雾化与水浴混合加湿实验装置研制

秦汝祥，徐同震，刘雅瑞，高伟，陈文涛，周亮

(1.安徽理工大学 能源与安全学院， 安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室， 安徽 淮南 232001；3.安徽理工大学 机械工程学院， 安徽 淮南 232001)

0 引言

水分对煤低温氧化有着重要影响，空气湿度能否影响煤低温氧化进程，进而影响煤自燃，是一个值得关注的问题。为获得不同相对湿度的空气，国内相关学者及研究机构在针对空气湿度对煤自燃特性的影响进行研究时，设计和选用了不同类型的加湿装置。张辛亥等[1]自主设计了水浴加湿装置进行煤自燃的临界空气湿度研究，该装置通过水浴加湿实现了空气小流量范围内的加湿。肖旸等[2]采用超声波雾化方式设计了空气加湿装置，能快速实现空气的精准加湿，但需要手动控制加湿气体出口的开启与关闭。冯晋荣[3]直接选用雾化加湿器并对其改进组装实现空气的加湿处理，配制的湿空气一定程度上受到所选装置的影响。Ma Dong等[4]为配制不同相对湿度空气进行煤自燃与空气湿度关系的实验研究，在实验前使用市场成品加湿设备对空气加湿处理后放入瓶中储存，进而获得不同相对湿度空气进行后续实验研究，这样配制的湿空气由于经历二次保存，在进行实验时空气相对湿度难免会发生变化，产生误差，影响后续实验的准确性。

从以上文献可看出，这些加湿装置基本是采用单一加湿方式，存在加湿精度较低、加湿变化范围较小、未完全实现自动化加湿等问题。为实现空气加湿的精准变化与自动化控制，本文依据空气与水接触的热湿交换原理[5]，在分析现有高压雾化加湿系统基础上，提出水浴与高压雾化相结合的混合加湿方法，研制了一套加湿精度高、操作简单的混合加湿实验装置。该装置主要用于实验室内研究空气湿度不同时与煤的低温氧化之间存在的关联性。

1 混合加湿实验装置加湿方法及运行原理

测试发现雾化加湿与水浴加湿相互组合能够起到较好的加湿效果。水浴加湿时，空气进入水中，形成大小不一的空气泡，在这些空气泡表面，水气边界层很容易发生分子扩散与紊流扩散，从而产生热质交换。水浴加湿效果因空气泡大小、空气泡在水中停留的时间而不同[6]。高压雾化加湿是一种等焓加湿方式，采用高压泵将水压提升到一定压力后，经雾化喷嘴喷射出去，形成细小水雾与空气接触，实现空气的等焓加湿[7]。采用水浴和高压雾化相结合的混合加湿方式，扩大了装置的湿度调节范围。

空气通过空气泵进入密封箱体内实现加湿，空气泵和流量计根据实验需求调节进入装置的空气流量。通过进气管进入箱体的空气与装置底部的水接触，实现水浴加湿。水浴加湿后的空气从水面出来后继续与箱体内经过高压雾化的水雾接触，从而实现了高压雾化加湿。装置出气口处装有湿度控制器，湿度控制器根据需要可以进行不同相对湿度的设置，能够对装置内的空气进行实时检测。湿度控制器将检测到的数据反馈到常闭电磁阀开关控制处，电磁阀收到反馈后控制阀门开启与关闭。当空气相对湿度达到实验要求时，阀门开启，加湿完成。如此循环往复，保证加湿后的空气恒定输出。

2 混合加湿实验装置结构及其加湿过程

2.1 装置整体结构

雾化与水浴混合加湿实验装置结构如图1所示，主要包括高压雾化加湿系统和水浴加湿系统，利用常闭电磁阀、湿度控制器及调节装置等调节控制装置内的空气加湿量。雾化加湿系统由雾化喷嘴、挡水导流板、高压喷雾机等组成，水浴加湿系统由空气泵、流量计、进气管、金属格网、进排水管路、泄水口等组成。

图1 混合加湿实验装置结构

2.2 高压雾化加湿系统

高压雾化加湿系统中雾化装置选用型号为JDT-12A的全自动型喷雾机，其具有噪声低、能够进行缺水保护和雾化性能稳定的优点。雾化喷嘴采用压力型陶瓷微晶锆喷嘴，孔径为0.3 mm，喷雾量为0.002 5 kg/s，雾化粒径为5～15 μm。不同粒径的喷雾对空气加湿过程会产生不同影响，陶瓷微晶锆喷嘴雾化以后的颗粒细微，能实现水雾与空气充分接触。装置顶部和侧面均装有雾化喷嘴，与箱体呈90°垂直安装。箱体内的雾化喷嘴采用顶部和侧面的安装方式，能实现侧喷和逆喷的双选择加湿方式，加湿时主要使用顶部喷嘴逆喷加湿，逆喷加湿具有较好的加湿效果[8-10]。根据不同的加湿方式选择不同喷嘴管路阀门的开启与关闭。高压雾化装置实物如图2所示。

(a) 高压喷雾机

(b) 雾化喷嘴

2.3 水浴加湿系统

水浴加湿系统主要通过空气在水面下与水接触实现加湿。水浴加湿系统中，金属格网被安装在水面以下，通过进气管进入箱体的气泡在金属格网作用下被均分形成细小空气泡，增大了空气泡的表面积，使空气与水能够充分接触进而实现空气加湿。装置内部装有进排水管路，进排水管路在装置内的管口略高于水面，装置外部管口与内部管口处于同一水平面上，箱体内的水通过外部进排水口进入。由于进排水管路采用的是等高U型管路的设计方式，当水位达到设定高度时，无法再继续增高，这样也保证了箱体具有较高的密封性。装置底部装有泄水口，实验结束后排出箱体内部的水。水浴加湿系统结构如图3所示。

图3 水浴加湿系统结构

3 混合加湿实验装置箱体结构尺寸

箱体尺寸主要取决于加湿方式。加湿装置的最高加湿目标为空气相对湿度为98%。由空气与水接触的热湿交换原理可知，空气与水进行热质交换时间较长，水浴加湿不能完全达到实验要求的湿度，因此，通过高压雾化加湿弥补这一缺陷。高压雾化的理想加湿效果与多个因素有关：首先，与喷出的水雾粒径有关，粒径越小，加湿效果越好；其次，与加湿段长度有关，高压雾化加湿效果最好的长度范围为0.45～1.1 m[11-12]。基于选用的雾化加湿系统，对雾化喷嘴辐射范围进行实验测定，发现雾化后的辐射直径约为30 cm，故箱体的宽度选为30 cm。继续进行实验发现，进气管上孔洞的大小和间距影响水浴加湿后空气含湿量，因此，为实现更好的水浴加湿效果，进气管上孔洞按不同距离分配。对进气管孔洞实行不同间距分配后测试发现，当箱体的长度为60 cm时，装置既能保证进气管孔洞出来的气体相互之间不产生干扰，同时也能保证箱体内水雾的均匀分配，实现空气均匀加湿。综合上述分析，箱体的长、宽、高定为60 cm×30 cm×60 cm。

4 加湿量计算

在密封箱体内进行高压雾化加湿需考虑多方面因素对加湿效果的影响，国内外相关学者研究发现，经高压雾化进入箱体内的水分并不能完全被吸收，所以，必须考虑高压雾化加湿的喷雾量和能被空气吸收的有效加湿量[13-15]。高压雾化加湿量是指在标准工况下，喷出水雾在单位时间内被空气吸收的水量(又称为有效加湿量)。喷雾量是指雾化加湿器在正常工作状态下，单位时间内(通常指每小时)所有喷嘴喷出水雾总和。

喷雾有效加湿量的计算公式为

E=ρQ(X2-X1)K

(1)

式中:E为有效加湿量， kg/s；ρ为空气的密度，ρ=1.2 kg/m3；Q为新风量，m3/s；X1为加湿前空气的含湿量，kg/kg干空气；X2为加湿后空气的含湿量，kg/kg干空气；K为安全系数，K=1.1。

所需喷雾量的计算公式为

W=E/η

(2)

式中：W为喷雾量， kg/s；η为加湿效率，对于全新风组来说，η=33%。

根据式(1)和式(2)，不同工况下空气参数及加湿量见表1。

表1 空气参数及其有效加湿量

由表1可知，空气加湿需要的喷雾量范围为0.000 14 ～0.001 8 kg/s，选定的雾化喷嘴喷雾量为0.002 5 kg/s，设计符合实验要求。

5 湿度检测与调控装置

箱体装有湿度控制器和湿度调节装置，湿度控制器测湿范围为0～99%RH,控制精度为0.1%RH，能够实现箱体内空气加湿量的精准测试，湿度调节装置能对目标空气相对湿度完成调节，空气相对湿度调节范围为20%～98%。实验时，只需通过调整湿度控制器数值，设置需要配制空气的相对湿度，同时调节流量计控制通入装置内空气的流量，湿度调节装置就可根据设置目标对加湿后的空气相对湿度进行调节，点击启动按钮后加湿装置自动运行实现不同流量空气的快速加湿。装置启动后，湿度控制器根据实验设定参数检测箱体内空气相对湿度的变化，当空气相对湿度达到实验设定值时，湿度控制器产生感应，将感应到的信号反馈到常闭电磁阀开关控制处，电磁阀收到反馈后，控制箱体出气口打开，达到设置要求的湿空气通过箱体出气口进入下一实验装置。若箱体内部空气相对湿度未达到实验要求，湿度控制器继续运行检测，电磁阀门关闭，箱体始终处于密封状态，直至空气相对湿度达到设定值以后电磁阀门开启。通过湿度控制器能对加湿后的空气进行快速感应，从而实现了空气加湿的精准控制。湿度控制器具体运行原理如图4所示。

图4 湿度控制器运行原理

6 装置运行可靠性验证

对研制的雾化与水浴混合加湿实验装置进行实验测试，判断其加湿运行的可靠性。为确保实验结果的可靠性，始终保持装置入口空气相对湿度为20%。通过改变装置入口的通风量以及目标相对湿度，观测在不同通风量下的空气湿度变化情况，每组实验测试多组，然后求取平均值进行分析，具体测试结果见表2。由表2可知，装置内加湿后平均相对湿度与目标相对湿度的误差小于3%，说明该加湿装置的加湿精度较高，能实现不同范围空气的加湿需求。当空气流量发生改变时，装置加湿效果不受影响，能够继续完成空气的精准加湿，满足了不同通风量下空气的加湿需求。

表2 不同通风量下的空气湿度测试结果

7 结论

(1) 雾化和水浴混合加湿实验装置依据空气与水直接接触时的热湿交换原理，采用等焓加湿方式，将水浴加湿和高压雾化加湿相结合，既缩短了空气加湿时间，又实现了大范围空气加湿处理。

(2) 实验装置操作简单，内部设计安装了闭环参数检测与调控装置，根据实验要求设置好相应参数后只需启动开关，装置就能自动运行实现空气的加湿处理。

(3) 空气是在一个密封箱体内加湿，结合湿度控制器实时感应加湿后的空气湿度，能保证加湿后的空气湿度达到实验设计要求，降低了后续实验误差。