不同模式下室外超声波加湿器加湿效率分析＊

郑娇萌，李王成

不同模式下室外超声波加湿器加湿效率分析＊

郑娇萌，李王成

（宁夏大学，宁夏 银川 750021）

中国西北地区年降雨量小，气候干燥，为了更好地调节该区的局部小气候，同时了解加湿器不同工作模式下加湿效果，对室外超声波加湿器的加湿效率进行了初步探讨。利用温湿度自动记录仪实时监测湿度变化，结合试验数据分析。结果表明，“风机辅助加湿”工作模式下，短期内湿度调节效率较高，“无风机作用”工作模式下，增湿后湿度较为稳定；超声波雾化器工作时间的增加，有利于空气湿度的增大，空气湿度在短距离（1.25 m）内的增加幅度更大，超声波雾化器的加湿效率随距离的增大而逐渐降低，且在短距离（1.25 m）内的降幅更大；雾化器的数量增多一定程度上可以大幅提高加湿效率，且随着距离增大空气湿度下降幅度增大。

干旱区；室外加湿；超声波雾化；加湿效率

近年来，随着社会进步和经济发展，环境舒适度日渐受到人们的关注。其中，空气湿度是影响环境舒适度的关键因素之一。气候干燥、空气湿度不足不仅影响人们的健康和舒适性，还会影响人们生产的质量和效率。当空气湿度达到40%～60%时，人体思维、生理皆处于良好状态[1-3]。然而西北地区（以宁夏地区为例）降水量少，空气湿度小，气候干燥，在这样的环境下室外超声波加湿器加湿效率的研究就显得尤为重要。

对于雾化器目前已多有研究[4-9]，刘泽勤、赵航宇以数值模拟为基础，通过理论分析和实验验证对电陶瓷加湿器喷杆安装位置和喷嘴朝向对加湿效果的影响问题进行了探讨，证明了喷杆置于回风管中，喷嘴顺流布置和喷嘴逆流布置均可实现加湿目的[10]；侯腾彦等分析了雾化器工作时液滴破碎机理，提出影响降尘效率和水流损失的原因[11]；江峰等通过实验发现了雾滴粒径大小的决定因素是出雾口直径，分析了锥孔变形对雾滴粒径的影响，最终挑选出了雾化器最优谐振振型和谐振频率[12-14]；李福旭为了探究不同频率超声波雾化片的雾化效果，对市面上常用的不同频率的超声波雾化片进行实验测试分析，发现谐振频率为112 kHz的超声波雾化片雾化分布均匀效果最好[15]。

上述文献都从超声波雾化器谐振振型、频率和加湿器安装位置分析其对加湿效率的影响，或者仅仅分析了超声波雾化器对降尘效率的影响。目前关于超声波加湿器加湿效率与工作时间，距离和加湿器工作数量等的相关性研究较少，本实验利用温湿度自动记录仪实时监测湿度变化，分析了风机作用和加湿器工作数量与加湿效率的相关关系以及加湿效率随距离、时间的变化规律。

1 实验与方法

1.1 实验地点与方法

本实验研究位于宁夏大学室外研究点，利用超声波雾化器对空气进行湿度调节。每一个加湿装置层包含6个超声波雾化器（单个雾化器工作电压为24 V，工作频率为（1 700± 50）kHz，雾化量大于400 mL/h，雾化头直径为45 mm），6个雾化器分别放在室外加湿装置的6个雾化仓内，依据实验需求来调整加湿装置的工作方式。同时加湿装置下部安装条形风机，风机工作时可促进水雾分子的扩散。

1.2 数据来源及处理

在加湿装置周围0.5～3.0 m每隔一定距离安装温湿度自动记录仪，便于连续观测和记录空气湿度的数据变 化[16-18]。整理不同工作模式下加湿器周围的湿度数据，采用Excel软件进行数据整理和制图，对有无风机作用和加湿器工作时间、距离与加湿器加湿效率进行相关分析，分析加湿器工作数量不同情况下2 h内空气湿度的变化情况。

1.3 分析方法

将采集到的空气湿度数据进行整理。分析“六个超声波雾化器和风机同时工作”与“六个超声波雾化器工作，风机不工作”两种工作模式下，工作不同时间（15 min，30 min，…，120 min）加湿装置周围环境的湿度变化；分析“六个超声波雾化器和风机同时工作”与“六个超声波雾化器工作，风机不工作”两种工作模式下，加湿装置周围空气湿度随距离（0.5 m，1.0 m，…，3.0 m）的变化情况；分析“六个超声波雾化器和风机同时工作”与“六个超声波雾化器工作，风机不工作”两种工作模式下，工作2 h，同距离湿度观测点测得空气湿度的变化情况；分析“六个超声波雾化器和风机同时工作”与“单个雾化器和风机同时工作”两种工作模式下，加湿装置周围空气湿度随距离（0.5 m，1.0 m，…， 3.0 m）的变化情况。

2 结果与分析

2.1 “六个超声波雾化器加风机”与“六个超声波雾化器不加风机”加湿效率分析

2.1.1 六个超声波雾化器加风机工作模式加湿效率分析

图1所示为六个雾化器加风机工作时在距离加湿器4 m测验点测得的室外湿度的变化曲线。实验之前测得初始相对湿度为34.8%，加湿器从14：45工作到16：45，总计工作2 h。对加湿器工作区间（14：45—16：45）湿度变化曲线分析可知：加湿器工作后可以对空气湿度有较为明显的改善，空气湿度基本维持在40%～60%这一人体适宜湿度范围内；湿度的增长速度较快，工作75 min湿度由34.8%提升到最大湿度68.9%，平均增长速度为每10 min湿度增长4.5%。对加湿器停止工作区间湿度变化曲线分析可知：16：45之后加湿器停止工作，此后一定时间段内，湿度仍然能够保持在40%～60%之间；湿度由59.8%下降到39.0%用时60 min，平均下降速度为每10 min湿度下降3.7%；加湿器停止工作后120 min，湿度基本恢复实验前室外初始湿度。综上分析可得，此种工作模式下，湿度增加较为迅速且加湿器停止工作后一定时间段内依旧可以对周围空气湿度有调节作用。

图1 六个雾化器加风机工作的湿度变化

2.1.2 六个超声波雾化器不加风机工作模式加湿效率分析

图2所示为六个雾化器不加风机工作时在距离加湿器 4 m测验点测得的室外湿度的变化曲线。

实验之前测得初始相对湿度为34.8%，加湿器从09：45工作到11：45，总计2 h。对加湿器工作区间（09：45— 11：45）湿度变化曲线分析可知，加湿器工作后湿度可以较为稳定地维持在人体适宜湿度区间内（40%～60%），湿度的变化幅度不大，最高湿度为45.8%。此种工作模式下，增湿后湿度较为稳定，不会出现湿度过高以及湿度变化过大的情况。

图2 六个雾化器不加风机工作的湿度变化

2.2 工作时间及作用距离对加湿效率的影响分析

图3所示为六个超声波雾化器不加风机工作模式下，加湿器分别工作30 min、45 min和60 min时，在距离加湿器0.3～3.0 m实时检测空气相对湿度所得到的湿度变化曲线。

2.2.1 工作时间对加湿效率的影响分析

对比分析加湿器工作30 min、45 min和60 min的湿度变化曲线[19-20]。显而易见，60 min湿度曲线整体高于45 min和30 min湿度曲线，45 min湿度曲线低于60 min湿度曲线而高于30 min湿度曲线，工作时间长的湿度曲线整体湿度值大于工作时间短的湿度曲线的湿度值。同时，通过对 60 min、45 min和30 min湿度曲线在相同距离监测点的湿度数值进行对比分析可以发现，在0.3～1.25 m距离内，不同工作时间在同一距离检测点的湿度数值差异较大。分析 60 min和30 min的湿度曲线，0.3～1.25 m距离内湿度值差异分别为8.8%、11.3%、10.9%、9.7%，均值为10.2%；在1.25～2.5 m距离内，不同工作时间在同一距离检测点的湿度数值差异变小，湿度差均值约为5.1%；2.5 m距离之外，工作时间增加加湿效率并未提高，此时加湿器工作时间对湿度的影响可以忽略。

2.2.2 作用距离对加湿效率的影响分析

对比加湿装置周围0.3～3.0 m距离内空气湿度的变化曲线。加湿器工作30 min、45 min和60 min的湿度变化曲线整体趋势都是湿度随距离的增大而减小；同时可以发现，0.3～1.25 m区段内湿度曲线的降幅大于1.25～3.0 m区段内湿度曲线的降幅。

由此可见，前1.25 m距离内，加湿器的加湿效率与距离的相关性大于1.25 m距离以外的加湿器加湿效率与距离的相关性。

图3 六个超声波雾化器工作湿度变化数据图

2.3 超声波雾化器工作数量及风机工作情况对加湿效率的影响分析

图4和图5所示分别为三种工作模式下（单个超声波雾化器加风机、六个超声波雾化器加风机、六个超声波雾化器不加风机），加湿器分别工作30 min和60 min的湿度变化曲线。

2.3.1 超声波雾化器数量对加湿效率的影响分析

当风机工作时，对比单个雾化器和六个雾化器工作时湿度变化曲线可知，六个雾化器加风机作用下，工作30 min湿度从80.1%降到67.7%，降幅7.1 %/m；工作60 min湿度从86.1%降到73.0%，降幅5.2 %/m[21]。单个雾化器加风机作用下，工作30 min湿度47.1%降到44.6%，降幅1.0%/m；工作60 min湿度从46.4%降到45.6%，降幅0.3%。由此可见，雾化器的数量增多一定程度上可以大幅提高加湿效率；同时，雾化器数量越多，随着距离增大湿度的下降幅度越大。

2.3.2 风机工作情况对加湿效率的影响分析

当相同数量雾化器工作时，对比加风机与不加风机工作模式下湿度变化曲线。加风机工作模式下的湿度变化曲线的湿度值明显高于不加风机工作模式下湿度变化曲线的湿 度值。

由此可知，在风机的作用下可以提高加湿器湿度调节的效率。不加风机工作模式下，0.5～1.5 m距离内湿度曲线的斜率明显大于1.5 m之后的湿度曲线斜率，加风机工作模式下，湿度变化曲线斜率随距离的变化差异不大，曲线斜率基本保持一致。由此可知，加风机作用下湿度随距离的增大，近似线性递减；不加风机作用下，空气湿度在短距离内急剧减小，随后近似线性递减。

图4 三种工作模式下加湿器工作30 min的湿度变化曲线

图5 三种工作模式下加湿器工作60 min的湿度变化曲线

3 结论

六个超声波雾化器加风机工作模式可以保证短时间内高效率调节空气湿度，并且加湿器停止工作一段时间之内周围空气的湿度仍然能够保持在适宜的湿度范围内；六个雾化器不加风机工作模式下，增湿后湿度较为稳定，周围环境可以基本维持恒湿状态。

超声波雾化器工作时间的延长，有利于空气湿度的增加，且随工作时间的延长，空气湿度在短距离（1.25 m）内的增长幅度更大；超声波雾化器的加湿效率随距离的增大而逐渐减小，且在短距离（1.25 m）内的降幅更大。

雾化器的数量增多一定程度上可以大幅提高加湿效率，同时，雾化器数量越多，随着距离增大湿度数值下降幅度随之增大；在风机的辅助作用下，湿度随距离为线性递减，而在未加风机情况下，超声波雾化器对空气的加湿效率通常会在短距离内急剧下降。

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X22；TB47

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.009

2095－6835（2021）01－0026－04

国家自然科学基金项目（编号：51869023）；国家级一流专业“双万计划”项目，宁夏高等学校一流学科建设（水利工程学科）资助项目（编号：NXYLXK2017A03）；宁夏自治区级青年拔尖人才项目（编号：030103030008）

郑娇萌（1999—），女，山西运城人，宁夏大学本科生，农业水利工程专业。

李王成（1974—），男，陕西勉县人，教授，主要研究方向为节水灌溉技术与理论、农业水资源高效利用。

〔编辑：王霞〕