溫度- 濕度- 高度綜合試驗(yàn)中的除濕方法研究

林偉峰

(廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，福建 廈門361000)

溫度-濕度-高度綜合試驗(yàn)是機(jī)載設(shè)備在研制、飛行或使用支持、鑒定階段的常見試驗(yàn)。試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)溫度、濕度及高度因素對(duì)機(jī)載設(shè)備工作性能影響, 其中亞音速分機(jī)會(huì)受到低溫低氣壓的影響，超音速飛機(jī)會(huì)受到高溫低氣壓的影響。如果飛機(jī)降落至濕熱區(qū)域，又重新起飛，就會(huì)受到濕熱大氣環(huán)境的影響。相關(guān)的民用標(biāo)準(zhǔn)[1]及軍用標(biāo)準(zhǔn)[2]詳細(xì)規(guī)定了試驗(yàn)步驟。其中軍用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)主要循環(huán)步驟為冷/干，冷/干/高度，溫/濕，熱/干，熱/干/高度。

其中有高度應(yīng)力的步驟，需要使用真空泵抽取箱內(nèi)空氣。真空泵只有在箱內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度低于閾值（典型值為30℃），真空泵才能工作。因此進(jìn)行熱/干/高度試驗(yàn)時(shí)，需要先去除前面溫/濕步驟引入的濕氣。

常規(guī)的方法是在溫/濕試驗(yàn)（32℃95%RH）后，在32℃下進(jìn)行除濕。但是后續(xù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在32℃除濕，直至濕度低至1%RH，在熱/干/高步驟時(shí)，120℃相對(duì)濕度達(dá)到8% RH，遠(yuǎn)高于真空泵濕度保護(hù)閾值，導(dǎo)致降壓動(dòng)作無法進(jìn)行（露點(diǎn)溫度30℃，120℃下對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度2.14%）。箱內(nèi)空氣的水汽已在低溫除濕階段去除，水汽來源于高溫下箱內(nèi)冷凝水的蒸發(fā)。本文分析了冷凝水的來源，在不增加硬件配置的情況下從控制冷凝水和去除濕兩方面著手，將120℃下的濕度降至目標(biāo)值，保證了試驗(yàn)的正常進(jìn)行。此外，通過除濕目標(biāo)濕度、除濕溫度等參數(shù)的優(yōu)化，將除濕步驟時(shí)長降至最短，最小化對(duì)試驗(yàn)程序的影響。

1 冷凝水來源分析及控制

1.1 冷凝水來源

低氣壓箱在試驗(yàn)前經(jīng)過烘干處理，排出冷凝水來源于箱內(nèi)遺留積水的可能。低氣壓試驗(yàn)箱是一個(gè)封閉系統(tǒng)，冷凝水唯一來源于溫/濕循環(huán)步驟的加濕過程。相關(guān)文獻(xiàn)[3-4]提出在低溫試驗(yàn)環(huán)節(jié)后，升溫過程中，試驗(yàn)箱內(nèi)的低溫物體（樣品）會(huì)產(chǎn)生冷凝水。不同的是，由于本試驗(yàn)樣品本身較小，低溫物體應(yīng)為箱體本身部件。

為了評(píng)估在升溫過程中的箱體溫度情況，我們將箱內(nèi)空氣溫度調(diào)節(jié)為35℃，對(duì)箱體不同部位的溫升情況進(jìn)行監(jiān)控，如表1所示。箱內(nèi)空氣達(dá)到35℃并維持1.5h 后箱體內(nèi)壁全部低于（32℃95%RH）對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度31.15℃。

表1 箱體溫度穩(wěn)定分析

1.2 兩種加濕方式比較和選擇

試驗(yàn)循環(huán)濕熱步驟需要提升溫度和濕度，兩個(gè)參數(shù)可以并行提升也可以串行提升。采用串行提升方式，先升溫，并保持一段時(shí)間以提升箱體溫度，然后再加濕。如前所述，可以減少箱壁等部位產(chǎn)生的冷凝水。但是在加濕前，箱內(nèi)空氣溫度已達(dá)到32℃目標(biāo)值，這時(shí)進(jìn)行加濕，加濕蒸汽會(huì)提升內(nèi)部空氣溫度，使內(nèi)部空氣溫度大于32℃。這時(shí)制冷部件開始工作，以降低內(nèi)部空氣溫度至目標(biāo)值。顯然，低溫制冷部件會(huì)上產(chǎn)生冷凝水。在整個(gè)加濕的時(shí)間，制冷部件都會(huì)保持工作。根據(jù)試驗(yàn)得知，32℃下，濕度上升至95%，大約需要20min 至25min 的時(shí)間。

采用并行提升的方式。顯然在加濕的過程中由于箱壁的溫度低于箱內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度，箱壁上等部位會(huì)產(chǎn)生冷凝水。但是另一方面，加濕開始時(shí)空氣溫度未達(dá)到目標(biāo)值，制冷部件不工作。在20min 至25min 的時(shí)間內(nèi)箱內(nèi)空氣溫濕度幾乎同時(shí)達(dá)到目標(biāo)值，在這個(gè)過程中制冷部件也不工作。相交而言，串行的方式會(huì)增加在加濕過程中制冷部件的工作時(shí)間，從而在制冷部件上產(chǎn)生較多的冷凝水。需要進(jìn)行試驗(yàn)比較兩種方式產(chǎn)生冷凝水的多寡。冷凝水難以直接比較，我們?cè)诟邷叵聦⒗淠浞终舭l(fā)，通過對(duì)比箱內(nèi)空氣的相對(duì)濕度來進(jìn)行比較。

我們分別按兩種方式進(jìn)行加濕，同樣在32℃95%RH 維持30min。之后升溫到120℃并維持2h，對(duì)比相對(duì)濕度。通過反復(fù)試驗(yàn)，兩種加濕方式后，在120℃維持2h 后相對(duì)濕度都在14%左右，大小相當(dāng)。因此我們選擇并行的濕熱提升方式，以縮短試驗(yàn)時(shí)間。顯然這時(shí)的露點(diǎn)溫度遠(yuǎn)高于閾值我們還需要除濕環(huán)節(jié)去除冷凝水。

2 水汽凝結(jié)因素及溫度-濕度-高度綜合試驗(yàn)中的除濕方法

除濕環(huán)節(jié)不在溫度/濕度/高度綜合試驗(yàn)的試驗(yàn)要求中，應(yīng)該盡縮短除濕時(shí)間，減少對(duì)試驗(yàn)的影響。試驗(yàn)箱除濕過程是箱體中空氣中的水汽在冷凝器上轉(zhuǎn)化為冷凝水并排出箱體的過程。本部分通過分析影響水汽凝結(jié)速率的因素得到最優(yōu)的除濕方法，最后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1 水汽壓公式

除濕時(shí)，冷凝器溫度低于箱內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度。冷凝器附近的空氣會(huì)形成一個(gè)溫度梯度。也會(huì)形成一個(gè)水汽壓的梯度，箱內(nèi)空氣中的水汽會(huì)在水汽壓壓差的作用下往冷凝器附近移動(dòng)，最終在冷凝器器上凝結(jié)。除濕的速度取決于水汽壓壓差的大小。

根據(jù)BUCK 公式[5]，0℃以上，飽和水汽壓與溫度的關(guān)系是為

式(1)中，PS為飽和水汽壓；PO為0℃的飽和水汽壓，取PO=611/HPA；a=7.5，b=273.3；t 為溫度，℃。

同一溫度下，不同相對(duì)濕度的水汽壓與飽和水汽壓的關(guān)系為:

式(2)中,P 為空氣水汽壓，PS為飽和水汽壓；f 為相對(duì)濕度。

2.2 溫度-濕度-高度綜合試驗(yàn)中的除濕方法

2.2.1 除濕目標(biāo)濕度設(shè)定

除濕時(shí)，水汽壓差為

P 為空氣水汽壓，PL為冷凝器對(duì)應(yīng)目標(biāo)溫濕度下的水汽壓。

根據(jù)公式(2)及公式(3)除濕溫度不變，相對(duì)濕度越低PL越小，ΔP越大。試驗(yàn)箱相對(duì)濕度最低可設(shè)為1%，因此我們將除濕目標(biāo)濕度固定為1%RH。日常試驗(yàn)中，我們?nèi)绻枰獙穸冉抵?0% RH，習(xí)慣將除濕目標(biāo)濕度直接設(shè)為50% RH。這里如果我們將除濕目標(biāo)濕度設(shè)為1% RH，并估算濕度到達(dá)50% RH 的時(shí)間（以20min 為例）。設(shè)定為1%RH，20min 分鐘，將明顯縮短除濕時(shí)間。

2.2.2 除濕目標(biāo)溫度設(shè)定

除濕目標(biāo)濕度1%不變，除濕溫度越高，對(duì)應(yīng)的水汽壓PL越高。根據(jù)公式(3)，如果P 不變，△P 越小。但是在實(shí)際試驗(yàn)中，除濕溫度越高，箱內(nèi)冷凝水蒸發(fā)越快，空氣水汽壓P 變大。這種情況下可以通過試驗(yàn)得到不同除濕溫度下2h 后水汽的釋放情況（相對(duì)濕度）。計(jì)算P 值，計(jì)算△P，得到最優(yōu)除濕溫度，如表2 所示。

表2 不同除濕溫度下水汽壓差分析

可見90℃除濕溫度下，2h 后的水汽壓差最高。但隨著除濕的進(jìn)行，P 降低，PL不變，需進(jìn)一步分析除濕速率的持續(xù)領(lǐng)先能力。這里將表2 中的水汽壓P 數(shù)據(jù)乘以5%，水汽壓PL數(shù)據(jù)不變，得到除濕95%后的水氣壓差變化，如表3 所示。

表3 不同除濕溫度除濕95%后水汽壓差估算

可見90℃除濕溫度下，完成除濕95%后的水汽壓差依然最高。我們將除濕溫度確定為90℃（90℃同時(shí)也是設(shè)備的除濕溫度上限）。我們通過試驗(yàn)對(duì)比了在不同的除濕溫度下除濕2h 后，在120℃溫度穩(wěn)定2h 后的相對(duì)濕度。

表4 不同除濕溫度除濕效果對(duì)比

最后，我們通過增加（90℃，1%RH）條件下5h 的除濕環(huán)節(jié)，使120℃下2h 后得相對(duì)濕度降至1.5%，低于真空泵的露點(diǎn)溫度。使溫度/濕度/高度綜合試驗(yàn)中的熱/干/高度順利進(jìn)行，試驗(yàn)得以自動(dòng)循環(huán)。

結(jié)束語

本文分析了溫度/濕度/高度綜合試驗(yàn)中冷凝水的來源，從控制冷凝水來源入手分析選擇了并行加濕熱的方式，縮短了試驗(yàn)時(shí)間。從快速去除冷凝水入手，提出了高溫除濕的除濕方法，通過理論分析得到最優(yōu)除濕目標(biāo)濕度、除濕溫度等參數(shù)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了相關(guān)參數(shù)的實(shí)際效果。最后我們利用這組參數(shù)順利將箱體的冷凝水祛除至目標(biāo)范圍內(nèi)，使試驗(yàn)得以自動(dòng)循環(huán)。這里對(duì)相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化手段可以應(yīng)用于其它對(duì)濕度控制有要求的試驗(yàn)，縮短整體試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)約試驗(yàn)成本。