馬平昌，劉玥，高飛，芮鵬，崔英偉，路梓照

（1.北京強度環(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）

鹽霧試驗箱是用來模擬產(chǎn)品和材料在實際應用中經(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，從而為評價、研究、篩選、預估和提高產(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過濾后的壓縮空氣進行加熱加濕，從而一方面防止壓縮空氣進入試驗箱內(nèi)引起溫度的波動和變化，另一方面防止未飽和的壓縮空氣經(jīng)過鹽霧噴嘴進行鹽霧噴射時出現(xiàn)鹽霧結晶[6]。目前工業(yè)使用的飽和加濕桶，根據(jù)其對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在高溫水中進行壓縮空氣加熱；半濕式加熱方式使壓縮空氣經(jīng)過飽和加濕桶上方空腔，進行加熱加濕；濕式加熱方式將壓縮空氣通入飽和加濕桶內(nèi)高溫水中，進行加熱加濕。干式加熱僅對壓縮空氣進行加熱，而未進行加濕，半濕式加熱對壓縮空氣加熱的同時盡管也進行了一定的加濕，但其加濕效率低，因此經(jīng)過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)。當未飽和的壓縮空氣與鹽溶液混合噴射時，噴嘴處可能會產(chǎn)生鹽霧結晶，一方面會引起噴嘴堵塞，另一方面會導致鹽霧試驗箱內(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程中，容易形成水滴飛濺，并隨氣流進入霧化噴嘴，最終可能導致鹽霧試驗箱內(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嚴重影響試驗結果[7-8]，且不符合相關國標要求[9]。

目前關于飽和加濕桶的研究較少，并且主要關注飽和桶加熱溫度對鹽霧箱內(nèi)溫度穩(wěn)定性的影響[10]，實際上飽和加濕桶的加濕性能對于鹽霧試驗結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。本文對飽和加濕桶壓縮空氣入口和出口進行結構設計，入口采用散流器，結合濕式加熱的方式，在保證飽和加濕桶的加濕性能的同時，有效抑制了飽和加濕桶內(nèi)水滴飛濺，出口設置氣水分離器，對飽和濕空氣再次進行氣水分離，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、壓縮空氣進氣/出氣口，去離子水補水/排水口，如圖1所示。設計散流器，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，進入帶有溫度的水中進行對流換熱，完成濕式加熱。加熱、加濕后的壓縮空氣經(jīng)過出口前置的氣水分離器實現(xiàn)可能出現(xiàn)的飛濺液滴的過濾，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，剖面結構如圖2所示。壓縮空氣通過入口進入散流器內(nèi)部，并由環(huán)向分布的散流口流出，達到氣流分散的作用，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計預混流道，預混流道成呈收縮-擴張型面，用于加速壓縮空氣。預混流道喉道位置設置虹吸口，利用高速流動氣體產(chǎn)生的負壓原理將散流器下方去離子水虹吸進入散流器，實現(xiàn)氣水預混，有效利用散流器下方去離子水的同時，增加壓縮空氣與去離子水的接觸行程與時間，從而進一步提升加濕效率。此外，當分散氣流在自由液面逸出時，會發(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。散流器的設計與應用通過上述3重作用，可以實現(xiàn)壓縮空氣的高效加濕。

圖2 散流器剖面結構Fig.2 Sectional structure of diffuser

氣水分離器剖面結構如圖3所示。經(jīng)過加溫、加濕的濕空氣沿氣水分離器下部錐形型面流動，流動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2次結構導流折彎，進入氣水分離器內(nèi)部，并最終由出口流出，形成“潔凈”的飽和濕空氣。

圖3 氣水分離器剖面結構Fig.3 Sectional structure of gas water separator

2 試驗測試及性能分析

飽和加濕桶濕式加熱性能的關鍵在于散流器的設計，通過對比直通型濕式加熱和散流器型濕式加熱，從而驗證散流器的作用，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，壓縮空氣直接通過帶有一定溫度的去離子水中。由圖4可知，壓縮空氣進入去離子水中產(chǎn)生了較大的浪涌現(xiàn)象，水滴飛濺嚴重，壓縮空氣在水中無法形成穩(wěn)定的流動，導致飽和加濕桶濕式加熱性能的波動較大，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，壓縮空氣通過散流器散流后進入去離子水中。由圖5可知，氣流通過散流器環(huán)向出口分散進入去離子水中，氣流在水中形成穩(wěn)定的流動，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)過散流器的分散和穩(wěn)定后，在水中的加熱過程可以等效為恒溫壁面加熱（如圖6所示），氣流通過與通道水溫壁面對流換熱實現(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呈線性關系，其斜率k和截距b均與有關。其中，k隨的增大而減小，b隨的增大而增大。

為進一步驗證飽和加濕桶加溫、加濕性能，搭建性能測試系統(tǒng)，如圖7所示，測試結果如圖8所示，其中壓縮空氣供氣壓力與流量直接相關。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，此時氣流熱容增量相對于換熱系數(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

實際工程實踐中，很多操作者認為飽和加濕桶溫度即為壓縮空氣溫度，并通過壓縮空氣絕熱膨脹的壓力-溫度關系確定鹽霧試驗時飽和加濕桶的設定溫度[8]。事實上，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越大。因此，鹽霧試驗時，為克服噴霧時由于氣流溫度影響而引起的溫度波動，飽和加濕桶的設定溫度需要同時考慮壓縮空氣絕熱膨脹的壓力-溫度關系和不同壓力、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促進水分子熱運動，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，出口氣流可達到的相對濕度整體偏低。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，溫度降低會導致相同濕度所需的絕對加濕量減小。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，飽和加濕桶出口氣流的相對濕度在不同溫度下均可達到90%以上；供氣壓力為150 kPa時，飽和加濕桶出口氣流的相對濕度在不同溫度下均可達到83%以上，且試驗過程出口流道無明水噴射，因此結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，出口氣流可達到的相對濕度相對偏低，實際操作中可以根據(jù)氣流量需求，通過提高飽和加濕桶溫度設定值，使壓縮空氣在較高溫度下達到近飽和狀態(tài)，在沿程溫降接近目標溫度后，逐漸達到飽和狀態(tài)。此外，飽和桶的容積、高度、進排氣規(guī)格均會影響飽和加濕桶的濕式加熱效率，因此實際工程應用中飽和加濕桶規(guī)格還要根據(jù)鹽霧設備的大小及空壓機排氣量來進行設計計算，以達到最優(yōu)的加溫、加濕效果。

3 結論

通過對飽和加濕桶壓縮空氣入口和出口進行結構設計，采用散流器、氣水分離器、濕式加熱相結合的方式，形成高效、“潔凈”的高溫飽和濕空氣。通過試驗測試，得到如下結論：

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，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，飽和加濕桶出口氣流的相對濕度在不同溫度下均可達到83%～90%，且試驗過程出口流道無明水噴射。

5）在較大供氣壓力下，出口氣流可達到的相對濕度整體偏低。因此，在實際工程應用中，一方面可通過提高飽和加濕桶溫度設定值以達到目標要求；另一方面，飽和加濕桶規(guī)格還要根據(jù)鹽霧設備的大小及空壓機排氣量來進行設計計算，以達到最優(yōu)的加溫、加濕效果。