自動(dòng)空氣干燥機(jī)干燥度的計(jì)算和測(cè)量*

梅玉順，蔡 琨，許建照，酆愛(ài)國(guó)

(1. 揚(yáng)州寶軍蘇北電子有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225001；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七二三研究所， 江蘇 揚(yáng)州 225001)

自動(dòng)空氣干燥機(jī)干燥度的計(jì)算和測(cè)量*

梅玉順1，蔡 琨1，許建照1，酆愛(ài)國(guó)2

(1. 揚(yáng)州寶軍蘇北電子有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225001；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七二三研究所， 江蘇 揚(yáng)州 225001)

自動(dòng)空氣干燥機(jī)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)等電子設(shè)備中，它的功能是對(duì)波導(dǎo)去濕，以保證饋線系統(tǒng)在潮濕環(huán)境中能正常工作[1]。干燥度是其主要技術(shù)指標(biāo)，用露點(diǎn)表示。長(zhǎng)期以來(lái)，生產(chǎn)廠家都靠觀察濕度顯示器內(nèi)硅膠顏色來(lái)檢驗(yàn)干燥度，這顯然是不夠的，也不嚴(yán)謹(jǐn)，難以使用戶信服。經(jīng)過(guò)幾年摸索之后，干燥度計(jì)算和露點(diǎn)測(cè)量問(wèn)題已基本解決。這對(duì)以往的技術(shù)指標(biāo)是一次驗(yàn)證，為未來(lái)的工作提供了理論基礎(chǔ)，對(duì)類似設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。文中將在介紹自動(dòng)空氣干燥機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，敘述干燥度的計(jì)算和測(cè)量。

干燥度；絕對(duì)濕度；露點(diǎn)；相對(duì)濕度

引 言

某產(chǎn)品技術(shù)資料中沒(méi)有干燥度計(jì)算和測(cè)量方面的內(nèi)容，檢驗(yàn)僅靠肉眼，變色硅膠呈藍(lán)色或淺藍(lán)色為合格，呈紅色或粉紅色為不合格。多年來(lái)，這一方法被各個(gè)生產(chǎn)廠家普遍采用。產(chǎn)品指標(biāo)中的干燥度涉及空氣濕度和露點(diǎn)等氣象知識(shí)，查閱資料時(shí)除普通設(shè)計(jì)資料外，還須查閱環(huán)境試驗(yàn)資料、氣象資料等，包括去地方氣象臺(tái)調(diào)研。氣象臺(tái)也只能提供環(huán)境氣溫下的資料，無(wú)法提供露點(diǎn)溫度-31 ℃以下的資料，而用來(lái)表示干燥度的露點(diǎn)溫度通常都很低，常用設(shè)計(jì)資料中也只有-20 ℃以上的數(shù)據(jù)。在解決問(wèn)題的過(guò)程中，先是找到了水汽質(zhì)量密度和水汽分壓強(qiáng)即絕對(duì)濕度的換算方法，新近又找到了干燥度的計(jì)算方法。

1 自動(dòng)空氣干燥機(jī)的工作原理

自動(dòng)空氣干燥機(jī)是專為雷達(dá)等電子設(shè)備配套的小型氣源整機(jī)，其工作原理見(jiàn)圖1。

空氣壓縮機(jī)輸出的壓縮空氣氣溫可達(dá)120 ℃以上，此時(shí)壓縮空氣中的水分完全呈氣態(tài)[1]。當(dāng)冷卻器將氣溫降至40 ℃以下時(shí)，水汽即成過(guò)飽和狀態(tài)，凝成小水滴，經(jīng)分水濾氣器分離出來(lái)。但此時(shí)壓縮空氣中仍殘留少許水分和雜質(zhì)，再經(jīng)干燥筒內(nèi)燒結(jié)銅珠和分子篩的過(guò)濾和吸附，最終使壓縮空氣達(dá)到輸出前的要求。

圖1 自動(dòng)空氣干燥機(jī)工作原理圖

在整機(jī)工作過(guò)程中，兩個(gè)干燥筒輪流工作。當(dāng)一個(gè)處于吸附水分的工作狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)則處于減壓再生狀態(tài)。兩個(gè)干燥筒的工作時(shí)間由凸輪繼電器或定時(shí)轉(zhuǎn)換器自動(dòng)控制，每30 s切換一次。壓力控制器控制整個(gè)氣路的工作狀態(tài)，當(dāng)儲(chǔ)氣罐中的壓力達(dá)到預(yù)設(shè)的上限壓力時(shí)，讓壓縮機(jī)停止充氣；當(dāng)儲(chǔ)氣罐中的壓力低于預(yù)設(shè)的下限壓力時(shí)，讓壓縮機(jī)恢復(fù)充氣。當(dāng)干燥筒前的壓力過(guò)高時(shí)，空氣壓縮機(jī)輸出端的安全閥自動(dòng)溢氣，確保氣路安全。此外，輸出壓力可調(diào)，輸出氣體的干燥度通過(guò)濕度顯示器監(jiān)視。

干燥筒是自動(dòng)空氣干燥機(jī)的關(guān)鍵件，它的作用是：進(jìn)一步干燥和凈化壓縮空氣；不斷使干燥劑分子篩再生，以維持干燥作用連續(xù)不斷。干燥筒中的燒結(jié)銅珠能過(guò)濾微小的顆粒和塵埃，分子篩即硅膠吸附劑可將壓縮空氣干燥到0.03 g/m3。干燥筒結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 干燥筒結(jié)構(gòu)圖

2 干燥度的含義

工程上，空氣干燥度用露點(diǎn)表示，即指該露點(diǎn)的水汽質(zhì)量密度(g/m3)。水汽密度又稱絕對(duì)濕度，由于不易測(cè)得，習(xí)慣上常用水汽分壓強(qiáng)來(lái)表示。因此，水汽密度ρ和水汽分壓強(qiáng)e均被稱為空氣的絕對(duì)濕度。其中露點(diǎn)的水汽密度ρb被用來(lái)表示干燥度。

2.1ρ和e的關(guān)系

ρ和e雖然都被稱作空氣的絕對(duì)濕度，但它們的物理意義不同，量綱也不一樣，其關(guān)系式為

式中：t為溫度，當(dāng)以mmHg表示e、以g/m3表示ρ時(shí)，它們的值比較接近，當(dāng)t=16.4 ℃時(shí)，兩者在數(shù)值上幾乎相等。了解這一點(diǎn)有以下益處：知道其中的一個(gè)數(shù)值也就大概知道另一個(gè)數(shù)值；計(jì)算時(shí)以此作參考，可以減少出錯(cuò)。

2.2 空氣的含濕量

空氣的含濕量是指每千克質(zhì)量的干空氣中所混合的水汽的質(zhì)量(g/kg)[3]。它實(shí)際上是一個(gè)比值，跟空氣的相對(duì)濕度相似。干燥度(g/m3)與空氣的含濕量含義不同，不可混淆?？諝獾暮瑵窳恳彩且粋€(gè)常用的物理量，但它跟露點(diǎn)無(wú)關(guān)聯(lián)。

3 干燥度的計(jì)算

干燥度即為露點(diǎn)的絕對(duì)濕度，所謂露點(diǎn)的絕對(duì)濕度，這里是指濕空氣中水汽分壓強(qiáng)達(dá)到該濕度下水汽飽和壓強(qiáng)時(shí)的水汽密度，可按下式計(jì)算：

(1)

式中：Pb為飽和空氣中水汽分壓強(qiáng)，N/m2；Rs為水汽氣體常數(shù)，Rs=462.05 N·m/(kg·K)；T為熱力學(xué)溫度，K，T=273.1+t。Pb和e都是水汽分壓強(qiáng)，只是計(jì)量單位不同，e的計(jì)量單位是mmHg。

以露點(diǎn)-31℃為例，查表得飽和水汽分壓強(qiáng)Pb=0.465 mb(毫巴)，1 b(巴)=0.1×106N/m2，Pb=0.465×10-3×0.1×106N/m2，T=273.1-31=242.1 K，代入式(1)得：

4.157×10-4kg/m3≈0.42 g/m3

4 計(jì)算值與資料值比對(duì)

設(shè)計(jì)資料中沒(méi)有找到干燥度的計(jì)算公式，式(1)是依據(jù)干燥度的含義確定的。為慎重起見(jiàn)，特將能查到的資料值[4]與計(jì)算值進(jìn)行比較，現(xiàn)摘其部分列于表1。

表1 資料值與計(jì)算值比較(部分)

從表1可以看出，干燥度計(jì)算值與該露點(diǎn)的飽和水汽密度資料值很接近。檢查差值較大的表項(xiàng)，不難發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在Pb的取值上，兩種資料給出的數(shù)據(jù)有差異。比如露點(diǎn)為-20 ℃時(shí)，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[4]上Pb=0.000 1 MPa，氣象常用表[5]上e=1.30 mb≈0.000 13 MPa，兩者相差較多，計(jì)算結(jié)果也相差較多?？紤]到產(chǎn)生誤差尚有其他因素，有點(diǎn)差異當(dāng)屬正常。另外，從干燥度的含義上去認(rèn)識(shí)和理解，也能確定干燥度的計(jì)算方法沒(méi)有問(wèn)題。由于資料上只有-20 ℃以上的飽和水汽密度數(shù)據(jù)，-20 ℃以下的露點(diǎn)干燥度無(wú)法比對(duì)。

5 干燥度與相對(duì)濕度

干燥度用露點(diǎn)表示，露點(diǎn)處相對(duì)濕度為100%。若此時(shí)氣溫回升，空氣中的水汽將不再飽和，相對(duì)濕度將逐漸變小。隨著溫度升高，對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度可通過(guò)計(jì)算得到一個(gè)大概的數(shù)值。相對(duì)濕度(RH)是指在一定溫度下空氣中實(shí)際水汽分壓強(qiáng)(e)與飽和水汽分壓強(qiáng)(E)的百分比：

RH=e/E×100%

相對(duì)濕度還可表示為空氣中實(shí)際所含水汽密度和同溫下飽和水汽密度的百分比[6]。下面以露點(diǎn)-31 ℃為起點(diǎn)，對(duì)升溫后相對(duì)濕度的變化進(jìn)行計(jì)算：

已知：露點(diǎn)-31 ℃時(shí)，空氣中所含水汽密度Xb為0.42 g/m3，這是絕對(duì)濕度，不會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓兓?。?dāng)溫度由-31 ℃升至-20 ℃時(shí)，可查到同溫下飽和水汽密度為1.07 g/m3[4]，此時(shí):

RH=Xb/ρb×100%=0.42/1.07×100%≈39%

用同樣的方法，不難算出其他溫度下的相對(duì)濕度。需要注意的是，計(jì)算過(guò)程中Xb=0.42 g/m3始終不變，在這里它被當(dāng)作空氣中實(shí)際所含水汽密度。現(xiàn)將10個(gè)溫度點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果列于表2，僅供參考。

表2 10個(gè)溫度點(diǎn)的RH計(jì)算結(jié)果

6 干燥度的測(cè)量

干燥度測(cè)量屬于空氣濕度測(cè)量范疇。習(xí)慣上以露點(diǎn)-20 ℃為界，把所測(cè)氣體分為高濕度氣體和低濕度氣體，本文涉及的是低濕度氣體(即微量水)的測(cè)量。濕度測(cè)量的方法有很多種，但由于測(cè)量對(duì)象是露點(diǎn)，用露點(diǎn)儀自然最合適。露點(diǎn)可以簡(jiǎn)單地理解為使空氣中水汽達(dá)到飽和狀態(tài)的溫度，一個(gè)露點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)絕對(duì)濕度，準(zhǔn)確恒定，因此露點(diǎn)溫度被用作度量空氣水分含量。

露點(diǎn)儀包括冷鏡式、電傳感器式、電解法、晶體振蕩式、紅外、半導(dǎo)體傳感器露點(diǎn)儀等。進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)的性能和價(jià)格相差懸殊。選擇時(shí)應(yīng)先考慮適用性，當(dāng)然性價(jià)比也要考慮，質(zhì)檢部門選用的露點(diǎn)儀是HT-6292露點(diǎn)儀，這是一臺(tái)國(guó)產(chǎn)露點(diǎn)儀，滿足使用要求。

選擇露點(diǎn)儀后，干燥度的測(cè)量簡(jiǎn)單易行：將露點(diǎn)儀的接口置入被測(cè)氣體的通路中，按下測(cè)露點(diǎn)的按鈕，露點(diǎn)溫度立即顯示出來(lái)。不同露點(diǎn)儀的測(cè)量方法會(huì)有所不同，可參考使用說(shuō)明書介紹。

7 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)空氣干燥機(jī)干燥度計(jì)算的困難之處不在計(jì)算方面，而在于對(duì)干燥度的理解，在于缺乏相關(guān)資料如氣象資料。曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)這樣的情況：有絕對(duì)濕度計(jì)算公式的資料中沒(méi)有數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)的資料中沒(méi)有計(jì)算公式，且字母代號(hào)和含義也不盡相同。這就要求從原理上去理解，綜合、計(jì)算、比對(duì)，直至確定。作為生產(chǎn)廠家，有了干燥度的測(cè)量方法，似乎干燥度計(jì)算就不那么重要了，其實(shí)并非如此。露點(diǎn)儀只能測(cè)得露點(diǎn)溫度，不能告知該露點(diǎn)的飽和水汽密度，有時(shí)用戶就是需要這個(gè)數(shù)據(jù)，因此計(jì)算是必要的。

[1] 許建照, 王驍, 倪剛亮, 等. 空氣干燥機(jī)冷卻器的熱計(jì)算及分析[J]. 艦船電子工程, 2010, 30(5): 201-204.

[2] 電工電子產(chǎn)品環(huán)境技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 環(huán)境條件與實(shí)驗(yàn)(環(huán)境實(shí)驗(yàn)應(yīng)用指南)[M]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1990: 40.

[3] 左建民. 液壓與氣壓傳動(dòng)[M]. 4版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009: 202-212.

[4] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(氣壓傳動(dòng))[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

[5] 中央氣象局. 氣象常用表(第一號(hào))[M]. 北京: 中央氣象局，1974: 251-252.

[6] 許建照, 趙莉, 酆愛(ài)國(guó). 濕度、露點(diǎn)和干燥度[J]. 電子機(jī)械工程, 2009, 25(5): 25-27.

[7] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(常用設(shè)計(jì)資料)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004: 1-13.

[8] 梅玉順, 徐冬, 許建照, 等. 彈藥類物資倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)的探索和實(shí)踐[J]. 艦船電子工程, 2012, 32(9): 132-134.

梅玉順(1962-)，男，工程師，主要從事電子信息方面的研究工作。

蔡 琨(1989-)，男，助理工程師，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

許建照(1965-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電路設(shè)計(jì)工作。

酆愛(ài)國(guó)(1942-)，男，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

更 正

本刊2013年第2期第53頁(yè)的公式(1)：

Dryness Calculation and Measurement of the Automatic Air Drying Machine

MEI Yu-shun1，CAI Kun1，XU Jian-zhao1，F(xiàn)ENG Ai-guo2

(1.YangzhouBaojunSubeiCo.Ltd.，Yangzhou225001,China；2.The723rdResearchInstituteofCSIC,Yangzhou225001,China)

Automatic air drying machine is widely used in radar and other electronic equipment. It dries the waveguide to ensure that feeder system in damp environment can still work normally. Dryness is the main technical parameter that is represented by dew point. For a long time, manufacturers test dryness by observing the color of silica gel in humidity monitor. This is clearly not enough, also not precise. It is difficult to convince the customer. The problems about dryness calculation and dew point measurement are basically solved after several years′ research. This is a verification for previous technical parameter. It provides theoretical fundamentals for future work, and has some reference value for similar design. In this article, dryness calculation and measurement are discussed after introducing the working principle of automatic air drying machine.

dryness; absolute humidity; dew point; relative humidity

2012-12-10

P426.1

A

1008-5300(2013)03-0033-03