕器、噴管和流量調節閥外，還需的輔助系統包括蒸汽減壓穩壓系統和凝結水回收系統。

表1 濕度系數

3 干蒸汽加濕技術問題分析

在實驗室使用的干蒸汽加濕系統一般安裝在風道或空調機組里，經常會因風道底部水駐留引起腐蝕問題，這主要是因為加濕蒸汽遇到低于蒸汽溫度的物體產生冷凝水，這種冷凝水的產生會影響空調機組內換熱器的工作效率，風機電機受潮，風道滴水腐蝕等產生安全隱患。為此設計時應該注意以下問題。

3.1 加濕吸收距離過長

加濕吸收距離是指在風道或空調系統內加濕時，蒸汽能被很快吸收，而不產生濕斑或飽和區的距離，受風速、溫濕度、加濕量、噴管長度和數量等因素影響，加濕吸收距離與工作區域、工作環境及要求有關。加濕吸收距離一般采用測量和查表相結合的方法得到。在加濕吸收距離內盡量不要設置任何設備或障礙物，以免其表面產生冷凝水，造成設備腐蝕。

針對加濕吸收距離過長的問題，可采用將加濕器出口與多根噴管相連接的方法，實現蒸汽的充分汽化，提高加濕效率。

3.2 安裝位置及控制方式

氣候環境實驗室配備的干蒸汽加濕器安裝在輸送循環風的風道內。風道里還安裝風機、換熱器等設備，當蒸汽噴到低于其飽和溫度的設備表面時，就會產生冷凝水，聚集在風道底部的這些冷凝水使風道產生銹蝕，影響風道的密封，甚至會出現漏水、跑水現象。設計時將干蒸汽加濕器設置到風機和換熱器等設備的下游，就可解決此問題，還可以提高蒸汽使用效率。

設計加濕控制與風機有連鎖控制功能，即風機停止工作時，加濕也要停止，以防蒸汽滯留冷凝，腐蝕空調設備。

3.3 選擇多噴管加濕

干蒸汽加濕多選擇多噴管加濕，多噴管加濕具有以下優勢：

1）減小蒸汽吸收距離：實驗室空間大要求加濕量大，因此需設計大風道或大風量的空調機組，只有選用多噴管加濕才可以加寬蒸汽的排放分布區，使蒸汽快速均勻擴散，從而減小蒸汽吸收距離，使蒸汽充分汽化；

2）提高空氣的加濕效率：當風道內蒸汽噴嘴的數量增多時，容易形成高密度的水霧幕， 可減少空氣的旁通，使空氣和蒸汽混合效果更好，從而提高熱質交換效率，提高空氣的加濕效果。

但選用多噴管加濕，可能會造成水霧相互疊加，蒸汽顆粒相互碰撞幾率增加， 容易形成較大的水滴，在風道內形成濕底現象。

4 結束語

針對大體量密封實驗室的相對濕度高、加濕量大的要求，選擇加濕方式為干蒸汽加濕器，同時結合實驗室加濕最嚴酷工況，詳細計算了實驗室加濕所需蒸汽量，可直接用于加濕器的選型及數量配置。結合加濕器的實際使用分析了加濕系統中可能出現的問題及解決問題的方法。在加濕系統的設計研究中，充分考慮了實驗室的濕度工況要求，即加濕空間巨大，加濕速度快，濕度范圍廣等的要求，為以后的科學研究提供了良好的試驗平臺，也可為實際工程應用提供理論依據。

[1] 于國良,楊萬楓.工業廠房干蒸汽加濕設計[J].機電設備, 2005,（2）：39-41.

[2] 薛殿華.空氣調節[M].北京:北京清華大學出版社, 1993.

[3] 古晉光等.加濕工程應用手冊[M].臺灣翰寧股份有限公司, 2000.