基于散流器的盐雾箱饱和加湿技术研究

马平昌，刘玥，高飞，芮鹏，崔英伟，路梓照

（1.北京强度环境研究所，北京 100076；2.天津航天瑞莱科技有限公司北京分部，北京 101102）

盐雾试验箱是用来模拟产品和材料在实际应用中经历的盐雾腐蚀环境，以考核产品和材料在有盐雾腐蚀气体环境条件下的腐蚀情况，从而为评价、研究、筛选、预估和提高产品材料的使用寿命与防腐蚀能力提供依据[1]。盐雾腐蚀试验箱主要由箱体、喷雾系统、干燥系统、湿度系统、控制系统等组成[2-3]，其中饱和加湿桶是盐雾试验箱喷雾系统中非常重要的部件[4-5]。饱和加湿桶的主要作用是对过滤后的压缩空气进行加热加湿，从而一方面防止压缩空气进入试验箱内引起温度的波动和变化，另一方面防止未饱和的压缩空气经过盐雾喷嘴进行盐雾喷射时出现盐雾结晶[6]。目前工业使用的饱和加湿桶，根据其对压缩空气的加热方式可以划分为干式加热、半湿式加热以及湿式加热方式。其中，干式加热方式采用封闭管路浸没在高温水中进行压缩空气加热；半湿式加热方式使压缩空气经过饱和加湿桶上方空腔，进行加热加湿；湿式加热方式将压缩空气通入饱和加湿桶内高温水中，进行加热加湿。干式加热仅对压缩空气进行加热，而未进行加湿，半湿式加热对压缩空气加热的同时尽管也进行了一定的加湿，但其加湿效率低，因此经过干式加热和半湿式加热饱和桶的压缩空气均处于未饱和状态。当未饱和的压缩空气与盐溶液混合喷射时，喷嘴处可能会产生盐雾结晶，一方面会引起喷嘴堵塞，另一方面会导致盐雾试验箱内沉降的盐雾含盐浓度升高。湿式加热方式使空气和水充分接触，使压缩空气完成加热，并达到饱和状态，但是传统的湿式加热方式在空气通入水的过程中，容易形成水滴飞溅，并随气流进入雾化喷嘴，最终可能导致盐雾试验箱内沉降的盐雾含盐浓度降低。盐雾箱内沉降盐雾的含盐浓度的升高或降低均会严重影响试验结果[7-8]，且不符合相关国标要求[9]。

目前关于饱和加湿桶的研究较少，并且主要关注饱和桶加热温度对盐雾箱内温度稳定性的影响[10]，实际上饱和加湿桶的加湿性能对于盐雾试验结果具有很重要的影响，因此提升饱和加湿桶的加湿性能具有很重要的意义。本文对饱和加湿桶压缩空气入口和出口进行结构设计，入口采用散流器，结合湿式加热的方式，在保证饱和加湿桶的加湿性能的同时，有效抑制了饱和加湿桶内水滴飞溅，出口设置气水分离器，对饱和湿空气再次进行气水分离，从而形成较为“洁净”的饱和湿空气。

1 组成及工作原理

饱和加湿桶主要包括桶体、电加热器、水温传感器、液位计、压缩空气进气/出气口，去离子水补水/排水口，如图1所示。设计散流器，使用直管连接由压缩空气入口伸入至饱和加湿桶液面下方，空气由散流器分散流出后，进入带有温度的水中进行对流换热，完成湿式加热。加热、加湿后的压缩空气经过出口前置的气水分离器实现可能出现的飞溅液滴的过滤，最终形成“洁净”的饱和湿空气由出气口流出。

图1 饱和加湿桶组成Fig.1 Composition of saturated barrel

散流器是提高饱和加湿桶加湿效率的重要部件，剖面结构如图2所示。压缩空气通过入口进入散流器内部，并由环向分布的散流口流出，达到气流分散的作用，从而增大气流与饱和桶内去离子水的接触面积，有效提高加湿效率。散流器气流出口位置设计预混流道，预混流道成呈收缩-扩张型面，用于加速压缩空气。预混流道喉道位置设置虹吸口，利用高速流动气体产生的负压原理将散流器下方去离子水虹吸进入散流器，实现气水预混，有效利用散流器下方去离子水的同时，增加压缩空气与去离子水的接触行程与时间，从而进一步提升加湿效率。此外，当分散气流在自由液面逸出时，会发生气泡破裂，形成微雾，弥漫的水雾粒子在饱和桶上部气腔空间形成高湿度环境，有利于再次提升压缩空气湿度。散流器的设计与应用通过上述3重作用，可以实现压缩空气的高效加湿。

图2 散流器剖面结构Fig.2 Sectional structure of diffuser

气水分离器剖面结构如图3所示。经过加温、加湿的湿空气沿气水分离器下部锥形型面流动，流动温湿空气携带的飞溅液滴由于惯性沿型面飞出，而温湿空气则通过2次结构导流折弯，进入气水分离器内部，并最终由出口流出，形成“洁净”的饱和湿空气。

图3 气水分离器剖面结构Fig.3 Sectional structure of gas water separator

2 试验测试及性能分析

饱和加湿桶湿式加热性能的关键在于散流器的设计，通过对比直通型湿式加热和散流器型湿式加热，从而验证散流器的作用，两者出气孔初始插入液面深度一致。散流器型湿式加热如图4所示，压缩空气直接通过带有一定温度的去离子水中。由图4可知，压缩空气进入去离子水中产生了较大的浪涌现象，水滴飞溅严重，压缩空气在水中无法形成稳定的流动，导致饱和加湿桶湿式加热性能的波动较大，并且出口容易携带飞溅水滴。散流器型湿式加热如图5所示，压缩空气通过散流器散流后进入去离子水中。由图5可知，气流通过散流器环向出口分散进入去离子水中，气流在水中形成稳定的流动，并且液面平稳，未发生浪涌飞溅，因此散流器具有很好的稳流和抑制液滴飞溅的作用。此外，散流器对气流的分散增大了压缩空气与去离子水的接触面积，有效提升了加湿效率。

图4 直通型湿式加热Fig.4 Straight through type wet heating

图5 散流器型湿式加热Fig.5 Diffuser type wet heating

饱和加湿桶有水温控制，因此气流经过散流器的分散和稳定后，在水中的加热过程可以等效为恒温壁面加热（如图6所示），气流通过与通道水温壁面对流换热实现升温。

图6 散流器湿式加热等效模型Fig.6 Equivalent model of diffuser wet heating

气流与热壁之间的热交换满足式（1）关系：

式中：Ti为压缩空气入口温度；To为压缩空气出口温度；Tw为等效恒温水壁温度；h为气流与水壁之间的对流换热系数；A为气流通道换热面积。

式（1）整理后可写成式（2）：

由式（2）可知，压缩空气出口温度To与饱和桶内水温Tw呈线性关系，其斜率k和截距b均与有关。其中，k随的增大而减小，b随的增大而增大。

为进一步验证饱和加湿桶加温、加湿性能，搭建性能测试系统，如图7所示，测试结果如图8所示，其中压缩空气供气压力与流量直接相关。由图8可知，在不同供气压力下，饱和加湿桶出口气流温度与水温基本呈线性关系，与式（2）一致，并且随着供气压力的增大，出口气温随水温变化的斜率k逐渐减小，而初始截距b逐渐增大。这表明随着供气压力的增大，供气流量qa增大，此时气流热容增量相对于换热系数的增量更大，即随供气压力的增大而增大。

图7 性能测试系统Fig.7 Performance test system

图8 饱和加湿桶湿式加热性能Fig.8 Wet heating performance of saturated barrel

实际工程实践中，很多操作者认为饱和加湿桶温度即为压缩空气温度，并通过压缩空气绝热膨胀的压力-温度关系确定盐雾试验时饱和加湿桶的设定温度[8]。事实上，由图8可知，饱和加湿桶温度始终大于出口气流温度，并且随着饱和桶温度的增加和供气压力的增大，饱和加湿桶内水温与出口气流温度的差别越来越大。因此，盐雾试验时，为克服喷雾时由于气流温度影响而引起的温度波动，饱和加湿桶的设定温度需要同时考虑压缩空气绝热膨胀的压力-温度关系和不同压力、温度下的加热效果。

饱和加湿桶出口湿度受气流量、气流温度和加湿效率的综合影响。由图8可知，同一供气压力，即同一气流量下，出口湿度随饱和桶内水温的升高而增大。这是由于水温升高会促进水分子热运动，有利于提高气流加湿效率。同样温度下，相同湿度所需的绝对加湿量随气流流量增加而增大。因此，在较大供气压力下，出口气流可达到的相对湿度整体偏低。随着水温的升高，较大供气压力的气流出口温度在高饱和桶水温下反而低于小供气压力气流，温度降低会导致相同湿度所需的绝对加湿量减小。因此，在温度和气流量的共同影响下，较高水温下不同供气压力下的出口气流湿度偏差变小。

由图8可知，供气压力为50 kPa时，饱和加湿桶出口气流的相对湿度在不同温度下均可达到90%以上；供气压力为150 kPa时，饱和加湿桶出口气流的相对湿度在不同温度下均可达到83%以上，且试验过程出口流道无明水喷射，因此结合散流器和气水分离器的湿式加热饱和加湿桶具有良好的加湿性能。在较大供气压力下，出口气流可达到的相对湿度相对偏低，实际操作中可以根据气流量需求，通过提高饱和加湿桶温度设定值，使压缩空气在较高温度下达到近饱和状态，在沿程温降接近目标温度后，逐渐达到饱和状态。此外，饱和桶的容积、高度、进排气规格均会影响饱和加湿桶的湿式加热效率，因此实际工程应用中饱和加湿桶规格还要根据盐雾设备的大小及空压机排气量来进行设计计算，以达到最优的加温、加湿效果。

3 结论

通过对饱和加湿桶压缩空气入口和出口进行结构设计，采用散流器、气水分离器、湿式加热相结合的方式，形成高效、“洁净”的高温饱和湿空气。通过试验测试，得到如下结论：

1）使用散流器分散气流，可以使气流在水中形成稳定的流动，并且有效抑制气流直通液面的浪涌现象，避免液滴飞溅产生。此外，散流器对气流的分散增大了压缩空气与去离子水的接触面积，有效提升了湿式加热的效率。

2）不同供气压力下，饱和加湿桶出口气流温度与水温基本呈线性关系，与理论分析一致，并且在大流量供气条件下，流量引起的热容增量相对于换热系数增量更大。饱和加湿桶温度始终大于出口气流温度，并且随着饱和桶温度的增加和供气压力的增大，饱和加湿桶内水温与出口气流温度的差别越来越大。

3）同一供气压力下，出口气流湿度随饱和桶内水温的升高而增大；在同样温度下，出口气流湿度随供气压力的增大而降低，并且供气压力不同导致出口气流湿度偏差随水温的升高逐渐减小。

4）供气压力为50～150 kPa时，饱和加湿桶出口气流的相对湿度在不同温度下均可达到83%～90%，且试验过程出口流道无明水喷射。

5）在较大供气压力下，出口气流可达到的相对湿度整体偏低。因此，在实际工程应用中，一方面可通过提高饱和加湿桶温度设定值以达到目标要求；另一方面，饱和加湿桶规格还要根据盐雾设备的大小及空压机排气量来进行设计计算，以达到最优的加温、加湿效果。