基于散流器的鹽霧箱飽和加濕技術(shù)研究

馬平昌，劉玥，高飛，芮鵬，崔英偉，路梓照

（1.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；2.天津航天瑞萊科技有限公司北京分部，北京 101102）

鹽霧試驗(yàn)箱是用來(lái)模擬產(chǎn)品和材料在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)歷的鹽霧腐蝕環(huán)境，以考核產(chǎn)品和材料在有鹽霧腐蝕氣體環(huán)境條件下的腐蝕情況，從而為評(píng)價(jià)、研究、篩選、預(yù)估和提高產(chǎn)品材料的使用壽命與防腐蝕能力提供依據(jù)[1]。鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱主要由箱體、噴霧系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、濕度系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成[2-3]，其中飽和加濕桶是鹽霧試驗(yàn)箱噴霧系統(tǒng)中非常重要的部件[4-5]。飽和加濕桶的主要作用是對(duì)過(guò)濾后的壓縮空氣進(jìn)行加熱加濕，從而一方面防止壓縮空氣進(jìn)入試驗(yàn)箱內(nèi)引起溫度的波動(dòng)和變化，另一方面防止未飽和的壓縮空氣經(jīng)過(guò)鹽霧噴嘴進(jìn)行鹽霧噴射時(shí)出現(xiàn)鹽霧結(jié)晶[6]。目前工業(yè)使用的飽和加濕桶，根據(jù)其對(duì)壓縮空氣的加熱方式可以劃分為干式加熱、半濕式加熱以及濕式加熱方式。其中，干式加熱方式采用封閉管路浸沒(méi)在高溫水中進(jìn)行壓縮空氣加熱；半濕式加熱方式使壓縮空氣經(jīng)過(guò)飽和加濕桶上方空腔，進(jìn)行加熱加濕；濕式加熱方式將壓縮空氣通入飽和加濕桶內(nèi)高溫水中，進(jìn)行加熱加濕。干式加熱僅對(duì)壓縮空氣進(jìn)行加熱，而未進(jìn)行加濕，半濕式加熱對(duì)壓縮空氣加熱的同時(shí)盡管也進(jìn)行了一定的加濕，但其加濕效率低，因此經(jīng)過(guò)干式加熱和半濕式加熱飽和桶的壓縮空氣均處于未飽和狀態(tài)。當(dāng)未飽和的壓縮空氣與鹽溶液混合噴射時(shí)，噴嘴處可能會(huì)產(chǎn)生鹽霧結(jié)晶，一方面會(huì)引起噴嘴堵塞，另一方面會(huì)導(dǎo)致鹽霧試驗(yàn)箱內(nèi)沉降的鹽霧含鹽濃度升高。濕式加熱方式使空氣和水充分接觸，使壓縮空氣完成加熱，并達(dá)到飽和狀態(tài)，但是傳統(tǒng)的濕式加熱方式在空氣通入水的過(guò)程中，容易形成水滴飛濺，并隨氣流進(jìn)入霧化噴嘴，最終可能導(dǎo)致鹽霧試驗(yàn)箱內(nèi)沉降的鹽霧含鹽濃度降低。鹽霧箱內(nèi)沉降鹽霧的含鹽濃度的升高或降低均會(huì)嚴(yán)重影響試驗(yàn)結(jié)果[7-8]，且不符合相關(guān)國(guó)標(biāo)要求[9]。

目前關(guān)于飽和加濕桶的研究較少，并且主要關(guān)注飽和桶加熱溫度對(duì)鹽霧箱內(nèi)溫度穩(wěn)定性的影響[10]，實(shí)際上飽和加濕桶的加濕性能對(duì)于鹽霧試驗(yàn)結(jié)果具有很重要的影響，因此提升飽和加濕桶的加濕性能具有很重要的意義。本文對(duì)飽和加濕桶壓縮空氣入口和出口進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，入口采用散流器，結(jié)合濕式加熱的方式，在保證飽和加濕桶的加濕性能的同時(shí)，有效抑制了飽和加濕桶內(nèi)水滴飛濺，出口設(shè)置氣水分離器，對(duì)飽和濕空氣再次進(jìn)行氣水分離，從而形成較為“潔凈”的飽和濕空氣。

1 組成及工作原理

飽和加濕桶主要包括桶體、電加熱器、水溫傳感器、液位計(jì)、壓縮空氣進(jìn)氣/出氣口，去離子水補(bǔ)水/排水口，如圖1所示。設(shè)計(jì)散流器，使用直管連接由壓縮空氣入口伸入至飽和加濕桶液面下方，空氣由散流器分散流出后，進(jìn)入帶有溫度的水中進(jìn)行對(duì)流換熱，完成濕式加熱。加熱、加濕后的壓縮空氣經(jīng)過(guò)出口前置的氣水分離器實(shí)現(xiàn)可能出現(xiàn)的飛濺液滴的過(guò)濾，最終形成“潔凈”的飽和濕空氣由出氣口流出。

圖1 飽和加濕桶組成Fig.1 Composition of saturated barrel

散流器是提高飽和加濕桶加濕效率的重要部件，剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。壓縮空氣通過(guò)入口進(jìn)入散流器內(nèi)部，并由環(huán)向分布的散流口流出，達(dá)到氣流分散的作用，從而增大氣流與飽和桶內(nèi)去離子水的接觸面積，有效提高加濕效率。散流器氣流出口位置設(shè)計(jì)預(yù)混流道，預(yù)混流道成呈收縮-擴(kuò)張型面，用于加速壓縮空氣。預(yù)混流道喉道位置設(shè)置虹吸口，利用高速流動(dòng)氣體產(chǎn)生的負(fù)壓原理將散流器下方去離子水虹吸進(jìn)入散流器，實(shí)現(xiàn)氣水預(yù)混，有效利用散流器下方去離子水的同時(shí)，增加壓縮空氣與去離子水的接觸行程與時(shí)間，從而進(jìn)一步提升加濕效率。此外，當(dāng)分散氣流在自由液面逸出時(shí)，會(huì)發(fā)生氣泡破裂，形成微霧，彌漫的水霧粒子在飽和桶上部氣腔空間形成高濕度環(huán)境，有利于再次提升壓縮空氣濕度。散流器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用通過(guò)上述3重作用，可以實(shí)現(xiàn)壓縮空氣的高效加濕。

圖2 散流器剖面結(jié)構(gòu)Fig.2 Sectional structure of diffuser

氣水分離器剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示。經(jīng)過(guò)加溫、加濕的濕空氣沿氣水分離器下部錐形型面流動(dòng)，流動(dòng)溫濕空氣攜帶的飛濺液滴由于慣性沿型面飛出，而溫濕空氣則通過(guò)2次結(jié)構(gòu)導(dǎo)流折彎，進(jìn)入氣水分離器內(nèi)部，并最終由出口流出，形成“潔凈”的飽和濕空氣。

圖3 氣水分離器剖面結(jié)構(gòu)Fig.3 Sectional structure of gas water separator

2 試驗(yàn)測(cè)試及性能分析

飽和加濕桶濕式加熱性能的關(guān)鍵在于散流器的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)比直通型濕式加熱和散流器型濕式加熱，從而驗(yàn)證散流器的作用，兩者出氣孔初始插入液面深度一致。散流器型濕式加熱如圖4所示，壓縮空氣直接通過(guò)帶有一定溫度的去離子水中。由圖4可知，壓縮空氣進(jìn)入去離子水中產(chǎn)生了較大的浪涌現(xiàn)象，水滴飛濺嚴(yán)重，壓縮空氣在水中無(wú)法形成穩(wěn)定的流動(dòng)，導(dǎo)致飽和加濕桶濕式加熱性能的波動(dòng)較大，并且出口容易攜帶飛濺水滴。散流器型濕式加熱如圖5所示，壓縮空氣通過(guò)散流器散流后進(jìn)入去離子水中。由圖5可知，氣流通過(guò)散流器環(huán)向出口分散進(jìn)入去離子水中，氣流在水中形成穩(wěn)定的流動(dòng)，并且液面平穩(wěn)，未發(fā)生浪涌飛濺，因此散流器具有很好的穩(wěn)流和抑制液滴飛濺的作用。此外，散流器對(duì)氣流的分散增大了壓縮空氣與去離子水的接觸面積，有效提升了加濕效率。

圖4 直通型濕式加熱Fig.4 Straight through type wet heating

圖5 散流器型濕式加熱Fig.5 Diffuser type wet heating

飽和加濕桶有水溫控制，因此氣流經(jīng)過(guò)散流器的分散和穩(wěn)定后，在水中的加熱過(guò)程可以等效為恒溫壁面加熱（如圖6所示），氣流通過(guò)與通道水溫壁面對(duì)流換熱實(shí)現(xiàn)升溫。

圖6 散流器濕式加熱等效模型Fig.6 Equivalent model of diffuser wet heating

氣流與熱壁之間的熱交換滿足式（1）關(guān)系：

式中：Ti為壓縮空氣入口溫度；To為壓縮空氣出口溫度；Tw為等效恒溫水壁溫度；h為氣流與水壁之間的對(duì)流換熱系數(shù)；A為氣流通道換熱面積。

式（1）整理后可寫成式（2）：

由式（2）可知，壓縮空氣出口溫度To與飽和桶內(nèi)水溫Tw呈線性關(guān)系，其斜率k和截距b均與有關(guān)。其中，k隨的增大而減小，b隨的增大而增大。

為進(jìn)一步驗(yàn)證飽和加濕桶加溫、加濕性能，搭建性能測(cè)試系統(tǒng)，如圖7所示，測(cè)試結(jié)果如圖8所示，其中壓縮空氣供氣壓力與流量直接相關(guān)。由圖8可知，在不同供氣壓力下，飽和加濕桶出口氣流溫度與水溫基本呈線性關(guān)系，與式（2）一致，并且隨著供氣壓力的增大，出口氣溫隨水溫變化的斜率k逐漸減小，而初始截距b逐漸增大。這表明隨著供氣壓力的增大，供氣流量qa增大，此時(shí)氣流熱容增量相對(duì)于換熱系數(shù)的增量更大，即隨供氣壓力的增大而增大。

圖7 性能測(cè)試系統(tǒng)Fig.7 Performance test system

圖8 飽和加濕桶濕式加熱性能Fig.8 Wet heating performance of saturated barrel

實(shí)際工程實(shí)踐中，很多操作者認(rèn)為飽和加濕桶溫度即為壓縮空氣溫度，并通過(guò)壓縮空氣絕熱膨脹的壓力-溫度關(guān)系確定鹽霧試驗(yàn)時(shí)飽和加濕桶的設(shè)定溫度[8]。事實(shí)上，由圖8可知，飽和加濕桶溫度始終大于出口氣流溫度，并且隨著飽和桶溫度的增加和供氣壓力的增大，飽和加濕桶內(nèi)水溫與出口氣流溫度的差別越來(lái)越大。因此，鹽霧試驗(yàn)時(shí)，為克服噴霧時(shí)由于氣流溫度影響而引起的溫度波動(dòng)，飽和加濕桶的設(shè)定溫度需要同時(shí)考慮壓縮空氣絕熱膨脹的壓力-溫度關(guān)系和不同壓力、溫度下的加熱效果。

飽和加濕桶出口濕度受氣流量、氣流溫度和加濕效率的綜合影響。由圖8可知，同一供氣壓力，即同一氣流量下，出口濕度隨飽和桶內(nèi)水溫的升高而增大。這是由于水溫升高會(huì)促進(jìn)水分子熱運(yùn)動(dòng)，有利于提高氣流加濕效率。同樣溫度下，相同濕度所需的絕對(duì)加濕量隨氣流流量增加而增大。因此，在較大供氣壓力下，出口氣流可達(dá)到的相對(duì)濕度整體偏低。隨著水溫的升高，較大供氣壓力的氣流出口溫度在高飽和桶水溫下反而低于小供氣壓力氣流，溫度降低會(huì)導(dǎo)致相同濕度所需的絕對(duì)加濕量減小。因此，在溫度和氣流量的共同影響下，較高水溫下不同供氣壓力下的出口氣流濕度偏差變小。

由圖8可知，供氣壓力為50 kPa時(shí)，飽和加濕桶出口氣流的相對(duì)濕度在不同溫度下均可達(dá)到90%以上；供氣壓力為150 kPa時(shí)，飽和加濕桶出口氣流的相對(duì)濕度在不同溫度下均可達(dá)到83%以上，且試驗(yàn)過(guò)程出口流道無(wú)明水噴射，因此結(jié)合散流器和氣水分離器的濕式加熱飽和加濕桶具有良好的加濕性能。在較大供氣壓力下，出口氣流可達(dá)到的相對(duì)濕度相對(duì)偏低，實(shí)際操作中可以根據(jù)氣流量需求，通過(guò)提高飽和加濕桶溫度設(shè)定值，使壓縮空氣在較高溫度下達(dá)到近飽和狀態(tài)，在沿程溫降接近目標(biāo)溫度后，逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)。此外，飽和桶的容積、高度、進(jìn)排氣規(guī)格均會(huì)影響飽和加濕桶的濕式加熱效率，因此實(shí)際工程應(yīng)用中飽和加濕桶規(guī)格還要根據(jù)鹽霧設(shè)備的大小及空壓機(jī)排氣量來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以達(dá)到最優(yōu)的加溫、加濕效果。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)飽和加濕桶壓縮空氣入口和出口進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用散流器、氣水分離器、濕式加熱相結(jié)合的方式，形成高效、“潔凈”的高溫飽和濕空氣。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，得到如下結(jié)論：

1）使用散流器分散氣流，可以使氣流在水中形成穩(wěn)定的流動(dòng)，并且有效抑制氣流直通液面的浪涌現(xiàn)象，避免液滴飛濺產(chǎn)生。此外，散流器對(duì)氣流的分散增大了壓縮空氣與去離子水的接觸面積，有效提升了濕式加熱的效率。

2）不同供氣壓力下，飽和加濕桶出口氣流溫度與水溫基本呈線性關(guān)系，與理論分析一致，并且在大流量供氣條件下，流量引起的熱容增量相對(duì)于換熱系數(shù)增量更大。飽和加濕桶溫度始終大于出口氣流溫度，并且隨著飽和桶溫度的增加和供氣壓力的增大，飽和加濕桶內(nèi)水溫與出口氣流溫度的差別越來(lái)越大。

3）同一供氣壓力下，出口氣流濕度隨飽和桶內(nèi)水溫的升高而增大；在同樣溫度下，出口氣流濕度隨供氣壓力的增大而降低，并且供氣壓力不同導(dǎo)致出口氣流濕度偏差隨水溫的升高逐漸減小。

4）供氣壓力為50～150 kPa時(shí)，飽和加濕桶出口氣流的相對(duì)濕度在不同溫度下均可達(dá)到83%～90%，且試驗(yàn)過(guò)程出口流道無(wú)明水噴射。

5）在較大供氣壓力下，出口氣流可達(dá)到的相對(duì)濕度整體偏低。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，一方面可通過(guò)提高飽和加濕桶溫度設(shè)定值以達(dá)到目標(biāo)要求；另一方面，飽和加濕桶規(guī)格還要根據(jù)鹽霧設(shè)備的大小及空壓機(jī)排氣量來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以達(dá)到最優(yōu)的加溫、加濕效果。