王云霄 于會龍 張永鑫 譚文才

（1、中車長春軌道客車股份有限公司磁浮研究所，吉林 長春 130000 2、中車長春軌道客車股份有限公司基礎研發(fā)部，吉林 長春 130000）

1 概述

在軌道客車的空調(diào)試驗中，需要模擬車上人員的散熱量（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。以歐洲標準EN 13129、EN 14750、EN 14813 為例，由于文中未限定將水汽化的形式，因此不論通過蒸發(fā)或是沸騰何種形式產(chǎn)生水蒸氣均不違背上述標準的規(guī)定。通過調(diào)研，目前國內(nèi)相關實驗室主要采用蒸發(fā)式電加濕器，而沸騰式加濕器的應用相對較少。電加濕器工作時產(chǎn)生的熱量，除用于汽化水所需的潛熱外，不可避免地會有其余熱量（即附加顯熱）通過電加濕器表面散至車內(nèi)。為了在試驗中精確模擬人員的潛熱和顯熱，除測得輸入電功率P 外，還應已知潛熱功率PL在輸入電功率中的占比（下文簡稱為潛熱效率）、即rL=PL/P。潛熱效率數(shù)值越高，代表單位時間內(nèi)輸入電能轉化為潛熱的比率越高，而附加顯熱的比率越低。試驗過程中，分別將P·rL和P·(1-rL)計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)、可通過大氣壓和溫度查表而得，因此只需要測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。中車青島四方車輛研究所有限公司曾對的此類電加濕器進行專門研究[1-2]：經(jīng)大量實驗得出電加濕器在不同輸入電功率和不同空氣溫度兩個變量下的功率修正系數(shù)矩陣表，對采用同類電加濕器進行的空調(diào)試驗具有指導性意義。

2.2 沸騰式電加濕器

為了通過實驗研究沸騰式電加濕器的潛熱效率，對影響汽化速率的因素作如下分析：一旦電加濕器型式確定，其開口尺寸和隔熱性能即已固定；空調(diào)試驗時車內(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因素進行實驗研究。

3 沸騰式電加濕器潛熱效率的測定

3.1 實驗原理

在常壓下將水加熱至充分沸騰后，使用稱重器測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。通過相鄰兩條及首末兩條記錄的重量差和時間差，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算出潛熱功率，并結合已知的輸入電功率計算出潛熱效率。

3.2 實驗工具

實驗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）、計時器、可調(diào)壓電源及環(huán)境艙等。同時，將實驗工具放置至風速較小的區(qū)域或架設擋風工裝，近似模擬車內(nèi)微風速環(huán)境。

3.3 實驗方案

根據(jù)空調(diào)試驗車內(nèi)空氣溫濕度的調(diào)節(jié)范圍，取溫度工作點為18℃、27℃和32℃，取濕度工作點為45%、65%和85%。將實驗方案列于表1 中。

表1 試驗方案

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

3.4 實驗結果

3.4.1 基準工況

表2 和圖1 給出了工況一的實驗結果。

圖1 工況一實驗結果

表2 工況一試驗結果

從上述圖表可知，稱重器示數(shù)呈線性下降趨勢，直線的斜率即區(qū)間汽化速率波動穩(wěn)定，全局汽化速率為14.9g/min。結合0.1MPa 下水沸騰時的汽化潛熱為2257.6kJ/kg,可計算出潛熱功率為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 給出了工況二的實驗結果。

表3 工況二試驗結果

圖2 工況二實驗結果

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

對比工況一的實驗結果可知，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 給出了工況三的實驗結果，表5 和圖4 給出了工況四的實驗結果。

圖4 工況四實驗結果

表5 工況四試驗結果

圖3 工況三實驗結果

表4 工況三試驗結果

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

結合0.1MPa 下水沸騰時的汽化潛熱為2257.6kJ/kg,可計算出潛熱功率為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，直線的斜率即區(qū)間汽化速率波動穩(wěn)定，全局汽化速率為15.1g/min。

結合0.1MPa 下水沸騰時的汽化潛熱為2257.6kJ/kg,可計算出潛熱功率為568W，潛熱效率為568W/600W=95%。

對比工況一的實驗結果可知，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 給出了工況五的實驗結果，表7 和圖6 給出了工況六的實驗結果。從上述圖表可知，稱重器示數(shù)仍呈線性下降趨勢，直線的斜率即區(qū)間汽化速率波動穩(wěn)定，全局汽化速率為14.8g/min。

圖6 工況六實驗結果

表6 工況五試驗結果

表7 工況六試驗結果

圖5 工況五實驗結果

結合0.1MPa 下水沸騰時的汽化潛熱為2257.6kJ/kg,可計算出潛熱功率為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，直線的斜率即區(qū)間汽化速率波動穩(wěn)定，全局汽化速率為15.0g/min。結合0.1MPa 下水沸騰時的汽化潛熱為2257.6kJ/kg, 可計算出潛熱功率為564W，潛熱效率為564W/600W=94%。對比工況一的實驗結果可知，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%，基本無變化。

3.4.5 不同汽化形式的影響。根據(jù)參考文獻[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）。而對于前文研究的沸騰式電加濕器，功率為400W 和600W 時，潛熱效率為89%和約94%。通過對比可見，沸騰式電加濕器的潛熱效率更高。

3.4.6 小結。對上述型號的沸騰式電加濕器通過多次實驗發(fā)現(xiàn)：a 影響潛熱效率的主要因素為輸入電功率；b.空氣溫度和濕度對沸騰式加濕器潛熱效率的影響很?。ā?%左右），試驗中可忽略；c.潛熱效率高。

4 結論

通過研究得出，沸騰式電加濕器可同樣實現(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，而蒸發(fā)式電加濕器有輸入電功率和空氣溫度兩項，因此前者具有如下優(yōu)勢：a.影響因素單一，可避免由于車內(nèi)空氣溫度變化而導致電加濕器輸入電功率的隨動調(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水帶來的升溫等待時間；d.標定工作可擺脫環(huán)境艙的限制，在常溫環(huán)境下即可進行。然而，沸騰式電加濕器亦存在如下不足：a.工作時水在容器中沸騰，存在燙傷、溢水等安全隱患；b.因汽化速率較大導致增加補水頻次，加大了員工工作量。綜上，在使用沸騰式電加濕器過程中，應設法降低因其不足帶來的不利影響，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，以達到提高軌道客車空調(diào)試驗水平的目的。