氣候試驗箱的加濕方法

通過電加熱水，使水槽內產生蒸汽，蒸汽通過噴霧管進入濕熱箱，對箱內空氣進行加濕。

從蒸汽鍋爐內出來的高于大氣壓的蒸汽進行減壓后噴入濕熱箱中進行加濕。

濕熱箱中氣流通過箱內的淺水盤表面，此溫度等于水面溫度的飽和空氣邊界區進行濕熱交換。當邊界區內蒸汽分子濃度大于流過的氣流的水蒸汽分子濃度，則為加濕，反之則為降濕。

圖上變化方向

在加濕器底部安裝超聲振子，向水中發射超聲波，使水在常溫下直接霧化，霧由濕熱箱中的風機產生的氣流送入箱中，進行加濕。

用高速旋轉風機，將水從水槽內吸出，利用離心力將水滴甩出成為極細的水粒，送入濕熱箱中，與空氣進行熱交換，吸收熱量而蒸發加濕。

由小型泵將水加壓從噴嘴向氣流中噴霧，水粒子與氣流進行熱交換，吸收空氣中的熱量而汽化變成蒸汽，進行加濕。

　　i=1.005t+d（2500+1.84t）　　　　（1）

式中：i　——　為1kg干空氣的濕空氣的焓（kJ/kg_干空氣）
　　　t　——　濕空氣的溫度（℃）
　　　d　——　濕空氣的含濕量（kg/kg_干空氣）
　　　1.005　——　空氣的定壓比熱（kJ/kg^.℃）
　　　2500　——　0℃時水的氣化潛熱（kJ/kg）
　　　1.84　——　水蒸汽的定壓比熱（kJ/kg^.℃）
　　蒸汽進入箱中后，顯然，箱內濕空氣的含濕量d和焓i都將增加。將i看作d的函數則

　　由（1）△i=△d（2500+1.84t）

　　則　　　　　　　　　　　　　　（2）

　　ε稱為熱濕比，表示濕空氣狀態變化的方向和特徵。如蒸汽噴入箱內前，箱內濕空氣的溫度為40℃，則其等溫的熱濕比方向線即斜率為ε=2500+1.84×40=2574。如果噴入箱內的蒸汽溫度為100℃，則ε′=2500+1.84×100=2684。由于ε′與ε相差只有4.3%，所以，可以認為與40℃時的等溫線近似平行，故蒸汽加濕方式基本上為等溫加濕過程。一般不會引起箱內溫度升高。
　　但是，在濕熱箱低溫高濕情況下，由于加入的蒸汽與空氣未充分混合，或與箱壁接觸而出現局部冷凝，則不僅使加入的蒸汽量減少，而且還放出熱量使箱內濕空氣溫度上升；加上前述的ε′＞ε，所以并非等溫的加濕過程，箱內溫度會有所升高。
　　蒸汽加濕如用電熱加濕，分開啟式和密閉式。開式響應性較慢，常有滯后現象，故濕度波動較大，但結構簡單可靠。閉式蒸汽壓力大于大氣壓，在0.1～0.3MPa之間，無滯后，但需配有減壓閥、電磁閥、泄水管等，結構復雜，多用于大型人工氣候室中。開式多用于中小型濕熱箱中。四達試驗儀器廠過去生產的濕熱箱用的是開式電加熱蒸汽加濕。
2.2　淺水盤加濕
2.2.1　空氣與水面直接接觸的熱濕交換原理：
　　當空氣經過敞開的水面時，與水表面發生熱濕交換。按其水溫不同，可能僅發生顯熱交換；也可能既有顯熱交換，又能濕交換，同時還有潛熱交換。顯熱交換是空氣與水之間存在溫差，因導熱、對流和輻射作用而換熱，而潛熱交換是空氣中的水蒸汽蒸發（或凝結）而吸收（或放出）汽化潛熱的結果。總熱交換量為顯熱交換量與潛熱交換量的代數和。
　　空氣與水面直接接觸時，在貼近水面上，由于水分子作不規則運動的結果，形成了一個溫度等于水面溫度的飽和空氣邊界層，且其水蒸汽分子的濃度或水汽分壓力取決于邊界層的飽和空氣溫度。
　　如邊界層的溫度高于其上空氣的溫度，則由邊界層向空氣傳熱；反之則由空氣向邊界層傳熱。如邊界層內水蒸汽分子濃度大于其上空氣的水蒸汽分子濃度（即邊界層的水蒸汽分壓力大于空氣的水蒸汽分壓力），則空氣中的水蒸汽分子數將增加；反之則將減少。前者稱為“蒸發”，后者稱為“冷凝”。在蒸發過程中，邊界層中減少了的水汽分子由水面躍出的水分子補充；在冷凝過程中，邊界層中過多的水汽分子將回到水面。
　　由此可見，空氣與水之間的顯熱交換取決于邊界層與其上方空氣之間的溫差，而濕交換及由此而引起的潛熱交換取決于二者之間水蒸汽分子的濃度差或分壓力差。

圖　1

　　當空氣與水面dF（m²）上接觸時，顯熱交換量是：dQ_x=α（t_b-t）dF（W）
式中：α —— 空氣與水表面的顯熱換熱系數（W/m^2.℃）
　　　t —— 水面上空氣溫度（℃）
　　　t_b —— 邊界層的空氣溫度（℃）　可視為等于水溫t_w。
濕交換量是：dW=β（P_qb-Q_q）dF　（kg/s）
式中：β——空氣與水表面之間按水汽分壓力差計算的濕交換系數（kg/N＊S）
　　　P_qb——邊界層的水汽分壓力（P_a）
　　　P_q——水面上空氣的水汽分壓力（P_a）
　　dW也可用含濕量差表示，即：
　　dW=σ（d_b-d）dF　　（kg/s）
式中：σ —— 空氣與水表面間按含濕量差計算的濕交換系數　（kg/m^2.s）
　　　d_b —— 邊界層空氣的含濕量（kg/kg_干空氣）
　　　d —— 水面上空氣的含濕量（kg/kg_干空氣）
　　潛熱交換量：
　　dQ_q=r^.dW=rσ（d_b-d）dF（w）
式中：r —— 溫度為t_b時水的汽化潛熱（J/kg）
　　總熱交換量：

dQ_z=［α（t_b-t）+r.σ（d_b-d）］dF　（w）　　　（3）

2.2.2　空氣與水接觸時的狀態變化過程。
　　狀態為A的空氣流經水面時，不同的水溫將產生不同的變化過程，熱濕比ε的方向會有很大的變化，見表2：

表2　空氣與水接觸時各種過程的特點

　　由表2，可以看出，不同的水溫可對流經水面的空氣加濕或減濕，增溫或降溫等不同的變化。
　　A-2過程：水溫等于露點溫度與空氣直接接觸，由于d=d_b，所以dW=0，空氣的含濕量不變，但由于t＞t_b，所以有顯熱交換，空氣向水面傳熱而溫度下降。
　　A-6過程：水溫等于干球溫度與空氣直接接觸，由于t=t_b，所以空氣的顯熱量不變，但由于d＜d_b，空氣將被加濕。
　　此外，A-1為減濕降溫，A-7為加濕升溫。故在氣候試驗箱中，可用淺水盤加濕的方式對箱內的空氣進行加濕、減濕、升溫、降溫處理。
　　淺水盤加濕不僅在濕熱箱中常用，而且在霉菌試驗箱中（CO₂培養箱也有采用），由于美軍標規定“不應直接把新鮮蒸汽噴入試驗箱的工作空間，因為這可能給試樣和微生物的活性帶來有害的影響”，也多采用。
2.3　水噴霧加濕法
　　超聲波加濕、離心噴霧加濕及水泵噴淋加濕，其加濕的原理是相同的。在各種環境試驗設備中，常用于人工氣候箱、植物生長箱（室）中。一般，由于水溫低于室溫，故經過噴淋處理后的空氣為降溫增濕過程。
　　如果改變水溫，則箱（室）內空氣的溫濕度變化也將像淺水盤加濕一樣，有各種變化。
　　超聲波加濕器、離心噴霧加濕器一般均應直接置于試驗箱的工作室內，其周圍環境溫度不宜超過40℃，濕度不宜超過95%R＊H，故不宜在濕熱箱中采用，而常用于植物生長箱中。
　　水泵噴淋的加濕能力大，但加濕效率低，常用于大型植物生長室中。六十年代的濕熱箱也有用水泵噴淋加濕的，如重慶試驗設備廠生產的CS301型調溫調濕箱。

3　淺水盤加濕用于濕熱箱的有關問題
3.1　淺水盤加濕的結構
　　如圖示，在濕熱箱中，水盤一般置于箱底部的后面或側面的空調室內，箱內空氣經過水表面而得到加濕。在水盤面積已確定后，加濕量的大小主要與水溫相關，水溫愈高加濕量愈大。

圖　　2

　　　　1.水盤　　　　　　　　2.氣流
　　　　3.水位控制器4.冷卻管
　　　　5.溢流管6.電磁閥
　　　　7.加熱管

　　在高低溫交變濕熱箱中，由于要作低溫試驗，此時電磁閥6開啟，可將水盤中水全部排出。
　　當需作低濕試驗時，可分流一部分氟利昂在冷卻管4中蒸發吸熱，將水溫冷卻到空氣的露點溫度以下，則空氣的濕度將逐漸減少。
　　重慶四達實驗儀器廠已經采用此種結構，達到了較好的效果。
3.2　淺水盤表面散濕量W

W=β（P_qb-P_q）F　（kg/s）　　　　（4）

式中：P_qb ——相應于水表面溫度下的飽和空氣的水蒸汽分壓力　P_α
　　　P_q —— 空氣中水蒸汽分壓力（指試驗箱內空氣）（P_α）
　　　F —— 水盤表面積（m²）
　　　β —— 蒸發系數（kg/N^.s）
　　　β=（α+0.00363V）×10^-5
　　　B —— 標準大氣壓即101325（P_α）
　　　B′ —— 當地實際大氣壓（P^α）
　　　α ——不同水溫下的擴散系數（kg/N^.s）在其上空氣溫度為20～30℃時其值見表3
　　　υ —— 流經水面的空氣流速（m/s）

表　3

　　　　　　　　N=W（iq-ctw）　（kw）　　　　　　（5）

式中：W —— 蒸汽發生器量（kg/s）
　　　iq —— 蒸汽的焓（kJ/kg）
　　　iq=2500+1.84t
　　　t —— 蒸汽的溫度（℃）
　　　tw —— 進水溫度（℃）
　　　C —— 水的比熱。C=4.187（kJ/kg^.℃）
3.3　濕熱箱用淺水盤加濕的設計原則
　　從公式（4）可以看出，由于為一常量，故蒸汽發生量即加濕能力的大小取決于蒸發系數β，分壓力差（P_qb-P_q），及水盤表面積F。故設計時應考慮以下幾點：
3.3.1　在濕熱箱有效設置水盤處，盡量加大水盤表面積F；
3.3.2　在試驗方法允許的情況下，提高水面上的風速，以增大蒸發系數β。例如，當水溫40℃，風速1m/s變為2.5m/s，其β值的變化,可見風速從1m/s提高到2.5m/s,β′=1.58β，這樣，蒸發量就提高了58%；
3.3.3　增大分壓力差（P_qb-P_b）也能增大加濕量W。但是，只有提高水盤中水的溫度才能提高P_qb，增加分壓力差。水溫過高，甚至需要達到90℃以上，則此時的淺水盤加濕的優點已不存在，其加濕已與蒸汽加濕相同，而且與蒸汽加濕相比還多了一個重要缺陷，即箱內空氣將得到水的顯熱量而升溫，加濕過程成為升溫加濕。
　　在處于恒溫恒濕階段的濕熱箱中，不希望在加濕的同時加入過多的熱量，這樣將有產生溫度控制不住而發生超溫的危險。尤其對沒有制冷部件的恒溫恒濕箱，用淺水盤加濕更需精心設計。
3.3.4　減少濕熱箱在恒溫恒濕階段的需濕量。在恒溫狀態下，加熱量大小取決于濕熱箱圍護結構等的漏熱多少，減少漏熱就可以減少加熱量。與加熱一樣，在恒濕狀態下，減少箱內水蒸汽的冷凝和泄漏，就可以減少加濕量，從而可降低水溫，使之成為等溫加濕或甚至降溫加濕過程，使設備在恒溫恒濕階段，不會因加濕而超溫。
3.4　淺水盤降濕
　　前面已經說明，當水盤中水的溫度低于濕熱箱中空氣的露點溫度時，就可以除去空氣中部份含濕量，使空氣的相對濕度降低，如欲使箱內空氣恒定在30℃20%R＊H，其露點溫度為4℃，只要將水溫降至4℃以下，經過一段時間后如無其它情況，就可能將箱內原來的濕度逐漸降到20%R＊H。水盤中冷卻管的制冷功率，應按除濕量計量。
　　以上討論的加濕方法，只要應用得當，均可在氣候試驗箱中使用，得到滿意的結果。不過，對中、小型氣候試驗箱，采用淺水盤加濕，結構較簡單、可靠、無噪聲。如果需要的話，還可降濕。確為一種較好的方法。