本文重點(diǎn)介紹一種基于干空氣自動(dòng)補(bǔ)償增壓的防凝露解決方案，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方案的可行性。

環(huán)境應(yīng)力篩選中濕度的控制

1.溫度箱內(nèi)氣體絕對(duì)濕度的影響因素

影響箱內(nèi)氣體露點(diǎn)的根本因素是箱內(nèi)氣體的相對(duì)濕度和氣體的氣壓。但箱內(nèi)氣體的絕對(duì)濕度為零或很低時(shí)，箱內(nèi)氣體在溫度下限以上將不會(huì)出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。而箱內(nèi)絕對(duì)濕度與箱內(nèi)氣體的初始含水量、干空氣的補(bǔ)充速度、箱內(nèi)外的氣體交換速度等因素都有關(guān)系。下面具體分析箱內(nèi)氣體絕對(duì)濕度的幾個(gè)影響因素：

干空氣的置換速度

設(shè)：進(jìn)入溫度箱內(nèi)的干燥空氣可以瞬時(shí)間與箱內(nèi)原有氣體均勻混合，f1為任意時(shí)刻絕對(duì)含濕量（g/kg），f0為初始絕對(duì)含濕量（g/kg），v為箱體體積，Q為干燥空氣的進(jìn)氣量（m3/s），t為時(shí)間（s）。則：箱內(nèi)氣體含濕量f1的變化量滿足以下的微分方程：

解方程（1）可得：

考慮箱內(nèi)干燥空氣與原有氣體混合需要一定的時(shí)間以及其它因素，可以將式（2）修正為：

式中：

t-修正系數(shù)，它與干空氣的流量、箱體大小及結(jié)構(gòu)、箱體的密封性能因素有關(guān)。

可見(jiàn)，一定體積的溫度箱，通過(guò)干燥空氣置換的方法來(lái)降低箱內(nèi)氣體含濕量時(shí)，箱內(nèi)氣體的含濕量是按指數(shù)規(guī)律變化的，箱內(nèi)氣體含濕量越低，含濕量降低的速率越慢；要盡快降低箱內(nèi)氣體的絕對(duì)濕度，應(yīng)加大干空氣的進(jìn)氣量Q。

箱內(nèi)氣溫的變化

箱內(nèi)氣溫的變化在箱內(nèi)產(chǎn)生兩方面的影響：改變箱內(nèi)氣壓、改變箱內(nèi)氣體的相對(duì)濕度。這兩方面的影響最終都將影響箱內(nèi)外水蒸氣的交換。

設(shè)：加速箱體是密封的，P0為箱內(nèi)初始?xì)鈮海ㄔO(shè)為大氣壓）,箱內(nèi)容積氣體的初始質(zhì)量為m0 ，T0初始溫度，則一定容積V0內(nèi)的氣體，氣壓P與氣體質(zhì)量m、溫度T的關(guān)系為：

由式（4）得：

要防止箱外水蒸氣進(jìn)入箱內(nèi)，則箱內(nèi)氣壓變化△P1=P-P0≥0。   

當(dāng)箱內(nèi)氣體降溫，即時(shí)△T＜0，△m＞0。因此，必須向箱內(nèi)補(bǔ)充至少△m質(zhì)量的同溫度的干空氣，才能使箱內(nèi)的氣壓大于外界大氣壓P0。

由以上分析可知：當(dāng)箱內(nèi)氣溫降低時(shí)，要防止箱外水蒸氣進(jìn)入箱內(nèi)，必須往箱內(nèi)充入足量的干空氣，充入的干空氣量滿足：△m＞(m/T). ∣△T∣。

箱內(nèi)氣體流速的變化

箱內(nèi)氣體流速的變化影響箱內(nèi)氣壓分布的不均勻，它可以使箱內(nèi)局部區(qū)域產(chǎn)生相對(duì)于箱外大氣壓的負(fù)壓區(qū)，使箱外水蒸氣加速進(jìn)入箱內(nèi)。

忽略箱內(nèi)氣體密度的變化，則箱內(nèi)氣體流速v與氣壓P的關(guān)系為：

于是，氣體流動(dòng)引起的氣壓變化△P2為：

可見(jiàn)，在箱內(nèi)氣體流速較快的地方，氣壓較低，容易在該區(qū)域出現(xiàn)氣壓小于大氣壓的負(fù)壓區(qū)。因此，箱內(nèi)中心區(qū)域的靜氣壓P應(yīng)滿足P＞P0+∣△P2∣，這樣才能保證箱內(nèi)氣體不會(huì)出現(xiàn)低于外界大氣壓的負(fù)壓區(qū)，從而防止外界空氣經(jīng)縫隙進(jìn)水蒸氣入箱體內(nèi)。

2.溫度箱內(nèi)氣體濕度控制的實(shí)驗(yàn)及其結(jié)論

假設(shè)篩選的上下限溫度為(-10∽+50)℃，要保證溫度箱內(nèi)不出現(xiàn)凝露，必須保證2個(gè)條件：

①試驗(yàn)初期狀態(tài)的試驗(yàn)箱內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度高于-10℃，絕對(duì)含水量為1.59g/kg，即在常溫條件下達(dá)到溫度25℃，相對(duì)濕度8%。

保證試驗(yàn)初期狀態(tài)的試驗(yàn)箱內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度高于-10℃，一般采用向試驗(yàn)箱內(nèi)注入干燥空氣，干燥空氣機(jī)處理后的空氣干燥度一般可以達(dá)到25℃，相對(duì)濕度1%，絕對(duì)含水量0.19 g/kg，露點(diǎn)溫度可以達(dá)到-35℃，根據(jù)式（2）或式（3）估算補(bǔ)充干空氣所需的時(shí)間。

②在試驗(yàn)期間保證箱內(nèi)的空氣和外面的空氣沒(méi)有交換，避免試驗(yàn)箱外含水量高的濕空氣進(jìn)入箱內(nèi)，從而保證箱內(nèi)氣體的絕對(duì)含水量控制在一定限制以下。

為滿足條件②，需要保證試驗(yàn)箱內(nèi)的氣壓永遠(yuǎn)高于環(huán)境大氣壓，影響氣壓變化的主要因素有溫度變化、溫度箱內(nèi)的風(fēng)速，以及外界干燥空氣的補(bǔ)充速度。通過(guò)干空氣的補(bǔ)充來(lái)調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣體，可以利用式（5）和式（7）來(lái)進(jìn)行估算一定溫變速率和氣體流速條件下，補(bǔ)充干空氣的流量大小。

為了驗(yàn)證本文理論分析的有效性和可行性，我們?cè)?立方米的常規(guī)快速溫度變化箱和進(jìn)行密封處理的低氣壓箱中進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)：

1）注入干空氣置換實(shí)驗(yàn)及其效果

干燥空氣機(jī)處理后的空氣干燥度為25℃，相對(duì)濕度0.01%，以160L/min的速率向1立方米快速溫度濕度變化濕熱試驗(yàn)箱箱內(nèi)注入處理后的干燥空氣置換試驗(yàn)箱內(nèi)的濕空氣，2h后也只能達(dá)到30℃，15%RH（見(jiàn)圖2，露點(diǎn)溫度為0℃），理論上30min內(nèi)可以達(dá)到25℃，相對(duì)濕度0.1%。

造成干燥空氣置換不充分有兩個(gè)原因，一是干燥空氣進(jìn)入箱體后沒(méi)有得到充分混合就排出，因?yàn)檫@是一個(gè)漸次混合-排出的循環(huán)過(guò)程，導(dǎo)致延遲了干燥時(shí)間；二是箱體的密封不好，干燥空氣的流量小不足以使得有間隙的地方都能向外排出，有的間隙地方還會(huì)向箱內(nèi)流動(dòng)，而要大流量的干燥空氣是比較困難，所以第二種原因是影響的主要因素，要解決這個(gè)問(wèn)題先分析下箱體的結(jié)構(gòu)，箱體存在這較多不密封的因素：

防止氣壓升高的壓力平衡孔、加濕水系統(tǒng)的管路、預(yù)留進(jìn)行檢測(cè)的引線孔、軸流風(fēng)機(jī)的軸處的密封、制冷蒸發(fā)器的管路處的密封、門的密封等，排除上述因素影響后，以低氣壓箱結(jié)構(gòu)按照上述條件1h后達(dá)到常溫27℃，相對(duì)濕度0%（見(jiàn)圖3），說(shuō)明箱體的密封的好壞直接影響到初始狀態(tài)的干空氣處理效果。

圖2 達(dá)到30℃，15%RH

圖3 達(dá)到27℃，0%RH

2）增加箱內(nèi)氣壓法防止箱外水蒸氣進(jìn)入箱內(nèi)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在試驗(yàn)前干燥空氣置換掉試驗(yàn)箱內(nèi)的濕空氣，還需要保證試驗(yàn)箱外的濕空氣不再進(jìn)入到試驗(yàn)箱內(nèi)，這樣，可以確保試驗(yàn)箱內(nèi)的露點(diǎn)溫度足夠高而不至于產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，這需要試驗(yàn)箱內(nèi)存在氣流交換的間隙地方氣壓永遠(yuǎn)高于環(huán)境大氣壓，一組循環(huán)過(guò)程中沒(méi)有注入和注入干空氣提升箱內(nèi)的壓力的對(duì)比圖見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 10℃，15%露點(diǎn)溫度僅能達(dá)到-5℃

圖5 -10℃，3.4%，露點(diǎn)溫度為-40℃，絕對(duì)含水.054g/kg

環(huán)境應(yīng)力篩選中濕度控制的工程設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的試驗(yàn)分析與研究，要防止環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)中凝露問(wèn)題需要在幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)：

 1.試驗(yàn)箱門的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照低氣壓箱的結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行密封和強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，強(qiáng)度可以降低，同時(shí)，門處只是考慮到了負(fù)壓時(shí)門的密封性好，正壓時(shí)門的密封性很差。所以，需要對(duì)其門的密封進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少注入的干燥空氣的流失，預(yù)防箱內(nèi)壓力難以保持正壓造成內(nèi)外空氣的交換。

2.濕度控制設(shè)計(jì)

考慮到在升溫的時(shí)候需要減壓保持箱內(nèi)的壓力不至于過(guò)高，還需要有排氣的位置，避免壓力過(guò)高損壞產(chǎn)品，在降溫的時(shí)候需要增壓保持箱內(nèi)的壓力不至于過(guò)低，這就需要補(bǔ)充干燥空氣，避免壓力過(guò)低將箱外的濕空氣吸進(jìn)箱內(nèi)導(dǎo)致濕度升高。經(jīng)驗(yàn)值認(rèn)為試驗(yàn)箱內(nèi)壓力高于試驗(yàn)箱外壓力2kPa對(duì)裝備產(chǎn)品沒(méi)有影響。因此，試驗(yàn)箱箱體設(shè)計(jì)有可以控制的防止壓力升高/降低的壓力平衡裝置2個(gè)，一個(gè)用于高溫降到低溫過(guò)程時(shí)補(bǔ)充干燥氣體，一個(gè)用于低溫升到高溫時(shí)排放膨脹氣體。

在壓力平衡裝置箱體端處增加壓力傳感器，在控制面板上擴(kuò)展壓力測(cè)試界面，并設(shè)定容差范圍，超出容差時(shí)給電磁閥通斷信號(hào)，進(jìn)行排氣/充氣，保障壓力一直高于環(huán)境大氣條件壓力2kPa。

在試驗(yàn)箱內(nèi)加裝配置溫度濕度一體化傳感器，在控制面板上擴(kuò)展?jié)穸葴y(cè)試界面，在進(jìn)行試驗(yàn)前的干燥空氣預(yù)處理時(shí)，可以觀察到試驗(yàn)箱內(nèi)的濕度情況能夠達(dá)到常溫狀態(tài)下，濕度為0，延遲30min后有聲響提示，工作人員只有觀察干燥處理達(dá)到時(shí)才開始進(jìn)行試驗(yàn)，并且，在試驗(yàn)過(guò)程中可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度濕度情況，確保試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣干燥。

3.增加一臺(tái)空壓機(jī)和空氣干燥處理機(jī)

處理的能力可以達(dá)到100L/min，絕對(duì)含水量為近似為0，在預(yù)處理時(shí)通過(guò)電磁閥控制置換試驗(yàn)箱內(nèi)的濕空氣，在試驗(yàn)過(guò)程中箱內(nèi)壓力達(dá)不到時(shí)補(bǔ)充干燥空氣提高箱內(nèi)壓力，均在控制器中編程控制，具有干燥空氣注入濕度達(dá)到0并延時(shí)1h后，提示可以進(jìn)行正式試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)壓力檢測(cè)信號(hào)控制電磁閥的開關(guān)，達(dá)到保證箱內(nèi)正壓的功能。

引用本文：吳豪，李建剛，江思杰. 環(huán)境應(yīng)力篩選中濕度控制的研究[J].環(huán)境技術(shù)，2020，227(5):117-122.

專家簡(jiǎn)介：吳豪，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，男，本科，工程師，主要從事環(huán)境與可靠性試驗(yàn)技術(shù)工作。