蒸汽發生器蒸汽量的精確控制方法研究

陳旭波 余云加 葉江勇

（1.廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣州 510656；2.廣電計量檢測（武漢）有限公司，武漢 430074）

乘客安全性一直是汽車設計和汽車性能測試的重點，影響汽車安全性的一個重要因素就是駕駛員是否有一個清晰、開闊的視野。在秋冬季節或雨雪天，由于車內外溫差或空氣中水汽較大，車窗結霜起霧現象很普遍，嚴重遮擋駕駛員的視線，對安全行車十分不利。

除霜除霧性能作為國家標準中強制檢測的一項指標，《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統》（GB11555-2009）對汽車風窗玻璃除霜除霧系統性能做出了明確的規定[1]。該標準要求在一定時間內，必須清除覆蓋在前風窗玻璃的某些區域內、外表面上的霧或霜，使其恢復清晰視野。

蒸汽發生器能夠模擬1～n（n為汽車座位數）位乘客呼吸產生的水蒸氣，是進行汽車風窗除霧系統測試必不可少的設備。《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統》（GB11555-2009）對其技術性能指標規定如下：水箱容積＞2.25L；在-3±1℃，沸點的熱損失≤75W；鼓風機在50Pa的靜壓時，應有4.2～6.0m3/min的排量；蒸汽發生器的頂部有6個直徑6.3mm的出氣孔；蒸汽發生器輸出的蒸汽量，在（-3±1）℃的條件下為n×[（70±5）g/h]。

根據分析標準規定的技術指標可以發現，蒸汽發生器輸出的蒸汽量是一個非常關鍵的指標，直接影響測試的結果。現有的蒸汽發生器完成這個指標有兩種方式，一種是采用流量傳感器，檢測蒸汽流量質量，據此控制加熱功率和風扇轉速；另一種方法是不使用流量傳感器，而是依據試驗得到的數值，直接應用算法控制加熱功率產生所需要的蒸汽量[2-4]。這兩種方法在應用中都存在一些問題，使用常規蒸汽流量傳感器存在設備體積大、測量范圍小的問題；直接使用算法控制也存在控制精度差、算法復雜的問題。如何在控制算法簡單可靠、整體體積適當的要求下，實現蒸汽發生器的蒸汽發生量的準確控制，成為擺在人們面前的重要任務。

1 設計任務分析

通過對設計要求的認真分析，筆者發現，為了精確地控制蒸汽發生量，需要解決以下問題。

1.1 蒸汽量的精確范圍

在《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統》（GB11555-2009）中，蒸汽量是以單位時間內蒸發的水的質量，即質量流量來表示，而人們在檢測時只能檢測蒸汽的體積流量，因此這里就涉及一定質量的水轉化為一定體積的水蒸氣問題。只有確定了相應質量范圍內的水轉化為水蒸氣的體積范圍，才能確定蒸汽流量傳感器的檢測范圍。

水蒸氣是水因為加熱而變成的氣態形式。一定質量的水經過加熱變為水蒸氣的體積是不一定的，和周圍溫度和壓強有關。對于蒸汽發生器，其蒸汽是通過把水加熱到沸點產生的，其工作環境壓強也在標準大氣壓附近，由此，人們可以根據理想氣體狀態公式計算出一定質量的水通過加熱產生的水蒸氣體積。理想氣體狀態公式為：

式中，p為壓強，Pa；V為水蒸氣體積，m3；m為水的質量，kg；T為溫度，K；R是一個比例系數，取值為461.5J/（kg·K）。

根據規范要求，蒸汽發生器需要模擬產生n位乘客呼吸出的水蒸氣，因此，根據式（1），人們可以計算出蒸汽發生器的蒸汽體積流量范圍，如表1所示。

表1 蒸汽體積

其中，n取值為1～7，可以滿足七座小型客車的測試要求；壓強取0.1MPa和0.2MPa兩種情況，可以完全覆蓋蒸汽發生器工作壓強范圍；溫度取值和蒸汽發生器加熱裝置有關，一般使用的都為內置電熱絲加熱的普通容器，蒸汽離開出口后溫度并不會很高，因此溫度取值為3檔，分別是90℃、98℃和105℃。

從表1可以看出，當環境壓力為0.1MPa，溫度范圍為90～105℃，n為1～7時，產生的蒸汽體積范圍在0.111～0.916m3；而當環境壓力為0.2MPa，其他條件相同時，蒸汽體積范圍在0.054～0.458m3。由此可以得知，在n≤7的情況下，蒸汽發生器產生的蒸汽體積流量在0.054～0.100m3，這是選擇對應流量傳感器的關鍵參數。

1.2 蒸汽產生的方式

《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統》（GB11555-2009）給出了蒸汽的產生裝置示意圖，如圖1所示。該裝置中蒸汽的產生是在儲水箱中直接采用加熱元件進行加熱的方法來實現的。該裝置由于結構簡單、緊湊，便于加工和組裝，是當前蒸汽發生器的主流形式。通過市場調研，現有的蒸汽發生器基本都采用了這種結構。

這種結構雖然具有一定的優點，但也存在一些不足之處。一是加熱元件對容器內全部的水進行加熱，會導致出汽速度緩慢，加熱效率較低；二是隨著加熱的進行，容器內的水質量逐漸減少，對于加熱元件來說，產生同樣流量的水蒸氣所需的加熱功率也是逐漸變化的，相應的控制算法比較復雜，特別是對于沒有使用蒸汽流量傳感器的蒸汽發生裝置來說，由于沒有蒸汽流量信息的反饋，需要考慮水量、加熱時間等與其他參數的關系，情況十分復雜，很容易導致蒸汽量控制不準確的結果。

圖1 加熱裝置示意圖

為了加快蒸汽產生速度，減小控制算法復雜度，提高蒸汽輸出量的控制精度，人們需要對現有蒸汽產生的方式進行改進。

2 解決方法

從以上分析可以看出，蒸汽輸出量的精確控制涉及流量傳感器的選擇以及蒸汽產生的不同方式。為了達到《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統》（GB11555-2009）的要求，人們可以采取以下措施解決以上兩個問題。

2.1 確定合適的蒸汽流量傳感器

市場上氣體流量傳感器有很多種，經過廣泛調研和分析，能夠應用于濕、熱環境下，檢測蒸汽的流量傳感器只有渦街流量傳感器。渦街流量計是在流體中安放一根（或多根）非流線型阻流體（Bluff Body），流體在阻流體兩側交替地分離釋放出兩串規則的旋渦，在一定的流量范圍內旋渦分離頻率與管道內的平均流速成正比，通過采用各種形式的檢測元件測出旋渦頻率就可以推算出流體的流量。渦街流量傳感器的原理如圖2所示。

圖2 渦街傳感器原理

渦街流量傳感器具有一些特點：輸出為脈沖頻率，其頻率與被測流體的實際體積流量成正比，不受流體組分、密度、壓力和溫度的影響；無可動部件，壽命長，可靠性高；測量范圍寬，一般可達10:1以上；結構簡單牢固，安裝方便，維護費用較低；應用范圍廣泛，可適用于液體、氣體和蒸汽。

渦街流量傳感器一般應用于工業生產環境，適用于大流量和大流速的情況，根據對蒸汽發生器蒸汽流量的分析，現有的渦街流量傳感器不能直接應用于蒸汽發生器，而必須采用定制的方法。根據分析的結果，確定的定制渦街流量傳感器參數為：口徑DN50；流量范圍0.05～1.00m3/h；量程比20:1；輸出為4～20mA信號。定制的渦街流量傳感器如圖3所示。

圖3 定制的渦街流量傳感器

2.2 加熱裝置結構的改進

常規加熱裝置具有出汽速度慢、加熱控制算法復雜等問題[5-6]。為了解決這些問題，從加快出汽速度的角度考慮，在加熱功率一定的情況下，加熱的水的質量越少，出汽速度就越快；從降低加熱控制算法復雜度的角度來說，每次對固定質量的水加熱能夠極大地減小控制參數之間的復雜性，進而降低算法的復雜度。

因此，可以從改進加熱裝置的結構出發，將原來一體式的儲水-加熱形式改變為儲水-加熱分離式設計。每次加熱的水的質量很少，可以很快將水汽化，解決常規加熱裝置出汽速度慢的問題，而每次加熱時，進入加熱體內的水質量基本一樣，因此又大大降低了加熱控制算法復雜度。同時，分離式的儲水-加熱式設計由于加熱速度快，也可以選擇較低功率的加熱元件，有利于節能環保。體積更小的加熱裝置也有利于保溫的設計，降低對應的熱損失。最后，分離式設計也有利于增加蒸汽發生裝置結構設計的靈活性。采用的小型加熱器如圖4所示。

圖4 小型加熱器

3 結語

本文給出了提高蒸汽量控制精度的思路和方法，從《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統》（GB11555-2009）中蒸汽發生裝置的性能參數出發，分析了關鍵的蒸汽輸出量參數，采用理想氣體狀態公式確定了蒸汽輸出量的體積流量范圍，為選擇蒸汽流量傳感器確定了思路。通過分析當前的加熱裝置形式，采用儲水-加熱分離形式的小型加熱裝置，不僅能夠加快蒸汽產生速度，而且能夠降低蒸汽發生器的控制算法復雜度，從而實現對蒸汽輸出量的精確控制。