沸騰式電加濕器在軌道客車(chē)空調(diào)試驗(yàn)中的應(yīng)用研究

王云霄 于會(huì)龍 張永鑫 譚文才

（1、中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司磁浮研究所，吉林 長(zhǎng)春 130000 2、中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司基礎(chǔ)研發(fā)部，吉林 長(zhǎng)春 130000）

1 概述

在軌道客車(chē)的空調(diào)試驗(yàn)中，需要模擬車(chē)上人員的散熱量（顯熱）和散濕量（潛熱）。通常使用電加濕器將水汽化，以此模擬人員潛熱。以歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13129、EN 14750、EN 14813 為例，由于文中未限定將水汽化的形式，因此不論通過(guò)蒸發(fā)或是沸騰何種形式產(chǎn)生水蒸氣均不違背上述標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。通過(guò)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室主要采用蒸發(fā)式電加濕器，而沸騰式加濕器的應(yīng)用相對(duì)較少。電加濕器工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，除用于汽化水所需的潛熱外，不可避免地會(huì)有其余熱量（即附加顯熱）通過(guò)電加濕器表面散至車(chē)內(nèi)。為了在試驗(yàn)中精確模擬人員的潛熱和顯熱，除測(cè)得輸入電功率P 外，還應(yīng)已知潛熱功率PL在輸入電功率中的占比（下文簡(jiǎn)稱為潛熱效率）、即rL=PL/P。潛熱效率數(shù)值越高，代表單位時(shí)間內(nèi)輸入電能轉(zhuǎn)化為潛熱的比率越高，而附加顯熱的比率越低。試驗(yàn)過(guò)程中，分別將P·rL和P·(1-rL)計(jì)入潛熱功率和顯熱功率。

2 影響潛熱功率的因素

潛熱功率等于汽化潛熱與汽化速率的乘積。由于汽化潛熱為物性參數(shù)、可通過(guò)大氣壓和溫度查表而得，因此只需要測(cè)得汽化速率即可求得潛熱功率。汽化速率，即水汽化的快慢程度。由于汽化分為蒸發(fā)和沸騰兩種形式，下文分別介紹影響電加濕器汽化速率的主要因素。

2.1 蒸發(fā)式電加濕器

在大氣壓不變的前提下，影響汽化速率的因素主要有：①輸入電功率；②水溫；③開(kāi)口尺寸；④空氣溫度；⑤空氣濕度；⑥空氣流速；⑦電加濕器隔熱性能。中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司曾對(duì)的此類電加濕器進(jìn)行專門(mén)研究[1-2]：經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)得出電加濕器在不同輸入電功率和不同空氣溫度兩個(gè)變量下的功率修正系數(shù)矩陣表，對(duì)采用同類電加濕器進(jìn)行的空調(diào)試驗(yàn)具有指導(dǎo)性意義。

2.2 沸騰式電加濕器

為了通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究沸騰式電加濕器的潛熱效率，對(duì)影響汽化速率的因素作如下分析：一旦電加濕器型式確定，其開(kāi)口尺寸和隔熱性能即已固定；空調(diào)試驗(yàn)時(shí)車(chē)內(nèi)空氣流速基本穩(wěn)定，故亦可固定該因素；大氣壓不變條件下，水沸騰時(shí)溫度恒定。綜上，可考慮輸入電功率、空氣溫度和空氣濕度三個(gè)因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

3 沸騰式電加濕器潛熱效率的測(cè)定

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

在常壓下將水加熱至充分沸騰后，使用稱重器測(cè)量加濕器及水的總重，每隔一至兩分鐘記錄一次重量數(shù)據(jù)，共記錄約三十分鐘。通過(guò)相鄰兩條及首末兩條記錄的重量差和時(shí)間差，即可求得區(qū)間及全局汽化速率。將全局汽化速率與汽化潛熱相乘可計(jì)算出潛熱功率，并結(jié)合已知的輸入電功率計(jì)算出潛熱效率。

3.2 實(shí)驗(yàn)工具

實(shí)驗(yàn)工具有沸騰式加濕器（美的牌MC-DY16Easy102型多功能電熱鍋，額定功率600W、額定容量1.2L）、稱重器（分辨率1g）、計(jì)時(shí)器、可調(diào)壓電源及環(huán)境艙等。同時(shí)，將實(shí)驗(yàn)工具放置至風(fēng)速較小的區(qū)域或架設(shè)擋風(fēng)工裝，近似模擬車(chē)內(nèi)微風(fēng)速環(huán)境。

3.3 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)空調(diào)試驗(yàn)車(chē)內(nèi)空氣溫濕度的調(diào)節(jié)范圍，取溫度工作點(diǎn)為18℃、27℃和32℃，取濕度工作點(diǎn)為45%、65%和85%。將實(shí)驗(yàn)方案列于表1 中。

表1 試驗(yàn)方案

表中的工況一為基準(zhǔn)工況，工況二用來(lái)與工況一對(duì)比不同輸入電功率的影響，工況三和工況四用來(lái)與工況一對(duì)比不同空氣濕度的影響，工況五與工況六用來(lái)與工況一對(duì)比不同空氣溫度的影響。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4.1 基準(zhǔn)工況

表2 和圖1 給出了工況一的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 工況一實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 工況一試驗(yàn)結(jié)果

從上述圖表可知，稱重器示數(shù)呈線性下降趨勢(shì)，直線的斜率即區(qū)間汽化速率波動(dòng)穩(wěn)定，全局汽化速率為14.9g/min。結(jié)合0.1MPa 下水沸騰時(shí)的汽化潛熱為2257.6kJ/kg,可計(jì)算出潛熱功率為562W，潛熱效率為562W/600W=94%。

3.4.2 不同輸入電功率的影響。工況二將工況一的輸入功率由600W 降低至400W。表3 和圖2 給出了工況二的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表3 工況二試驗(yàn)結(jié)果

圖2 工況二實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從上述圖表可知，稱重器示數(shù)仍呈線性下降趨勢(shì)，直線的斜率即區(qū)間汽化速率波動(dòng)穩(wěn)定，全局汽化速率為為9.4g/min。結(jié)合0.1MPa 下水沸騰時(shí)的汽化潛熱為2257.6kJ/kg, 可計(jì)算出潛熱功率為355W，潛熱效率為355W/400W=89%。

對(duì)比工況一的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，輸入電功率由600W 降低至400W 后，潛熱效率由94%降低至89%。

3.4.3 不同空氣濕度的影響。工況三、工況四分別將工況一的空氣濕度由65%升高至85%、降低至45%。表4 和圖3 給出了工況三的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表5 和圖4 給出了工況四的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 工況四實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 工況四試驗(yàn)結(jié)果

圖3 工況三實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 工況三試驗(yàn)結(jié)果

從上述圖表可知，稱重器示數(shù)仍呈線性下降趨勢(shì)，直線的斜率即區(qū)間汽化速率波動(dòng)穩(wěn)定，全局汽化速率為14.9g/min。

結(jié)合0.1MPa 下水沸騰時(shí)的汽化潛熱為2257.6kJ/kg,可計(jì)算出潛熱功率為561W，潛熱效率為561W/600W=6%（表6，圖5）。

從上述圖表可知，稱重器示數(shù)仍呈線性下降趨勢(shì)，直線的斜率即區(qū)間汽化速率波動(dòng)穩(wěn)定，全局汽化速率為15.1g/min。

結(jié)合0.1MPa 下水沸騰時(shí)的汽化潛熱為2257.6kJ/kg,可計(jì)算出潛熱功率為568W，潛熱效率為568W/600W=95%。

對(duì)比工況一的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，空氣濕度由65%增加至85%或降低至45%后，潛熱效率由94%變化為94%或95%，基本無(wú)變化。

3.4.4 不同空氣溫度的影響。工況五、工況六分別將工況一的空氣溫度由27℃降低至18℃、升高至32℃。表6 和圖5 給出了工況五的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表7 和圖6 給出了工況六的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從上述圖表可知，稱重器示數(shù)仍呈線性下降趨勢(shì)，直線的斜率即區(qū)間汽化速率波動(dòng)穩(wěn)定，全局汽化速率為14.8g/min。

圖6 工況六實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 工況五試驗(yàn)結(jié)果

表7 工況六試驗(yàn)結(jié)果

圖5 工況五實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合0.1MPa 下水沸騰時(shí)的汽化潛熱為2257.6kJ/kg,可計(jì)算出潛熱功率為558W，潛熱效率為558W/600W=93%。

從上述圖表可知，稱重器示數(shù)仍呈線性下降趨勢(shì)，直線的斜率即區(qū)間汽化速率波動(dòng)穩(wěn)定，全局汽化速率為15.0g/min。結(jié)合0.1MPa 下水沸騰時(shí)的汽化潛熱為2257.6kJ/kg, 可計(jì)算出潛熱功率為564W，潛熱效率為564W/600W=94%。對(duì)比工況一的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，空氣溫度由27℃降低至18℃、升高至32℃后，潛熱效率由94%變化為93%或94%，基本無(wú)變化。

3.4.5 不同汽化形式的影響。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]，在空氣溫度在22℃至28℃的變化區(qū)間，輸入電功率為450W 的蒸發(fā)式電加濕器的潛熱效率在48%至69%之間（依據(jù)文中修正系數(shù)在1.458 至2.087 之間換算而得）。而對(duì)于前文研究的沸騰式電加濕器，功率為400W 和600W 時(shí)，潛熱效率為89%和約94%。通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)，沸騰式電加濕器的潛熱效率更高。

3.4.6 小結(jié)。對(duì)上述型號(hào)的沸騰式電加濕器通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：a 影響潛熱效率的主要因素為輸入電功率；b.空氣溫度和濕度對(duì)沸騰式加濕器潛熱效率的影響很小（±1%左右），試驗(yàn)中可忽略；c.潛熱效率高。

4 結(jié)論

通過(guò)研究得出，沸騰式電加濕器可同樣實(shí)現(xiàn)恒定的汽化速率和精確的潛熱定量。相比之下，沸騰式電加濕器潛熱效率的主要影響因素只有輸入電功率一項(xiàng)，而蒸發(fā)式電加濕器有輸入電功率和空氣溫度兩項(xiàng)，因此前者具有如下優(yōu)勢(shì)：a.影響因素單一，可避免由于車(chē)內(nèi)空氣溫度變化而導(dǎo)致電加濕器輸入電功率的隨動(dòng)調(diào)節(jié)；b. 潛熱效率高；c.升溫速率大，可減少因?qū)﹄娂訚衿餮a(bǔ)水帶來(lái)的升溫等待時(shí)間；d.標(biāo)定工作可擺脫環(huán)境艙的限制，在常溫環(huán)境下即可進(jìn)行。然而，沸騰式電加濕器亦存在如下不足：a.工作時(shí)水在容器中沸騰，存在燙傷、溢水等安全隱患；b.因汽化速率較大導(dǎo)致增加補(bǔ)水頻次，加大了員工工作量。綜上，在使用沸騰式電加濕器過(guò)程中，應(yīng)設(shè)法降低因其不足帶來(lái)的不利影響，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到提高軌道客車(chē)空調(diào)試驗(yàn)水平的目的。