沸腾式电加湿器在轨道客车空调试验中的应用研究

王云霄 于会龙 张永鑫 谭文才

（1、中车长春轨道客车股份有限公司磁浮研究所，吉林 长春 130000 2、中车长春轨道客车股份有限公司基础研发部，吉林 长春 130000）

1 概述

在轨道客车的空调试验中，需要模拟车上人员的散热量（显热）和散湿量（潜热）。通常使用电加湿器将水汽化，以此模拟人员潜热。以欧洲标准EN 13129、EN 14750、EN 14813 为例，由于文中未限定将水汽化的形式，因此不论通过蒸发或是沸腾何种形式产生水蒸气均不违背上述标准的规定。通过调研，目前国内相关实验室主要采用蒸发式电加湿器，而沸腾式加湿器的应用相对较少。电加湿器工作时产生的热量，除用于汽化水所需的潜热外，不可避免地会有其余热量（即附加显热）通过电加湿器表面散至车内。为了在试验中精确模拟人员的潜热和显热，除测得输入电功率P 外，还应已知潜热功率PL在输入电功率中的占比（下文简称为潜热效率）、即rL=PL/P。潜热效率数值越高，代表单位时间内输入电能转化为潜热的比率越高，而附加显热的比率越低。试验过程中，分别将P·rL和P·(1-rL)计入潜热功率和显热功率。

2 影响潜热功率的因素

潜热功率等于汽化潜热与汽化速率的乘积。由于汽化潜热为物性参数、可通过大气压和温度查表而得，因此只需要测得汽化速率即可求得潜热功率。汽化速率，即水汽化的快慢程度。由于汽化分为蒸发和沸腾两种形式，下文分别介绍影响电加湿器汽化速率的主要因素。

2.1 蒸发式电加湿器

在大气压不变的前提下，影响汽化速率的因素主要有：①输入电功率；②水温；③开口尺寸；④空气温度；⑤空气湿度；⑥空气流速；⑦电加湿器隔热性能。中车青岛四方车辆研究所有限公司曾对的此类电加湿器进行专门研究[1-2]：经大量实验得出电加湿器在不同输入电功率和不同空气温度两个变量下的功率修正系数矩阵表，对采用同类电加湿器进行的空调试验具有指导性意义。

2.2 沸腾式电加湿器

为了通过实验研究沸腾式电加湿器的潜热效率，对影响汽化速率的因素作如下分析：一旦电加湿器型式确定，其开口尺寸和隔热性能即已固定；空调试验时车内空气流速基本稳定，故亦可固定该因素；大气压不变条件下，水沸腾时温度恒定。综上，可考虑输入电功率、空气温度和空气湿度三个因素进行实验研究。

3 沸腾式电加湿器潜热效率的测定

3.1 实验原理

在常压下将水加热至充分沸腾后，使用称重器测量加湿器及水的总重，每隔一至两分钟记录一次重量数据，共记录约三十分钟。通过相邻两条及首末两条记录的重量差和时间差，即可求得区间及全局汽化速率。将全局汽化速率与汽化潜热相乘可计算出潜热功率，并结合已知的输入电功率计算出潜热效率。

3.2 实验工具

实验工具有沸腾式加湿器（美的牌MC-DY16Easy102型多功能电热锅，额定功率600W、额定容量1.2L）、称重器（分辨率1g）、计时器、可调压电源及环境舱等。同时，将实验工具放置至风速较小的区域或架设挡风工装，近似模拟车内微风速环境。

3.3 实验方案

根据空调试验车内空气温湿度的调节范围，取温度工作点为18℃、27℃和32℃，取湿度工作点为45%、65%和85%。将实验方案列于表1 中。

表1 试验方案

表中的工况一为基准工况，工况二用来与工况一对比不同输入电功率的影响，工况三和工况四用来与工况一对比不同空气湿度的影响，工况五与工况六用来与工况一对比不同空气温度的影响。

3.4 实验结果

3.4.1 基准工况

表2 和图1 给出了工况一的实验结果。

图1 工况一实验结果

表2 工况一试验结果

从上述图表可知，称重器示数呈线性下降趋势，直线的斜率即区间汽化速率波动稳定，全局汽化速率为14.9g/min。结合0.1MPa 下水沸腾时的汽化潜热为2257.6kJ/kg,可计算出潜热功率为562W，潜热效率为562W/600W=94%。

3.4.2 不同输入电功率的影响。工况二将工况一的输入功率由600W 降低至400W。表3 和图2 给出了工况二的实验结果。

表3 工况二试验结果

图2 工况二实验结果

从上述图表可知，称重器示数仍呈线性下降趋势，直线的斜率即区间汽化速率波动稳定，全局汽化速率为为9.4g/min。结合0.1MPa 下水沸腾时的汽化潜热为2257.6kJ/kg, 可计算出潜热功率为355W，潜热效率为355W/400W=89%。

对比工况一的实验结果可知，输入电功率由600W 降低至400W 后，潜热效率由94%降低至89%。

3.4.3 不同空气湿度的影响。工况三、工况四分别将工况一的空气湿度由65%升高至85%、降低至45%。表4 和图3 给出了工况三的实验结果，表5 和图4 给出了工况四的实验结果。

图4 工况四实验结果

表5 工况四试验结果

图3 工况三实验结果

表4 工况三试验结果

从上述图表可知，称重器示数仍呈线性下降趋势，直线的斜率即区间汽化速率波动稳定，全局汽化速率为14.9g/min。

结合0.1MPa 下水沸腾时的汽化潜热为2257.6kJ/kg,可计算出潜热功率为561W，潜热效率为561W/600W=6%（表6，图5）。

从上述图表可知，称重器示数仍呈线性下降趋势，直线的斜率即区间汽化速率波动稳定，全局汽化速率为15.1g/min。

结合0.1MPa 下水沸腾时的汽化潜热为2257.6kJ/kg,可计算出潜热功率为568W，潜热效率为568W/600W=95%。

对比工况一的实验结果可知，空气湿度由65%增加至85%或降低至45%后，潜热效率由94%变化为94%或95%，基本无变化。

3.4.4 不同空气温度的影响。工况五、工况六分别将工况一的空气温度由27℃降低至18℃、升高至32℃。表6 和图5 给出了工况五的实验结果，表7 和图6 给出了工况六的实验结果。从上述图表可知，称重器示数仍呈线性下降趋势，直线的斜率即区间汽化速率波动稳定，全局汽化速率为14.8g/min。

图6 工况六实验结果

表6 工况五试验结果

表7 工况六试验结果

图5 工况五实验结果

结合0.1MPa 下水沸腾时的汽化潜热为2257.6kJ/kg,可计算出潜热功率为558W，潜热效率为558W/600W=93%。

从上述图表可知，称重器示数仍呈线性下降趋势，直线的斜率即区间汽化速率波动稳定，全局汽化速率为15.0g/min。结合0.1MPa 下水沸腾时的汽化潜热为2257.6kJ/kg, 可计算出潜热功率为564W，潜热效率为564W/600W=94%。对比工况一的实验结果可知，空气温度由27℃降低至18℃、升高至32℃后，潜热效率由94%变化为93%或94%，基本无变化。

3.4.5 不同汽化形式的影响。根据参考文献[2]，在空气温度在22℃至28℃的变化区间，输入电功率为450W 的蒸发式电加湿器的潜热效率在48%至69%之间（依据文中修正系数在1.458 至2.087 之间换算而得）。而对于前文研究的沸腾式电加湿器，功率为400W 和600W 时，潜热效率为89%和约94%。通过对比可见，沸腾式电加湿器的潜热效率更高。

3.4.6 小结。对上述型号的沸腾式电加湿器通过多次实验发现：a 影响潜热效率的主要因素为输入电功率；b.空气温度和湿度对沸腾式加湿器潜热效率的影响很小（±1%左右），试验中可忽略；c.潜热效率高。

4 结论

通过研究得出，沸腾式电加湿器可同样实现恒定的汽化速率和精确的潜热定量。相比之下，沸腾式电加湿器潜热效率的主要影响因素只有输入电功率一项，而蒸发式电加湿器有输入电功率和空气温度两项，因此前者具有如下优势：a.影响因素单一，可避免由于车内空气温度变化而导致电加湿器输入电功率的随动调节；b. 潜热效率高；c.升温速率大，可减少因对电加湿器补水带来的升温等待时间；d.标定工作可摆脱环境舱的限制，在常温环境下即可进行。然而，沸腾式电加湿器亦存在如下不足：a.工作时水在容器中沸腾，存在烫伤、溢水等安全隐患；b.因汽化速率较大导致增加补水频次，加大了员工工作量。综上，在使用沸腾式电加湿器过程中，应设法降低因其不足带来的不利影响，充分发挥其优势，以达到提高轨道客车空调试验水平的目的。