溫濕度環(huán)境試驗箱的轉(zhuǎn)溫控濕方法研究

張杰

（廣州五所環(huán)境儀器有限公司， 廣東 廣州 510808）

0 引言

環(huán)境試驗箱是應(yīng)用試驗箱進行環(huán)境的模擬， 可以很好地對物品進行環(huán)境適應(yīng)力檢測， 對物品的性能進行研究的設(shè)備。 其中， 熱循環(huán)是在環(huán)境試驗箱中進行的高低溫交替的可靠性試驗， 試驗箱內(nèi)的溫度和濕度會給環(huán)境試驗箱和試驗產(chǎn)品帶來損壞， 例如： 在低溫時產(chǎn)品表面和內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)露的現(xiàn)象是非常普遍的， 而結(jié)露產(chǎn)生的水滴的破壞作用也是不容忽視的。 為了可以更好地對環(huán)境試驗箱進行改造，更好地克服相關(guān)的問題， 本文主要對溫濕度環(huán)境試驗箱使用過程中產(chǎn)生的結(jié)露問題進行了研究和分析， 并對溫濕度環(huán)境試驗箱轉(zhuǎn)溫控濕的方法展開研究和分析。

1 溫濕度環(huán)境試驗箱使用過程中產(chǎn)生的結(jié)露現(xiàn)象分析

結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生和空氣中的水分有關(guān)。 空氣一般都是濕空氣， 其中包含了一定的水分。 其中， 對于濕空氣， 我們可以將其看作是干空氣和水， 而干空氣是理想狀態(tài)下的空氣。 存在于空氣中的水蒸氣的分壓力比較小， 其分子間的距離也比較遠， 所以， 我們可以將其按照理想氣體來進行處理。 理想氣體的計算公式為：

根據(jù)理想氣體的計算公式， 我們可以計算出水蒸氣的分壓力為PV， 干空氣的分壓力為Pa。 而濕空氣是由干空氣和水組成的， 所以， 濕空氣的分壓力可以根據(jù)道爾頓分壓定律公式計算：

根據(jù)式（2） 求得實際狀態(tài)下的濕空氣的分壓力。 而空氣當中的水蒸氣因為含量和溫度的不同，其達到飽和的狀態(tài)也不同。 假設(shè)在某一溫度t 下，如果水蒸氣和干空氣沒達到飽和狀態(tài)， 我們就將其稱為未飽和空氣， 日常生活中我們周圍的空氣都是未飽和空氣[1]。 但是， 如果空氣中水蒸氣和干空氣達到了飽和狀態(tài)， 則此時兩者處于臨界狀態(tài)； 如果此時再加入水分， 那么空氣中的水蒸氣就會以水滴的形式凝結(jié)出來， 和空氣發(fā)生分離。 此時在t 溫度下， p 為空氣的飽和蒸氣壓。 同理， 假設(shè)在某一壓強p 下， 水蒸氣和干空氣處于未飽和狀態(tài)， 如果降低其環(huán)境溫度， 在某一個溫度下水蒸氣也會從空氣中分離出來。 此時在p 壓強下， t 為空氣的飽和溫度， 也被稱為露點溫度。 通過上述的原理可以知道， 空氣中的水蒸氣達到飽和狀態(tài)析出時， 會凝結(jié)成水珠或者出現(xiàn)水滴， 這也就是所說的結(jié)露現(xiàn)象。

通過對結(jié)露現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進行分析， 我們可以發(fā)現(xiàn)溫濕度環(huán)境試驗箱在轉(zhuǎn)溫時出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象的原因為空氣中水蒸氣的含量增加， 或者是水蒸氣的露點溫度升高， 導(dǎo)致水蒸氣容易析出而形成水滴。為了防止結(jié)露現(xiàn)象對溫濕度環(huán)境試驗箱的運行產(chǎn)生影響， 可以通過以下3 種方式來防止結(jié)露現(xiàn)象對溫濕度環(huán)境試驗箱的運行產(chǎn)生影響： 1） 降低溫濕度環(huán)境試驗箱中的水蒸氣含量； 2） 融化或者去除溫濕度環(huán)境試驗箱的箱頂霜層； 3） 控制箱頂?shù)臏囟取?/p>

2 防止結(jié)露現(xiàn)象產(chǎn)生的方法

2.1 降低溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)的水蒸氣含量

可以通過低露點氣體置換法、 雙蒸發(fā)器系統(tǒng)兩種方式減少和控制溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)的水蒸氣含量， 以下對低露點氣體置換法進行簡單的介紹。

低露點氣體置換法的原理是： 在低溫轉(zhuǎn)向高溫的時候向溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)傳入水蒸氣含量較低的氣體來有效地控制箱內(nèi)的水蒸氣分壓， 讓空氣中的水蒸氣析出的情況得到控制。

向溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)輸入的氣體可以選擇氮氣， 高純的氮氣水蒸氣含量相對較少， 通過通入高純度的氮氣可以有效地降低溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)的水蒸氣含量。 而且這樣的操作比較簡單， 并不需要大量的資金就可以實現(xiàn)。 這也是目前溫濕度環(huán)境試驗箱轉(zhuǎn)溫控濕的重要方式。

除了通入氮氣之外， 還可以選擇具有較強的水分吸附的物質(zhì)來進行空氣中水蒸氣的吸除[2]。 例如： 活性炭、 硅膠等都具有較好的吸水能力， 可以有效地吸附空氣中的水分， 降低空氣中水蒸氣的含量， 保證干燥的環(huán)境。 而且， 硅膠是一種可以在較高溫度下進行水分吸附的干燥劑， 所以在溫濕度環(huán)境試驗箱轉(zhuǎn)溫時， 如果要進行升溫， 選擇硅膠可以保證其吸附性能， 即便是在高溫下也是穩(wěn)定的。 通過具體的實驗發(fā)現(xiàn)， 經(jīng)過硅膠處理的空氣， 其空氣中的相對濕度可以減小到2%～5%。 所以， 將硅膠作為干燥劑進行溫濕度環(huán)境試驗箱轉(zhuǎn)溫控濕的方法也是簡單有效的。

2.2 去除溫濕度環(huán)境試驗箱箱頂?shù)乃獙?/h3>

在溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)， 溫度升高會引起溫濕度環(huán)境試驗箱的霜層汽化， 此時空氣中水蒸氣的含量會增多， 箱內(nèi)的含濕量也會上升。 因此， 想要降低溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)的含濕量， 就需要將箱頂?shù)乃獙尤コ?溫濕度環(huán)境試驗箱頂一般會距離溫濕度環(huán)境試驗箱放熱器較遠， 所以溫度相對而言也比中心試驗的部分低， 很容易會產(chǎn)生霜層。 箱頂?shù)乃獙赢a(chǎn)生的原因主要是因為溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)水蒸氣觸碰到溫度較低的箱頂， 遇冷液化或者是冷凝產(chǎn)生。 可以通過淋水除霜、 電熱除霜或者是熱氣除霜等方式來保持箱頂?shù)乃獙拥玫接行У目刂啤?/p>

2.2.1 淋水除霜

淋水除霜的工作原理是通過蒸發(fā)器向溫濕度環(huán)境試驗箱頂噴灑液態(tài)的水， 讓霜層和液態(tài)水之間進行熱交換， 從而有效地融化和清理霜層[3]。 但是淋水除霜要保證溫濕度環(huán)境試驗箱在停止使用的狀態(tài)下才能開始。 如果在溫濕度環(huán)境試驗箱使用的過程中進行淋水除霜， 不僅不能除去霜層， 甚至還會導(dǎo)致空氣中水分的含量增多。 一旦水蒸氣達到飽和狀態(tài)冷凝或者是液化到溫濕度環(huán)境試驗箱的其他部分或者是在溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)實驗的物品上， 很有可能會導(dǎo)致溫濕度環(huán)境試驗箱和物品的損壞。 所以， 淋水除霜的方式并不適用于熱循環(huán)當中。

2.2.2 電熱除霜

電熱除霜主要是通過在溫濕度環(huán)境試驗箱頂布置一些電熱絲或者是其他可以加熱的物品進行直接的加熱融化。 這樣的方式和淋水除霜的弊端一樣，都會讓融化的水分直接進入到溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)的空氣當中去， 空氣中水分的含量大大地增加， 導(dǎo)致空氣濕度增加。 而且， 電加熱的物品又和空氣直接接觸， 導(dǎo)致空氣溫度升高； 如果溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)需要的是低溫， 那么采用這種方式不能夠穩(wěn)定溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)所設(shè)置的溫度。

2.2.3 熱氣除霜

熱氣除霜是向溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)通入溫度比其更高的制冷劑。 這樣的方式可以由內(nèi)向外地進行霜層的融化。 在剛開始融化的時候， 蒸發(fā)器管內(nèi)熱氣和管外的霜層進行熱交換， 這樣的熱量可以保證霜層的融化。 此時霜層內(nèi)部融化成水但是外部仍然是固態(tài)的霜， 形成了混合物。 而此時因為有外層霜的包裹， 里面所融化或者是汽化產(chǎn)生的水分和水蒸氣產(chǎn)生的熱量也不會影響到溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)的環(huán)境溫度。 隨后在霜層逐漸地融化過程中， 水蒸氣慢慢地進入到集水箱中并傳輸?shù)綔貪穸拳h(huán)境試驗箱外， 這樣的方式不僅僅可以讓溫濕度環(huán)境試驗箱在轉(zhuǎn)溫控濕過程中空氣濕度不增加， 也能夠保證霜層在融化的過程中產(chǎn)生的熱量對溫濕度環(huán)境試驗箱的影響較小。 將溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)的濕度控制在一個比較低的水平上。

上述3 種方法， 淋水除霜的方式更加適合在溫濕度環(huán)境試驗箱使用結(jié)束之后進行霜層的去除。 而在溫濕度環(huán)境試驗箱的使用過程中， 如果要控制好霜層， 就可以采用熱氣除霜的方式。

a） 熱氣除霜的具體使用

過去經(jīng)常使用的熱氣除霜的方式主要包括四通換向法和壓縮機熱氣旁通法兩種。

四通換向法是通過在制冷的系統(tǒng)中布置四通換向閥， 在每一個需要進行除霜的部分開啟相應(yīng)方向的溫濕度環(huán)境試驗箱的閥門， 讓制冷劑流出， 將吸熱的蒸發(fā)器換成放熱的冷凝器， 通過放熱實現(xiàn)制冷劑和霜層的熱量交換， 更好地融化霜層。

但是這樣的方法會導(dǎo)致制冷劑中斷使用， 并且沒有辦法做到及時恢復(fù)， 此時濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)的工作穩(wěn)定性就會受到破壞。 濕度環(huán)境試驗箱就無法穩(wěn)定地工作。 同時， 如果想要保證溫度穩(wěn)定， 就需要向濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)通入制冷劑， 制冷劑升溫融化后產(chǎn)生的水蒸氣會讓空氣中的水分含量迅速地增加。 這樣的方法不僅不能保證濕度環(huán)境試驗箱實驗的穩(wěn)定性， 還會加重溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)的濕度，并不是好的選擇。

b） 對熱氣除霜方式的改進

熱氣除霜是清除霜層的較好的方式。 但是傳統(tǒng)的熱氣除霜不僅會讓溫濕度環(huán)境試驗箱的工作穩(wěn)定性得不到保障， 還會讓溫濕度環(huán)境試驗箱里空氣的濕度增加， 并不能滿足要求。 所以， 對熱氣除霜的方式進行良好的改進， 提升溫濕度環(huán)境試驗箱工作的穩(wěn)定性， 降低溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)的空氣濕度是十分重要的。 因此， 筆者在傳統(tǒng)的熱氣除霜制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上了一個蒸發(fā)器、 若干的電子閥， 并設(shè)置了獨立的通風(fēng)道口， 如此便可以讓溫濕度環(huán)境試驗箱的工作穩(wěn)定性和空氣濕度都得到良好的保證。 制冷系統(tǒng)的裝置設(shè)計如圖1 所示。

圖1 制冷系統(tǒng)的裝置設(shè)計

該系統(tǒng)的設(shè)計和傳統(tǒng)使用的制冷系統(tǒng)有很大的不同。 傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)只使用了一個蒸發(fā)器進行工作， 但是改進以后添加了一個蒸發(fā)器， 使用兩個蒸發(fā)器進行工作能夠讓一個制冷系統(tǒng)在工作的同時，另一個蒸發(fā)器仍然進行制冷工作。 這樣可以很好地保證制冷系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性， 讓溫濕度環(huán)境試驗箱的工作穩(wěn)定性得到保證[4]。 而且， 兩個蒸發(fā)器都配有了單獨的通風(fēng)， 這樣就無需擔心蒸發(fā)器在使用的時候空氣不流通等問題， 時刻保持制冷系統(tǒng)在運行時， 其和溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)部的循環(huán)保持一致。 而且， 如果除霜使用的蒸發(fā)器和溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)的環(huán)境隔絕的話， 空氣也會不流通， 但是這樣的系統(tǒng)如果按照過去的方式進行運行的話并不能不間斷地保持溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)的溫度， 也不能不間斷地排除溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)的空氣的濕度。而經(jīng)過改良以后的系統(tǒng)可以很好地保證溫濕度環(huán)境試驗箱在進行低溫運行的時候， 如果蒸發(fā)器表面的結(jié)霜已經(jīng)達到了一定的厚度的話， 可以及時地切換到另一邊繼續(xù)工作， 實現(xiàn)不間斷的工作。 而需要進行霜層的融化的部分進行霜層的融化， 另一部蒸發(fā)器繼續(xù)工作。 通過電磁閥來實現(xiàn)霜層的融化和制冷膠體運行的狀態(tài)。

2.3 控制箱頂?shù)臏囟?/h3>

溫濕度環(huán)境試驗箱的空氣運動時是從上到下進行流動的， 所以在常壓下溫濕度環(huán)境試驗箱進行低溫轉(zhuǎn)向高溫的時候結(jié)露情況會比較嚴重， 而且， 在溫濕度環(huán)境試驗箱頂部凝結(jié)的水滴會因為重力的因素而掉落， 嚴重時會導(dǎo)致溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)實驗的產(chǎn)品受到損毀。 所以， 有效地防止溫濕度環(huán)境試驗箱頂?shù)慕Y(jié)露現(xiàn)象是十分重要的。

對于箱頂?shù)臏囟瓤刂瓶梢赃x擇在溫濕度環(huán)境試驗箱頂安裝相應(yīng)的電加熱板， 在溫濕度環(huán)境試驗箱進行低溫轉(zhuǎn)向高溫的時候， 適當?shù)靥岣邷貪穸拳h(huán)境試驗箱頂電熱板的溫度， 讓溫濕度環(huán)境試驗箱頂?shù)臏囟群推渌糠值臏囟认嗖畈淮骩5]。 在溫濕度環(huán)境試驗箱頂?shù)乃魵饪梢砸恢北３衷诼饵c的溫度之上， 此時溫濕度環(huán)境試驗箱頂就不會出現(xiàn)嚴重的結(jié)露現(xiàn)象。

在溫濕度環(huán)境試驗箱頂部安裝的電加熱板可以通過在溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)的干球的溫度及時地進行溫度調(diào)整， 跟隨溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)實際的溫度來選擇合適的溫濕度環(huán)境試驗箱頂溫度， 讓頂板的溫度適中地保持在露點的溫度之上。 除此之外， 在溫濕度環(huán)境試驗箱頂也可以安裝水蒸氣的感應(yīng)溫度， 探測溫濕度環(huán)境試驗箱頂結(jié)露現(xiàn)象出現(xiàn)時水珠的溫度并對其進行分析， 這樣可以更好地對溫濕度環(huán)境試驗箱電加熱板溫度進行控制。

3 結(jié)束語

綜上所述， 溫濕度環(huán)境試驗箱在轉(zhuǎn)溫過程中很容易會加重溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)空氣的濕度， 會有結(jié)露現(xiàn)象產(chǎn)生。 結(jié)露現(xiàn)象的出現(xiàn)很有可能會導(dǎo)致溫濕度環(huán)境試驗箱自身和在溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)進行實驗的物品受到損壞。 為了可以更好地進行溫濕度環(huán)境試驗箱的轉(zhuǎn)溫控濕， 本文主要對降低溫濕度環(huán)境試驗箱中的水蒸氣含量、 融化或者去除溫濕度環(huán)境試驗箱箱頂霜層、 控制箱頂?shù)臏囟? 種方式進行了具體的分析和研究。