气候环境实验室加湿系统设计的关键技术研究

张亚娟,吴敬涛,刘海燕

（中国飞机强度研究所三十一室，西安 710065）

引言

气候环境实验室体量超10万m3，是综合性气候模拟环境实验室，具备模拟高温、低温、太阳辐射、湿热、淋雨、降雪、冻雨、结冰和低速吹风等典型气候环境的能力。实验室密封性良好，结构复杂，其加湿系统要实现高温高湿气候环境条件模拟，实验室湿度技术要求：2～74 ℃，10 %RH～95 %RH；能在8 h内达到温湿度包线（见图1）内的温湿度要求。

对于大型气候环境模拟室加湿系统的设计，国内没有类似规模的实验室加湿实例可供借鉴，通过学习国外大型气候环境实验室加湿系统设计的成功经验，本文主要从加湿方法、加湿需求量计算及加湿器安装实施等方面进行了研究，可为大型实验室加湿系统的设计提供理论指导。

1 加湿系统设计

该实验室加湿系统选用干蒸汽加湿器，多个加湿喷管平均布置在实验室5个空调间内，在垂直风流方向喷干蒸汽，气流把加湿后的湿空气沿风道送入实验室内，再通过进风管道末端的多个均匀分布的散流器把湿空气散射向实验室内。实验室单个风循环管道内的加湿系统工作原理图见图2。

1.1 实验室加湿系统工作原理

实验室选用干蒸汽加湿器，由蒸汽锅炉供给加湿器汽源，蒸汽进入喷管后在蒸汽压力作用下向前运动，到达截面积较大的蒸发室后，流动速度下降，蒸汽减速和挡流板的作用，使蒸汽中所含有的凝结水被分离出来。分离出冷凝水的蒸汽经过蒸发室顶部进入预热的干燥室。经过干燥室内配备的不锈钢滤网先使残留水分过滤和分离；再通过调节阀降低干燥室内压力，使蒸汽内的残留水分再次汽化，从而实现对饱和蒸汽的干燥处理、汽水分离及水分的二次汽化。经干燥处理的饱和蒸汽经过调节阀进入中心喷管，再通过喷管孔逆向喷入风道，最后进入风道末端且安装在实验室顶部散流器，经散流器的散射均匀喷向实验室内，完成对实验室内空气的循环式加湿。干蒸汽加湿器结构示意图见图3，干蒸汽加湿系统的特点[1]是：加湿量大，加湿效率高，相对湿度可达95 %以上；加湿速度快，反应灵敏；加湿的成本消耗较低；结构简单，可靠性高等。

1.2 干蒸汽加湿器设计计算

干蒸汽加湿可近似为一个等温加湿过程，空气加湿过程状态图如图4所示。假如将空气加湿到饱和点 3之后还进行加湿，则多余的水汽将会凝结，放出的汽化潜热将使饱和空气的温度升高，空气会沿饱和空气线到达点4，即状态点4。也可以根据实际加湿量的需求值在等温延长线上找到点 4′，再由经过点 4′的等焓线与饱和线的交点获得状态点4。

加湿器单个喷管喷出的蒸汽量g是实验室设计所需安装加湿器的喷管数量的重要设计参数之一，该加湿蒸汽量g根据公式（1）得到：

式中，f为单喷孔面积，单位为mm2；p为蒸汽的表压力，单位为MPa。

2 实验室加湿量计算

实验室加湿的技术要求是在8 h内湿度从最小增加到最大，根据上文的温湿度包线图1，假设实验室湿空气绝对加湿量最大的状态为：温度52 ℃时，相对湿度由10 %增加到95 %。计算实验室加湿量应确定的参数有：

1）需要加湿空间的容积、新风量以及换气次数；

2）需加湿量最大工况的相对湿度、实际湿度等。

图2 单个风循环管道加湿原理图

图3 干蒸汽加湿器的结构示意图

图4 空气加湿过程状态图

2.1 湿空气饱和水蒸气压力Pq，b的计算

薛殿华[2]提出的湿空气饱和水蒸气压力的数学模型,经计算机验算, 存在较大误差, 修正后的模型方程如下:

式中：Pq,b为饱和水蒸气压力； T 为绝对温度（K）。式中各系数的取值见表1。

把T=273.15+52=325.15及湿度系数带入（2）式，编程计算得到52 ℃时的湿空气饱和蒸汽压等于13 628.98 Pa。

2.2 湿空气密度ρ的计算

湿空气密度ρ等于干空气密度与水蒸气密度之和，计算公式写成（3）：

式中：

ρ，—湿空气的密度，单位为kg/m3；

ρg，ρq—干空气及水蒸气的密度，单位为kg/m3；

Pg，Pq—干空气及水蒸气的压力，单位为Pa；

Rg—干空气的气体常数，值为287 J/(kg·K)；

Rq—水蒸气的气体常数，值为461 J/(kg·K)。

一般情况下取大气压力为B=101 325 Pa，则（3）可写成（4）：

相对湿度是空气中水蒸气含量的间接指标，其公式定义为：由（4）式和（5）式可得到：

温度52 ℃，相对湿度为10 %和95 %时的湿空气密度ρ1和ρ2，由（6）可以计算得到：ρ1=1.080 kg/m3，ρ2=1.032 kg/m3。

2.3 湿空气的含湿量d

取湿空气中的水蒸气密度与干空气密度之比作为湿空气含有水蒸气的指标，即取对应于1 kg干空气的湿空气所含有的水蒸汽量。所以有：

温度为52 ℃，相对湿度为10%和95%时湿空气的密度为d1和d2，根据公式（7），计算得d1= 8.48×10-3kg/kg，d2= 0.091 1 kg/kg。

2.4 实验室加湿量

大环境室的体积为V=63 m×72 m×24.5 m=1.111×105m3；实验室维持微正压的新风补偿量为12.5 kg/sec，该值的选取是基于实验室暴露在空气中的外表面面积和及工程经验。实验室的加湿量Q按式（8）计算：

式中：

Q—实验室加湿总量，单位为kg/h；

Q1，Q2—实验室内空气及补偿新风的加湿量，单位为kg/sec；

c—加湿裕度，一般取1.2。

式（8）中的Q1和Q2可根据式（9）和（10）进行计算：

代入数值计算得到Q1=0.327 3 kg/sec；Q2=1.032 75 kg/sec；Q =5 875 kg/h。

由以上的计算得到实验室加湿量的最大理论需求值约为6 t/h，取1.2倍的安全系数，则实验室需要供应的最大实际蒸汽量为7.2 t/h，该计算结果可用于干蒸汽加湿器的选型及数量配置。为了保证加湿系统安全节能的运行，加湿系统除了配置干蒸汽加湿器、喷管和流量调节阀外，还需的辅助系统包括蒸汽减压稳压系统和凝结水回收系统。

表1 湿度系数

3 干蒸汽加湿技术问题分析

在实验室使用的干蒸汽加湿系统一般安装在风道或空调机组里，经常会因风道底部水驻留引起腐蚀问题，这主要是因为加湿蒸汽遇到低于蒸汽温度的物体产生冷凝水，这种冷凝水的产生会影响空调机组内换热器的工作效率，风机电机受潮，风道滴水腐蚀等产生安全隐患。为此设计时应该注意以下问题。

3.1 加湿吸收距离过长

加湿吸收距离是指在风道或空调系统内加湿时，蒸汽能被很快吸收，而不产生湿斑或饱和区的距离，受风速、温湿度、加湿量、喷管长度和数量等因素影响，加湿吸收距离与工作区域、工作环境及要求有关。加湿吸收距离一般采用测量和查表相结合的方法得到。在加湿吸收距离内尽量不要设置任何设备或障碍物，以免其表面产生冷凝水，造成设备腐蚀。

针对加湿吸收距离过长的问题，可采用将加湿器出口与多根喷管相连接的方法，实现蒸汽的充分汽化，提高加湿效率。

3.2 安装位置及控制方式

气候环境实验室配备的干蒸汽加湿器安装在输送循环风的风道内。风道里还安装风机、换热器等设备，当蒸汽喷到低于其饱和温度的设备表面时，就会产生冷凝水，聚集在风道底部的这些冷凝水使风道产生锈蚀，影响风道的密封，甚至会出现漏水、跑水现象。设计时将干蒸汽加湿器设置到风机和换热器等设备的下游，就可解决此问题，还可以提高蒸汽使用效率。

设计加湿控制与风机有连锁控制功能，即风机停止工作时，加湿也要停止，以防蒸汽滞留冷凝，腐蚀空调设备。

3.3 选择多喷管加湿

干蒸汽加湿多选择多喷管加湿，多喷管加湿具有以下优势：

1）减小蒸汽吸收距离：实验室空间大要求加湿量大，因此需设计大风道或大风量的空调机组，只有选用多喷管加湿才可以加宽蒸汽的排放分布区，使蒸汽快速均匀扩散，从而减小蒸汽吸收距离，使蒸汽充分汽化；

2）提高空气的加湿效率：当风道内蒸汽喷嘴的数量增多时，容易形成高密度的水雾幕， 可减少空气的旁通，使空气和蒸汽混合效果更好，从而提高热质交换效率，提高空气的加湿效果。

但选用多喷管加湿，可能会造成水雾相互叠加，蒸汽颗粒相互碰撞几率增加， 容易形成较大的水滴，在风道内形成湿底现象。

4 结束语

针对大体量密封实验室的相对湿度高、加湿量大的要求，选择加湿方式为干蒸汽加湿器，同时结合实验室加湿最严酷工况，详细计算了实验室加湿所需蒸汽量，可直接用于加湿器的选型及数量配置。结合加湿器的实际使用分析了加湿系统中可能出现的问题及解决问题的方法。在加湿系统的设计研究中，充分考虑了实验室的湿度工况要求，即加湿空间巨大，加湿速度快，湿度范围广等的要求，为以后的科学研究提供了良好的试验平台，也可为实际工程应用提供理论依据。

[1] 于国良,杨万枫.工业厂房干蒸汽加湿设计[J].机电设备, 2005,（2）：39-41.

[2] 薛殿华.空气调节[M].北京:北京清华大学出版社, 1993.

[3] 古晋光等.加湿工程应用手册[M].台湾翰宁股份有限公司, 2000.