湿热试验中的控湿技术探讨

    摘要：分析比较几种去湿方法，着重介绍以制冷去湿的基本原理。结合JB1773－76和GB2423－4－81试验方法，以SR－110湿热箱为例，具体讨论从湿度信号的采集、比较放大直至制冷去湿的全过程，以及相关的设备、具体实施方法。其基本思路亦可应用于其它需要精确去湿控湿的场所。

    关键词：相对湿度  蒸汽饱和压力  蒸汽分压力  含湿量  热焓  变送器

1 引言

    电源产品在型式试验中，经常对环境有特定的要求，特别是温度和湿度。而湿热箱（室）能模拟自然的高温高湿环境，温度湿度可以人为设定。近年来经过不断革新，技术性能不断提高，成为电源产品试验必不可少的环境试验设备。但国产湿热箱在控湿问题上仍存在美中不足，一旦湿热箱（室）内出现了超湿，如何可靠地降湿，还有待进一步解决。湿热箱（室）在工作中，特别是在交变湿热试验的降温段，从40℃高湿降到30℃高湿，由于水蒸汽的饱和压力不同，不管多么精心地进行跟踪调整，都不可避免地会出现超湿饱和与凝露，甚至出现过量凝露，从而影响试验的精度，使试验结论不可靠。因此解决湿热箱（室）运行中的凝露问题就显得尤为重要。

    解决超湿问题，通常有三种办法：

    （1）漏汽调湿即在主风道系统中开一个通风孔，人为地产生蒸汽泄漏。例如SR110A的改进型就采用了这种方法。这种方法简单，但有缺点：

    ①调湿不好控制，受自然环境影响大；

    ②因为随时都在和周围环境进行着热量和湿量的交换，所以能量损耗大；

    ③在高温高湿季节调节作用将难以奏效。如南方高温季节空气相对湿度可达85％以上，如果试验温度又比较低，漏汽调湿就很困难。

    （2）喷水去湿法即向试室中喷入冷水以去湿，这一方法受地区季节影响较大。例如南方炎热的季节要找到冷水也并非易事，制取冷水和掘深井取水又不经济。

    （3）制冷去湿法即用制冷机使湿空气产生凝露结霜达到去湿的目的。其基本原理是利用湿空气在低于露点温度时能凝结出水这一原理，犹如冬天带着眼镜进入温暖的室内，镜片上会凝结上一层雾汽一样。把这一现象运用到湿热试验中就叫做去湿。此法不受环境影响，可以自动控制，使试验精确可靠。实现的办法是在主风道中放入一个随我们的意志而变化的冷物体——蒸发器，使水蒸汽凝结成水结成霜来降低试室中的相对湿度，这就是制冷去湿。

    本文以SR-110湿热箱为例，对湿热箱的制冷去湿进行探讨。

2 制冷去湿量的计算

    利用制冷去湿，首先要了解湿热箱在各种工作状态下的去湿量（水的重量），即在各种工作状态下超湿时所要凝结出的水的量值。现以执行JB177376试验方法中，交变湿热、恒定湿热以及执行GB2423481最严酷的试验等级试验为例分别计算去湿量。

2.1 湿热箱在交变湿热情况下工作

    根据JB1773-76试验方法，高温高湿段t1=40℃，相对湿度φ=95％±3％；低温高湿段t2=30℃，相对湿度φ=95％±3％。

    （1）在高温高湿段超湿时的含水量及正常湿度的含水量的计算

    ①出现超湿时试室含水量G1的计算

    设空气压力P=760mm汞柱即P=1.0332kg/cm2，t1=40℃,查表得知此时蒸汽饱和压力PH1=0.0752kg/cm2，而超湿时1>98％，令1=99％（因为允许湿度在92％～98％之间），则：

    蒸汽的分压力为

    Pn1=φ1·PH1=0.99×0.075

    =0.07448kg/cm2

    湿量 d1=0.622 Pn1 / P-Pn1 ×10 3

    0.622(0.07448 / 1.0332-0.07448) ×10 3

    =48.3g/kg干空气

    已知试室空气重量Gk=1.6kg，则试室的含水量G1=d1Gk=48.3×1.6=77.28g

    ②高温高湿段正常湿度φ=95％时含水量G2的计算

    已知蒸汽饱和压力PH1=0.0752kg/cm2

    则蒸汽分压力Pn2=φ·PH1=0.95×0.0752

    =0.07144kg/cm2=46.2g/kg干空气

    温量 d2=0.622(0.07144 / 1.0332-0.07144)×10 3

    =0.622 (0.07114 / 1.0332-0.07144) ×10 3

    =46.2g/kg干空气

    试室的含水量 G2=d2Gk=46.2×1.6

    =73.9g

    综合上述①②可知:

    高温高湿段出现超湿时常需要凝结出的水量Gn1为:

    Gn1=G1－G2=77.28－73.9=3.38g

    (2)在低温高湿段超湿时需要凝结出水量Gn2的计算

    ①在低温段超湿时试室内含水量G3的计算

    低温段t2=30℃，出现超湿时φ1>98％，令φ1=99％，查表得知蒸汽饱和压力PH2=0.04352kg/cm2。

    则蒸汽分压力 Pn3=φ1PH2=0.99×0.04352

    =0.043085kg/cm2

    湿量  d3=0.622(Pn3 / P-Pn3)×10 3

    0.622(0.043085 / 1.0332-0.043085)×10 3

    =27.07g/kg干空气

    超湿时试室的含水量G3=d3Gk=27.07×1.6

    =43.3g

    ②低温高湿段正常湿度φ=95％时含水量G4的计算

    已知饱和蒸汽压力PH2=0.04352kg/cm2

    则蒸汽分压力PH4=φ·PH2=0.95×0.04352

    =0.04134kg/cm2

    湿量 d4=0.622(Pn4 / P-Pn4)×10 3

    0.622(0.04134 / 1.0332-0.04134)×10 3

    =25.93g/kg干空气

    低温段试室的正常含水量

    G4=d4Gk=25.93×1.6=41.48g

    综合上述①②可知，低温段超湿时需要凝结出的水量Gn2为

    Gn2=G3－G4=43.3－41.48=1.82g

    ③在交变湿热试验时，温度由高温40℃降到低湿30℃时需要凝结出的水分Gn3为

    Gn3=G2－G4=73.9－41.48=32.42g

2.2 湿热箱在恒温恒湿情况下工作

    设t3=20℃,相对湿度φ=95％

    （1）超湿情况下试室的含水量G5的计算

    超湿时φ1>98％，令φ1=99％，查表得20℃时饱和蒸汽压力PH3=0.02383kg/cm2

    则蒸汽分压力Pn5=φ1PH3=0.99×0.02383kg/cm2

    =0.023592kg/cm2

    湿量 d5=0.622(Pn5 / P-Pn5)×10 3

    =0.622(0.023592 / 1.0332-0.023592)×10 3

    =14.53g/kg干空气

    超湿时试室的含水量为

    G5=d5Gk=14.53×1.6=23.256g

    (2)恒温恒湿工作情况下正常含水量G6的计算

    已知PH3=0.02383kg/cm2

    则蒸汽分压力Pn6=φ·PH3=0.99×0.02383

    =0.02264kg/cm2

    湿量 d6=0.622(Pn6 / P-Pn6)×10 3

    =0.622(0.02264 / 1.0332-0.02264)×10 3

    =13.9g/kg干空气

    试室含水量G6=d6Gk=13.9×1.6=22.29g

    超湿时需要凝结出的水分Gn4为

    Gn4=G5－G6=23.256－22.29=0.966g

2.3 几种工作状态下需凝结出水分的比较

    几种工作状态下需凝结出水分的比较见表1。

表1 几种工作状态下需凝结出水分的比较

工作状态	恒温恒湿	低温高湿	高温高湿	降湿段
凝结水（g）	0.966	1.82	3.38	32.42

    表1几种工作状态下需凝结出水分的比较工作状态恒温恒湿低温高湿高温高湿降温段凝结水（g）0.9661.823.3832.42

    可见在湿热试验中以交变湿热降温段所凝结出的水分最多，Gn3=32.42g。

2.4 GB2423-4-81试验方法中降温段凝结水Gn5的计算

    GB2423-4-81中高温段t1=55℃，低温段t2=25℃，相对湿度φ=95％，仍依前述计算方法进行下述计算。

    （1）高温段的含水量G7计算

    t=55℃，φ=95％，查表得知饱和蒸汽压力PH4=0.016444kg/cm2，则

    蒸汽分压力Pn7=φ·PH4=0.95×0.016444

    =0.156218kg/cm2

    湿量 d7=0.622(Pn7 / P-Pn7)×10 3

    =0.622(0.156218 / 1.0332-0.156218)×10 3

    =110.7977g/kg干空气

    试室含水量G7=d7Gk=110.7977×1.6=177.276g

    (2)低温段的含水量G8的计算

    t=25℃，φ=95％，查表得知饱和蒸汽压力PH5=0.031265kg/cm2，则

    蒸汽分压力Pn8=φ·PH5=0.95×0.031265

    =0.0295982kg/cm2

    湿量 d8=0.622(Pn8 / P-Pn8)×10 3

    0.622(0.0295982 / 1.0332-0.0295982) ×10 3

    =18.14g/kg干空气

    试室含水量G8=d8Gk=18.14×1.6=29.45g

    降温段的凝结水Gn5为

    Gn5=G7－G8=177.276－29.456=147.82g

    比较GB2423-4-81的凝结水Gn5与JB1773-76的降温段凝水Gn3，显然Gn5>>Gn3。所以满足了GB2423-4-81的要求即可满足JB1773-76的试验要求。

3 制冷量计算

    现在以GB2423-4-81降温段的凝结水量Gn5=147.82g为基础来计算制冷量。为了计算简便并留有余量，以55℃时凝结出147.82g水为基础进行计算。

    查表得知55℃时饱和蒸汽的热焓i55″为，i"55=621.1kcal/kg,55℃时饱和水的热焓i55′为i55=54.945kcal/kg。

    Gn5=147.82g蒸汽凝结成水需释放出的热量

    Q1=(i"55-i'55)Gn5=566.155×0.14782=83.69kcal

    55℃的饱和水降低到0℃（0℃水的热焓i'=0）需要释放出的热量

    Q2=(i"-i'0)Gn5=54.945×0.14782=8.12kcal

    0℃的水凝固成0℃的冰霜(冰的热焓)需要释放出的热量Gn5=0.14782kg蒸汽凝成水结成冰所释放出的总热量ΣQ=Q1＋Q2＋Q3

    Q3=i"'·Gn5=79.992×0.14782=11.82kacl

    Gn5=0.14782kg蒸汽凝成水结成冰所释放出的总热量  ∑Q=Q1+Q2+Q3

    =83.69＋8.12＋11.82=103.63kcal

    全部降温时间为3～6小时，取t=3小时

    每小时的制冷量为Q4=1 / 3∑Q=35kcal/h

    若取效率系数η=0.85，则制冷机的制冷量为

    Q5=Q4 / η =35 / 0.85 =40.6kcal/h

    所以选取制冷量>45kcal/h的制冷设备即可满足要求。

    选用雪花单门电冰箱制冷机，其制冷量为70kcal/h。

4 蒸发器面积计算

    令表面积为F，则F=(Q4 / K·△tm)（m2）

    式中：K为蒸发器的导热系数

    K=10kcal/(m2·h·K)

    Δtm为蒸发器传热的对数平均温差  Δtm=t1-t2 / ln(t1-t0 / t2-t0)

    式中t1——试室初始温度t1=55℃

    t2——试室低温t2=25℃

    t0——蒸发器温度t0=0℃则

    则  Δtm=55-25 / ln(55-0 / 25-0)
    =38.049℃

    则 F=Q4 / K·△tm=35 / 10×38.049=0.092m2

    若取直径d=12.0mm铜管作蒸发器则铜管长度l=F / πd=0.092 / (3.14×0.012)2.44m

    若将铜管盘成内径为12.5cm的压力弹簧状，见图1，则需匝数N=2.44 / (3.14×0.125)=6.2匝

    将蒸发器置于主风道中，使蒸发器和主风道轴向一致，主风道需做稍许加工。

5 湿度控制电路设计

    本去湿系统采用2只热敏铂电阻，将湿度变化信号变成1mV左右的电信号，经放大器放大，再经相敏检波放大后分别送到加湿和去湿执行元件完成湿度控制，方框图见图2。

5.1 变送器部分

    变送器原理见图3，变送器由两支铂电阻R干、R湿、电阻R1、R2及电位器RP组成桥路，R1=R2=1kΩ，RP为锰铜丝绕电阻作为设定调整电阻。R干为BA1，其R0=100Ω作为干球。R湿为BA2外包纱布作为湿球。利用R干、R湿的温差效应产生阻值变化，在输入交流7V的作用下产生ΔU的电压输出。RP=10Ω，r1＋r2=RP。

    （1）r1、r2的设定以JB177381试验方法为例，要求相对湿度φ=95％±3％，当φ=95％时

    r1＋R干=r2＋R湿，桥路无输出，ΔU=0，再令温度t=40℃，计算r1、r2

    因为BA2的阻值随温度的变化可以认为是线性的，所以计算出的r1、r2值在整个试验温度变化范围内都是通用的。

    当t=40℃，φ=95％时，查表可知干湿球的温差Δt=t干－t湿=40－39.2=0.8℃

    铂电阻BA2随温度变化的比率为ε，铂电阻温度特性见图4，由图4可得R40℃=115.78Ω，R30℃=111.85Ω
 
    则  εR40-R30 / 10 =115.78-111.85 / 10 

    =0.393Ω/℃

    因为UDC=ΔU=0

    所以r1＋R干=r2＋R湿

    r2－r1=R干－R湿=ε·Δt

    r2－(RP－r2)=ε·Δt

    2r2=RP＋ε·Δt=10＋0.393×0.8=10.3144

    r2=5.1572Ω

    r1=RP－r2=10－5.1572=4.8428Ω

    (2)当试室低湿（φ<92％）和超湿（φ>98％）时ΔU的计算

    ①当φ=92％时

    查表得干湿球温差Δt=1.3℃

    R湿支路电阻

    RS1=r2＋R湿=r2＋(R40－εΔt)

    =5.1572＋(115.78－0.393×1.3)

    =120.4263Ω

    R干支路电阻Rg=r1＋R干

    =4.8428＋115.78=120.6228Ω

    UD=Ui Rg / R1+Rg

    =7×(120.6228 / 1000+120)=0.753473V

    UC=Ui(Rs1 / R2+Rs1)

    =7×(120.4263 / 1000+120.4263)=0.7523775V

    ΔU=UDC=UD－UC

    =0.753473－0.7523775=1.1mV

    ②当φ=98％时

    干湿球温差Δt2=0.3

    R湿支路电阻

    RS2=r2＋R湿=r2＋(R0－ε·Δt2)

    =5.1572＋(115.78－0.393×0.3)=120.8193Ω

    R干支路电阻不变Rg=120.6228Ω

    UD也不变，UD=0.753473V

    UC=Ui·(Rs2 / R2+Rs2)

    =7×(120.8193 / 1000+120.8193)=0.7545685V

    ΔU=UDC=UD－UC

    =0.753473－0.7545685=－1.1mV

    即是说，当相对湿度≤92％时，变送器输出ΔU=1.1mV，当相对湿度≥98％时，出现超湿，变送器输出ΔU=－1.1mU。

5.2 放大器的选用

    如上述，当试室出现低湿和超湿时，变送器输出±1.1mV电压信号。对此信号经过适当放大，最后经相敏功率放大，将放大后的ΔU信号区分开，并送到执行元件。当输入＋1.1mV信号时加湿阀打开对试室加湿；当输入为－1.1mV信号时，开启制冷机对试室进行去湿。

6 结语

    从以上分析可知，改变r1、r2的阻值，即可控制（设定）试室的相对湿度；提高放大器的放大倍数，即可进一步提高控湿精度。

    综上所述，采用本方案控湿，可以很方便地提高湿热箱（室）的湿度，而且不会出现超湿问题。由于可靠的控湿，试验结论是可靠的，由此大大提高了湿热箱（室）的性能。同时本方案投资少，见效快，改装简便易行。本方案不仅适用于SR－100湿热箱，其基本思路和采样控制方法对其它大中型湿热箱（室）同样适用。