汽車除霧試驗(yàn)用蒸汽發(fā)生器的校準(zhǔn)方法

蘇 衡，陳 曦，韓艷祥，王海軍

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300300）

汽車風(fēng)窗玻璃除霧試驗(yàn)所用的蒸汽發(fā)生器是模擬人體呼出氣體的設(shè)備，該設(shè)備所發(fā)生的蒸汽量較小，不同于工業(yè)洗滌行業(yè)的大產(chǎn)汽量蒸汽發(fā)生器，該設(shè)備對(duì)于參數(shù)要求較高。中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)有專門的標(biāo)準(zhǔn)方法用于規(guī)范蒸汽發(fā)生器的使用參數(shù)，以保障汽車除霧裝置性能測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確一致［1］。

對(duì)于汽車除霜除霧性能要求，國標(biāo)與EEC標(biāo)準(zhǔn)均作出了明確要求。在試驗(yàn)進(jìn)行特定時(shí)間段內(nèi)，應(yīng)將玻璃上特定比例面積的霜除凈［2］。國內(nèi)外行業(yè)技術(shù)人員對(duì)汽車除霜除霧性能試驗(yàn)方法進(jìn)行多種優(yōu)化。任崗等人通過傳統(tǒng)除霜除霧性能的測(cè)試方法，對(duì)汽車除霜除霧性能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行分析，優(yōu)化了汽車空調(diào)除霜除霧性能測(cè)試方法［3］；瞿曉華和陳江平利用Fluent軟件，建立CFD模型對(duì)除霜效果進(jìn)行分析，并與環(huán)境除霜試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證［4］；張曉蘭通過模擬空調(diào)的除霜過程對(duì)不同風(fēng)道下汽車玻璃除霜性能進(jìn)行了分析［5］。業(yè)內(nèi)技術(shù)人員通過對(duì)試驗(yàn)方法的各種優(yōu)化使汽車除霜除霧性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，其除霜除霧性能的評(píng)估與霧氣和霜量的多少有直接關(guān)系，因此有必要在試驗(yàn)前確認(rèn)霧氣發(fā)生裝置的設(shè)備參數(shù)，以保證霧量的準(zhǔn)確性。

目前中國沒有汽車除霧試驗(yàn)用的蒸汽發(fā)生器的檢定規(guī)程或計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范，導(dǎo)致國內(nèi)各試驗(yàn)室間的除霜除霧系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)存在差異，CNAS-CL01-A005《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力認(rèn)可準(zhǔn)則在汽車和摩托車檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用說明》規(guī)定了除霜試驗(yàn)用噴槍和除霧用蒸汽發(fā)生器的核查頻次。目前已有的除霜試驗(yàn)用噴槍和除霧用蒸汽發(fā)生器的期間核查方法校準(zhǔn)方法，尚不能滿足相關(guān)計(jì)量校準(zhǔn)的需求，因此有必要進(jìn)行相關(guān)校準(zhǔn)方法的研究。

1 汽車除霧試驗(yàn)用蒸汽發(fā)生器簡(jiǎn)述

雨雪天氣下，汽車車窗玻璃形成的霜霧會(huì)嚴(yán)重影響到駕駛員的視野，對(duì)駕駛?cè)藛T跟乘車人員的安全造成嚴(yán)重的威脅，因而汽車空調(diào)系統(tǒng)除霜除霧效果好壞跟汽車安全評(píng)價(jià)有著直接的關(guān)系。

GB 11555-2009《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》對(duì)汽車除霜除霧試驗(yàn)設(shè)備與測(cè)試方法進(jìn)行了概述。蒸汽發(fā)生器包括絕熱儲(chǔ)水箱，該箱體內(nèi)安裝有加熱元件，儲(chǔ)水箱頂部為擴(kuò)散室，擴(kuò)散室連接有風(fēng)機(jī)且擴(kuò)散室側(cè)板沿周向均布有擴(kuò)散孔，其內(nèi)部有豎向布置的噴嘴，噴嘴的下端與儲(chǔ)水箱的內(nèi)腔相連通，噴嘴的上端與所述擴(kuò)散室相連。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示［1］。能夠精確控制蒸發(fā)量，滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

JB/T8959-1999蒸汽發(fā)生器設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其能耗比與產(chǎn)氣量的測(cè)定方法，此設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中提到的蒸汽發(fā)生器適用于工業(yè)洗滌等行業(yè)的電加熱式發(fā)生器［6］。不同于汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)涉及的蒸汽發(fā)生器，主要區(qū)別如下。

1）產(chǎn)汽量范圍不同。JB/T 8959是針對(duì)工業(yè)洗滌行業(yè)的蒸汽發(fā)生器出的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，此設(shè)備產(chǎn)汽量比較大；汽車玻璃除霜除霧試驗(yàn)中所用設(shè)備主要是針對(duì)汽車檢測(cè)行業(yè)的蒸汽發(fā)生器做的規(guī)范，這種蒸汽發(fā)生器作用是模擬人在車?yán)锖舫龅恼羝?，產(chǎn)汽量非常小，所以參數(shù)要求也比較高。

2）方法要求不同。本文提到的蒸汽發(fā)生器校準(zhǔn)方法中所設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)項(xiàng)目也包含蒸汽量和熱損失，但主要是針對(duì)汽車除霜除霧試驗(yàn)的蒸汽發(fā)生設(shè)備，依據(jù)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是GB11555-2009，該標(biāo)準(zhǔn)中明確指出沸點(diǎn)熱損失要低于75W，有明確的數(shù)值要求，而非比例。況且JB/T8959標(biāo)準(zhǔn)中，沒有規(guī)范壓力的測(cè)量方法，無法滿足汽車玻璃除霜除霧試驗(yàn)?zāi)芰z測(cè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。且其蒸汽量的測(cè)得方法直接用蒸汽流量計(jì)讀出，對(duì)于大產(chǎn)汽量的蒸汽發(fā)生器可能誤差可以接受，但是針對(duì)人呼出的氣體量，誤差過大，無法滿足試驗(yàn)需求。

3）使用環(huán)境條件不同。JB/T8959規(guī)定的大產(chǎn)汽量蒸汽發(fā)生器，明確要求周圍環(huán)境溫度范圍為（0～40）℃，而除霜除霧試驗(yàn)要求蒸汽發(fā)生器的所處車內(nèi)溫度為-3℃±1℃，所以校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)須在-3℃下進(jìn)行。JB/T8959的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)不適用于汽車檢測(cè)行業(yè)的除霜除霧試驗(yàn)。

圖1 蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

2 計(jì)量特性

蒸汽發(fā)生器的水箱盛水量決定蒸汽的可持續(xù)輸出時(shí)間，沸點(diǎn)的熱損失關(guān)系到蒸汽發(fā)生器加熱裝置將水加熱的熱效率，鼓風(fēng)機(jī)排量與蒸汽輸出速率有關(guān)，而蒸汽輸出量大小對(duì)應(yīng)的是除霧試驗(yàn)中模擬車上乘客的數(shù)量。以上幾個(gè)參數(shù)對(duì)于除霧試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性有很大影響。而GB 11555-2009《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》規(guī)定蒸汽發(fā)生器鼓風(fēng)機(jī)排量為（4.2～6.0）m3/h，在50Pa靜壓下，最大允許誤差0.1m3/h［1］，因此對(duì)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)采用以上幾個(gè)項(xiàng)目作為其校準(zhǔn)項(xiàng)目。

計(jì)量特性主要包括以下內(nèi)容。

1）蒸汽發(fā)生器的盛水量≥2.25L，最大允許誤差±0.1L。

2）沸點(diǎn)熱損失≤75W，在（-3±1）℃下，最大允許誤差±1W。

3）鼓風(fēng)機(jī)排量（4.2～6.0）m3/h，在50Pa靜壓下，最大允許誤差0.1m3/h。

4）蒸汽輸出量為n×70g/h，在（-3±1）℃下，n為汽車座位數(shù)，最大允許誤差為±5g/h。

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)儀器

1）燒杯/量筒：精度無要求。

2）微壓計(jì)：（-2.5～2.5）kPa，0.05級(jí)及以上。

3）分析天平：（0～32）kg，二級(jí)及以上。

4）鉑電阻溫度計(jì)：二等及以上。

5）空氣風(fēng)速儀：0.01m/s。

6）秒表：等級(jí)為合格及以上。

3.2 校準(zhǔn)方法

3.2.1 蒸汽發(fā)生器盛水量

將蒸汽發(fā)生器水放空，放置在天平上去皮稱量。將室溫下純水用量筒注入蒸汽發(fā)生器儲(chǔ)水箱至最大刻度。觀察天平示數(shù)記錄質(zhì)量m，則盛水量V=m/ρ水。其中ρ水通過查表獲得。

3.2.2 熱損失

稱量一定質(zhì)量純水至蒸汽發(fā)生器水箱然后用密封蓋密封，將密封的蒸汽發(fā)生器放置于焓差實(shí)驗(yàn)室中，加熱蒸汽發(fā)生器中水至97℃停止加熱；利用鉑電阻溫度計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量水溫，當(dāng)溫度降低至95℃時(shí)開始計(jì)時(shí)，至溫度降低至90℃，記錄時(shí)間為τ1；至溫度降低至85℃，記錄時(shí)間為τ2；至溫度降低至80℃，記錄時(shí)間為τ3；根據(jù)公式φ=（cp×m×ΔT）/τ計(jì)算熱損失。

3.2.3 風(fēng)機(jī)靜壓

將做好的工裝連接在被測(cè)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口，工裝為和風(fēng)機(jī)出風(fēng)口同口徑的長(zhǎng)管，其管壁上開靜壓孔，連接靜壓測(cè)量裝置。

3.2.4 風(fēng)機(jī)排量

利用空氣風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)道中流速，按Gv=3600Au計(jì)算排量，其中Gv為體積流量（m3/h），A為風(fēng)道出口截面積，u為風(fēng)道出口流速（m/s）。

3.2.5 蒸汽輸出量

將蒸汽發(fā)生器置于分析天平上，記錄蒸汽發(fā)生器總質(zhì)量m1，打開噴嘴出口，調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器電壓，將蒸汽發(fā)生器內(nèi)水加熱，開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)τ秒后記錄總質(zhì)量m2，計(jì)算每小時(shí)的蒸汽輸出量為3600×（m1-m2）/τ。

4 試驗(yàn)方法討論

對(duì)儲(chǔ)水箱盛水量進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)儲(chǔ)水箱要求為大于2.25L即可，由于本文采用稱量法計(jì)算注入儲(chǔ)水箱的水體積，量筒或者燒杯只是用于水的轉(zhuǎn)移。故對(duì)量筒或燒杯的精度并無具體要求。但是稱量法要求注入水之前須確保儲(chǔ)水箱是完全放空的狀態(tài)。在對(duì)儲(chǔ)水箱進(jìn)行盛水量校準(zhǔn)試驗(yàn)之前做放水處理時(shí)應(yīng)盡量使水全部排出。

對(duì)蒸汽發(fā)生器的熱損失進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，要確保蒸汽發(fā)生器處于密封狀態(tài)。將校準(zhǔn)過程分為3段，分別計(jì)算其熱損速率最后以3次測(cè)量平均值作為其最終結(jié)果。

對(duì)風(fēng)機(jī)靜壓進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，需要針對(duì)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口進(jìn)行工裝加工。工裝為口徑與蒸汽發(fā)生器蒸汽出風(fēng)口口徑一致的管路，管路上靜壓測(cè)量孔應(yīng)在管路指定的同一截面壁上，沿圓周方向均勻打4個(gè)孔。該孔必須垂直于管壁，管與孔的交界處內(nèi)壁面須平滑，無毛刺，不致產(chǎn)生堵塞，從而影響氣體流速。根據(jù)氣體的情況，孔的直徑應(yīng)盡量小，且最大孔徑不得超過3mm［7］。

對(duì)蒸汽發(fā)生器蒸汽輸出量進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，由于采用稱量法進(jìn)行校準(zhǔn)，蒸汽出風(fēng)口液化附在設(shè)備上的小水珠會(huì)造成測(cè)量結(jié)果偏小。針對(duì)此種情況，可以在測(cè)量過程中使用氮?dú)鈽尨祾哒羝ù祾叻较虿荒苷龑?duì)著出風(fēng)口且氮?dú)饬魉俨灰诉^大），使蒸汽快速遠(yuǎn)離蒸汽發(fā)生器，避免凝結(jié)水珠。

5 結(jié)束語

本文對(duì)用于汽車風(fēng)窗除霧試驗(yàn)的蒸汽發(fā)生器進(jìn)行了校準(zhǔn)方法的研究，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)需求，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)情況提出了一套完整的校準(zhǔn)方案，對(duì)于提高汽車風(fēng)窗除霧裝置性能測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性有一定的意義。