蒸汽發(fā)生器蒸汽量的精確控制方法研究

陳旭波 余云加 葉江勇

（1.廣州廣電計(jì)量檢測股份有限公司，廣州 510656；2.廣電計(jì)量檢測（武漢）有限公司，武漢 430074）

乘客安全性一直是汽車設(shè)計(jì)和汽車性能測試的重點(diǎn)，影響汽車安全性的一個(gè)重要因素就是駕駛員是否有一個(gè)清晰、開闊的視野。在秋冬季節(jié)或雨雪天，由于車內(nèi)外溫差或空氣中水汽較大，車窗結(jié)霜起霧現(xiàn)象很普遍，嚴(yán)重遮擋駕駛員的視線，對(duì)安全行車十分不利。

除霜除霧性能作為國家標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)制檢測的一項(xiàng)指標(biāo)，《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)》（GB11555-2009）對(duì)汽車風(fēng)窗玻璃除霜除霧系統(tǒng)性能做出了明確的規(guī)定[1]。該標(biāo)準(zhǔn)要求在一定時(shí)間內(nèi)，必須清除覆蓋在前風(fēng)窗玻璃的某些區(qū)域內(nèi)、外表面上的霧或霜，使其恢復(fù)清晰視野。

蒸汽發(fā)生器能夠模擬1～n（n為汽車座位數(shù)）位乘客呼吸產(chǎn)生的水蒸氣，是進(jìn)行汽車風(fēng)窗除霧系統(tǒng)測試必不可少的設(shè)備?！镀囷L(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)》（GB11555-2009）對(duì)其技術(shù)性能指標(biāo)規(guī)定如下：水箱容積＞2.25L；在-3±1℃，沸點(diǎn)的熱損失≤75W；鼓風(fēng)機(jī)在50Pa的靜壓時(shí)，應(yīng)有4.2～6.0m3/min的排量；蒸汽發(fā)生器的頂部有6個(gè)直徑6.3mm的出氣孔；蒸汽發(fā)生器輸出的蒸汽量，在（-3±1）℃的條件下為n×[（70±5）g/h]。

根據(jù)分析標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，蒸汽發(fā)生器輸出的蒸汽量是一個(gè)非常關(guān)鍵的指標(biāo)，直接影響測試的結(jié)果?，F(xiàn)有的蒸汽發(fā)生器完成這個(gè)指標(biāo)有兩種方式，一種是采用流量傳感器，檢測蒸汽流量質(zhì)量，據(jù)此控制加熱功率和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；另一種方法是不使用流量傳感器，而是依據(jù)試驗(yàn)得到的數(shù)值，直接應(yīng)用算法控制加熱功率產(chǎn)生所需要的蒸汽量[2-4]。這兩種方法在應(yīng)用中都存在一些問題，使用常規(guī)蒸汽流量傳感器存在設(shè)備體積大、測量范圍小的問題；直接使用算法控制也存在控制精度差、算法復(fù)雜的問題。如何在控制算法簡單可靠、整體體積適當(dāng)?shù)囊笙?，?shí)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器的蒸汽發(fā)生量的準(zhǔn)確控制，成為擺在人們面前的重要任務(wù)。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)分析

通過對(duì)設(shè)計(jì)要求的認(rèn)真分析，筆者發(fā)現(xiàn)，為了精確地控制蒸汽發(fā)生量，需要解決以下問題。

1.1 蒸汽量的精確范圍

在《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)》（GB11555-2009）中，蒸汽量是以單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水的質(zhì)量，即質(zhì)量流量來表示，而人們?cè)跈z測時(shí)只能檢測蒸汽的體積流量，因此這里就涉及一定質(zhì)量的水轉(zhuǎn)化為一定體積的水蒸氣問題。只有確定了相應(yīng)質(zhì)量范圍內(nèi)的水轉(zhuǎn)化為水蒸氣的體積范圍，才能確定蒸汽流量傳感器的檢測范圍。

水蒸氣是水因?yàn)榧訜岫兂傻臍鈶B(tài)形式。一定質(zhì)量的水經(jīng)過加熱變?yōu)樗魵獾捏w積是不一定的，和周圍溫度和壓強(qiáng)有關(guān)。對(duì)于蒸汽發(fā)生器，其蒸汽是通過把水加熱到沸點(diǎn)產(chǎn)生的，其工作環(huán)境壓強(qiáng)也在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓附近，由此，人們可以根據(jù)理想氣體狀態(tài)公式計(jì)算出一定質(zhì)量的水通過加熱產(chǎn)生的水蒸氣體積。理想氣體狀態(tài)公式為：

式中，p為壓強(qiáng)，Pa；V為水蒸氣體積，m3；m為水的質(zhì)量，kg；T為溫度，K；R是一個(gè)比例系數(shù)，取值為461.5J/（kg·K）。

根據(jù)規(guī)范要求，蒸汽發(fā)生器需要模擬產(chǎn)生n位乘客呼吸出的水蒸氣，因此，根據(jù)式（1），人們可以計(jì)算出蒸汽發(fā)生器的蒸汽體積流量范圍，如表1所示。

表1 蒸汽體積

其中，n取值為1～7，可以滿足七座小型客車的測試要求；壓強(qiáng)取0.1MPa和0.2MPa兩種情況，可以完全覆蓋蒸汽發(fā)生器工作壓強(qiáng)范圍；溫度取值和蒸汽發(fā)生器加熱裝置有關(guān)，一般使用的都為內(nèi)置電熱絲加熱的普通容器，蒸汽離開出口后溫度并不會(huì)很高，因此溫度取值為3檔，分別是90℃、98℃和105℃。

從表1可以看出，當(dāng)環(huán)境壓力為0.1MPa，溫度范圍為90～105℃，n為1～7時(shí)，產(chǎn)生的蒸汽體積范圍在0.111～0.916m3；而當(dāng)環(huán)境壓力為0.2MPa，其他條件相同時(shí)，蒸汽體積范圍在0.054～0.458m3。由此可以得知，在n≤7的情況下，蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽體積流量在0.054～0.100m3，這是選擇對(duì)應(yīng)流量傳感器的關(guān)鍵參數(shù)。

1.2 蒸汽產(chǎn)生的方式

《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)》（GB11555-2009）給出了蒸汽的產(chǎn)生裝置示意圖，如圖1所示。該裝置中蒸汽的產(chǎn)生是在儲(chǔ)水箱中直接采用加熱元件進(jìn)行加熱的方法來實(shí)現(xiàn)的。該裝置由于結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，便于加工和組裝，是當(dāng)前蒸汽發(fā)生器的主流形式。通過市場調(diào)研，現(xiàn)有的蒸汽發(fā)生器基本都采用了這種結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)雖然具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足之處。一是加熱元件對(duì)容器內(nèi)全部的水進(jìn)行加熱，會(huì)導(dǎo)致出汽速度緩慢，加熱效率較低；二是隨著加熱的進(jìn)行，容器內(nèi)的水質(zhì)量逐漸減少，對(duì)于加熱元件來說，產(chǎn)生同樣流量的水蒸氣所需的加熱功率也是逐漸變化的，相應(yīng)的控制算法比較復(fù)雜，特別是對(duì)于沒有使用蒸汽流量傳感器的蒸汽發(fā)生裝置來說，由于沒有蒸汽流量信息的反饋，需要考慮水量、加熱時(shí)間等與其他參數(shù)的關(guān)系，情況十分復(fù)雜，很容易導(dǎo)致蒸汽量控制不準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖1 加熱裝置示意圖

為了加快蒸汽產(chǎn)生速度，減小控制算法復(fù)雜度，提高蒸汽輸出量的控制精度，人們需要對(duì)現(xiàn)有蒸汽產(chǎn)生的方式進(jìn)行改進(jìn)。

2 解決方法

從以上分析可以看出，蒸汽輸出量的精確控制涉及流量傳感器的選擇以及蒸汽產(chǎn)生的不同方式。為了達(dá)到《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)》（GB11555-2009）的要求，人們可以采取以下措施解決以上兩個(gè)問題。

2.1 確定合適的蒸汽流量傳感器

市場上氣體流量傳感器有很多種，經(jīng)過廣泛調(diào)研和分析，能夠應(yīng)用于濕、熱環(huán)境下，檢測蒸汽的流量傳感器只有渦街流量傳感器。渦街流量計(jì)是在流體中安放一根（或多根）非流線型阻流體（Bluff Body），流體在阻流體兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則的旋渦，在一定的流量范圍內(nèi)旋渦分離頻率與管道內(nèi)的平均流速成正比，通過采用各種形式的檢測元件測出旋渦頻率就可以推算出流體的流量。渦街流量傳感器的原理如圖2所示。

圖2 渦街傳感器原理

渦街流量傳感器具有一些特點(diǎn)：輸出為脈沖頻率，其頻率與被測流體的實(shí)際體積流量成正比，不受流體組分、密度、壓力和溫度的影響；無可動(dòng)部件，壽命長，可靠性高；測量范圍寬，一般可達(dá)10:1以上；結(jié)構(gòu)簡單牢固，安裝方便，維護(hù)費(fèi)用較低；應(yīng)用范圍廣泛，可適用于液體、氣體和蒸汽。

渦街流量傳感器一般應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，適用于大流量和大流速的情況，根據(jù)對(duì)蒸汽發(fā)生器蒸汽流量的分析，現(xiàn)有的渦街流量傳感器不能直接應(yīng)用于蒸汽發(fā)生器，而必須采用定制的方法。根據(jù)分析的結(jié)果，確定的定制渦街流量傳感器參數(shù)為：口徑DN50；流量范圍0.05～1.00m3/h；量程比20:1；輸出為4～20mA信號(hào)。定制的渦街流量傳感器如圖3所示。

圖3 定制的渦街流量傳感器

2.2 加熱裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

常規(guī)加熱裝置具有出汽速度慢、加熱控制算法復(fù)雜等問題[5-6]。為了解決這些問題，從加快出汽速度的角度考慮，在加熱功率一定的情況下，加熱的水的質(zhì)量越少，出汽速度就越快；從降低加熱控制算法復(fù)雜度的角度來說，每次對(duì)固定質(zhì)量的水加熱能夠極大地減小控制參數(shù)之間的復(fù)雜性，進(jìn)而降低算法的復(fù)雜度。

因此，可以從改進(jìn)加熱裝置的結(jié)構(gòu)出發(fā)，將原來一體式的儲(chǔ)水-加熱形式改變?yōu)閮?chǔ)水-加熱分離式設(shè)計(jì)。每次加熱的水的質(zhì)量很少，可以很快將水汽化，解決常規(guī)加熱裝置出汽速度慢的問題，而每次加熱時(shí)，進(jìn)入加熱體內(nèi)的水質(zhì)量基本一樣，因此又大大降低了加熱控制算法復(fù)雜度。同時(shí)，分離式的儲(chǔ)水-加熱式設(shè)計(jì)由于加熱速度快，也可以選擇較低功率的加熱元件，有利于節(jié)能環(huán)保。體積更小的加熱裝置也有利于保溫的設(shè)計(jì)，降低對(duì)應(yīng)的熱損失。最后，分離式設(shè)計(jì)也有利于增加蒸汽發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性。采用的小型加熱器如圖4所示。

圖4 小型加熱器

3 結(jié)語

本文給出了提高蒸汽量控制精度的思路和方法，從《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)》（GB11555-2009）中蒸汽發(fā)生裝置的性能參數(shù)出發(fā)，分析了關(guān)鍵的蒸汽輸出量參數(shù)，采用理想氣體狀態(tài)公式確定了蒸汽輸出量的體積流量范圍，為選擇蒸汽流量傳感器確定了思路。通過分析當(dāng)前的加熱裝置形式，采用儲(chǔ)水-加熱分離形式的小型加熱裝置，不僅能夠加快蒸汽產(chǎn)生速度，而且能夠降低蒸汽發(fā)生器的控制算法復(fù)雜度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽輸出量的精確控制。