温湿度环境试验箱的转温控湿方法研究

张杰

（广州五所环境仪器有限公司， 广东 广州 510808）

0 引言

环境试验箱是应用试验箱进行环境的模拟， 可以很好地对物品进行环境适应力检测， 对物品的性能进行研究的设备。 其中， 热循环是在环境试验箱中进行的高低温交替的可靠性试验， 试验箱内的温度和湿度会给环境试验箱和试验产品带来损坏， 例如： 在低温时产品表面和内部产生结露的现象是非常普遍的， 而结露产生的水滴的破坏作用也是不容忽视的。 为了可以更好地对环境试验箱进行改造，更好地克服相关的问题， 本文主要对温湿度环境试验箱使用过程中产生的结露问题进行了研究和分析， 并对温湿度环境试验箱转温控湿的方法展开研究和分析。

1 温湿度环境试验箱使用过程中产生的结露现象分析

结露现象的产生和空气中的水分有关。 空气一般都是湿空气， 其中包含了一定的水分。 其中， 对于湿空气， 我们可以将其看作是干空气和水， 而干空气是理想状态下的空气。 存在于空气中的水蒸气的分压力比较小， 其分子间的距离也比较远， 所以， 我们可以将其按照理想气体来进行处理。 理想气体的计算公式为：

根据理想气体的计算公式， 我们可以计算出水蒸气的分压力为PV， 干空气的分压力为Pa。 而湿空气是由干空气和水组成的， 所以， 湿空气的分压力可以根据道尔顿分压定律公式计算：

根据式（2） 求得实际状态下的湿空气的分压力。 而空气当中的水蒸气因为含量和温度的不同，其达到饱和的状态也不同。 假设在某一温度t 下，如果水蒸气和干空气没达到饱和状态， 我们就将其称为未饱和空气， 日常生活中我们周围的空气都是未饱和空气[1]。 但是， 如果空气中水蒸气和干空气达到了饱和状态， 则此时两者处于临界状态； 如果此时再加入水分， 那么空气中的水蒸气就会以水滴的形式凝结出来， 和空气发生分离。 此时在t 温度下， p 为空气的饱和蒸气压。 同理， 假设在某一压强p 下， 水蒸气和干空气处于未饱和状态， 如果降低其环境温度， 在某一个温度下水蒸气也会从空气中分离出来。 此时在p 压强下， t 为空气的饱和温度， 也被称为露点温度。 通过上述的原理可以知道， 空气中的水蒸气达到饱和状态析出时， 会凝结成水珠或者出现水滴， 这也就是所说的结露现象。

通过对结露现象产生的原因进行分析， 我们可以发现温湿度环境试验箱在转温时出现结露现象的原因为空气中水蒸气的含量增加， 或者是水蒸气的露点温度升高， 导致水蒸气容易析出而形成水滴。为了防止结露现象对温湿度环境试验箱的运行产生影响， 可以通过以下3 种方式来防止结露现象对温湿度环境试验箱的运行产生影响： 1） 降低温湿度环境试验箱中的水蒸气含量； 2） 融化或者去除温湿度环境试验箱的箱顶霜层； 3） 控制箱顶的温度。

2 防止结露现象产生的方法

2.1 降低温湿度环境试验箱内的水蒸气含量

可以通过低露点气体置换法、 双蒸发器系统两种方式减少和控制温湿度环境试验箱内的水蒸气含量， 以下对低露点气体置换法进行简单的介绍。

低露点气体置换法的原理是： 在低温转向高温的时候向温湿度环境试验箱内传入水蒸气含量较低的气体来有效地控制箱内的水蒸气分压， 让空气中的水蒸气析出的情况得到控制。

向温湿度环境试验箱内输入的气体可以选择氮气， 高纯的氮气水蒸气含量相对较少， 通过通入高纯度的氮气可以有效地降低温湿度环境试验箱内的水蒸气含量。 而且这样的操作比较简单， 并不需要大量的资金就可以实现。 这也是目前温湿度环境试验箱转温控湿的重要方式。

除了通入氮气之外， 还可以选择具有较强的水分吸附的物质来进行空气中水蒸气的吸除[2]。 例如： 活性炭、 硅胶等都具有较好的吸水能力， 可以有效地吸附空气中的水分， 降低空气中水蒸气的含量， 保证干燥的环境。 而且， 硅胶是一种可以在较高温度下进行水分吸附的干燥剂， 所以在温湿度环境试验箱转温时， 如果要进行升温， 选择硅胶可以保证其吸附性能， 即便是在高温下也是稳定的。 通过具体的实验发现， 经过硅胶处理的空气， 其空气中的相对湿度可以减小到2%～5%。 所以， 将硅胶作为干燥剂进行温湿度环境试验箱转温控湿的方法也是简单有效的。

2.2 去除温湿度环境试验箱箱顶的霜层

在温湿度环境试验箱内， 温度升高会引起温湿度环境试验箱的霜层汽化， 此时空气中水蒸气的含量会增多， 箱内的含湿量也会上升。 因此， 想要降低温湿度环境试验箱内的含湿量， 就需要将箱顶的霜层去除。 温湿度环境试验箱顶一般会距离温湿度环境试验箱放热器较远， 所以温度相对而言也比中心试验的部分低， 很容易会产生霜层。 箱顶的霜层产生的原因主要是因为温湿度环境试验箱内水蒸气触碰到温度较低的箱顶， 遇冷液化或者是冷凝产生。 可以通过淋水除霜、 电热除霜或者是热气除霜等方式来保持箱顶的霜层得到有效的控制。

2.2.1 淋水除霜

淋水除霜的工作原理是通过蒸发器向温湿度环境试验箱顶喷洒液态的水， 让霜层和液态水之间进行热交换， 从而有效地融化和清理霜层[3]。 但是淋水除霜要保证温湿度环境试验箱在停止使用的状态下才能开始。 如果在温湿度环境试验箱使用的过程中进行淋水除霜， 不仅不能除去霜层， 甚至还会导致空气中水分的含量增多。 一旦水蒸气达到饱和状态冷凝或者是液化到温湿度环境试验箱的其他部分或者是在温湿度环境试验箱内实验的物品上， 很有可能会导致温湿度环境试验箱和物品的损坏。 所以， 淋水除霜的方式并不适用于热循环当中。

2.2.2 电热除霜

电热除霜主要是通过在温湿度环境试验箱顶布置一些电热丝或者是其他可以加热的物品进行直接的加热融化。 这样的方式和淋水除霜的弊端一样，都会让融化的水分直接进入到温湿度环境试验箱内的空气当中去， 空气中水分的含量大大地增加， 导致空气湿度增加。 而且， 电加热的物品又和空气直接接触， 导致空气温度升高； 如果温湿度环境试验箱内需要的是低温， 那么采用这种方式不能够稳定温湿度环境试验箱内所设置的温度。

2.2.3 热气除霜

热气除霜是向温湿度环境试验箱内通入温度比其更高的制冷剂。 这样的方式可以由内向外地进行霜层的融化。 在刚开始融化的时候， 蒸发器管内热气和管外的霜层进行热交换， 这样的热量可以保证霜层的融化。 此时霜层内部融化成水但是外部仍然是固态的霜， 形成了混合物。 而此时因为有外层霜的包裹， 里面所融化或者是汽化产生的水分和水蒸气产生的热量也不会影响到温湿度环境试验箱内的环境温度。 随后在霜层逐渐地融化过程中， 水蒸气慢慢地进入到集水箱中并传输到温湿度环境试验箱外， 这样的方式不仅仅可以让温湿度环境试验箱在转温控湿过程中空气湿度不增加， 也能够保证霜层在融化的过程中产生的热量对温湿度环境试验箱的影响较小。 将温湿度环境试验箱内的湿度控制在一个比较低的水平上。

上述3 种方法， 淋水除霜的方式更加适合在温湿度环境试验箱使用结束之后进行霜层的去除。 而在温湿度环境试验箱的使用过程中， 如果要控制好霜层， 就可以采用热气除霜的方式。

a） 热气除霜的具体使用

过去经常使用的热气除霜的方式主要包括四通换向法和压缩机热气旁通法两种。

四通换向法是通过在制冷的系统中布置四通换向阀， 在每一个需要进行除霜的部分开启相应方向的温湿度环境试验箱的阀门， 让制冷剂流出， 将吸热的蒸发器换成放热的冷凝器， 通过放热实现制冷剂和霜层的热量交换， 更好地融化霜层。

但是这样的方法会导致制冷剂中断使用， 并且没有办法做到及时恢复， 此时湿度环境试验箱内的工作稳定性就会受到破坏。 湿度环境试验箱就无法稳定地工作。 同时， 如果想要保证温度稳定， 就需要向湿度环境试验箱内通入制冷剂， 制冷剂升温融化后产生的水蒸气会让空气中的水分含量迅速地增加。 这样的方法不仅不能保证湿度环境试验箱实验的稳定性， 还会加重温湿度环境试验箱内的湿度，并不是好的选择。

b） 对热气除霜方式的改进

热气除霜是清除霜层的较好的方式。 但是传统的热气除霜不仅会让温湿度环境试验箱的工作稳定性得不到保障， 还会让温湿度环境试验箱里空气的湿度增加， 并不能满足要求。 所以， 对热气除霜的方式进行良好的改进， 提升温湿度环境试验箱工作的稳定性， 降低温湿度环境试验箱内的空气湿度是十分重要的。 因此， 笔者在传统的热气除霜制冷系统的基础上加上了一个蒸发器、 若干的电子阀， 并设置了独立的通风道口， 如此便可以让温湿度环境试验箱的工作稳定性和空气湿度都得到良好的保证。 制冷系统的装置设计如图1 所示。

图1 制冷系统的装置设计

该系统的设计和传统使用的制冷系统有很大的不同。 传统的制冷系统只使用了一个蒸发器进行工作， 但是改进以后添加了一个蒸发器， 使用两个蒸发器进行工作能够让一个制冷系统在工作的同时，另一个蒸发器仍然进行制冷工作。 这样可以很好地保证制冷系统运行的稳定性， 让温湿度环境试验箱的工作稳定性得到保证[4]。 而且， 两个蒸发器都配有了单独的通风， 这样就无需担心蒸发器在使用的时候空气不流通等问题， 时刻保持制冷系统在运行时， 其和温湿度环境试验箱内部的循环保持一致。 而且， 如果除霜使用的蒸发器和温湿度环境试验箱内的环境隔绝的话， 空气也会不流通， 但是这样的系统如果按照过去的方式进行运行的话并不能不间断地保持温湿度环境试验箱内的温度， 也不能不间断地排除温湿度环境试验箱内的空气的湿度。而经过改良以后的系统可以很好地保证温湿度环境试验箱在进行低温运行的时候， 如果蒸发器表面的结霜已经达到了一定的厚度的话， 可以及时地切换到另一边继续工作， 实现不间断的工作。 而需要进行霜层的融化的部分进行霜层的融化， 另一部蒸发器继续工作。 通过电磁阀来实现霜层的融化和制冷胶体运行的状态。

2.3 控制箱顶的温度

温湿度环境试验箱的空气运动时是从上到下进行流动的， 所以在常压下温湿度环境试验箱进行低温转向高温的时候结露情况会比较严重， 而且， 在温湿度环境试验箱顶部凝结的水滴会因为重力的因素而掉落， 严重时会导致温湿度环境试验箱内实验的产品受到损毁。 所以， 有效地防止温湿度环境试验箱顶的结露现象是十分重要的。

对于箱顶的温度控制可以选择在温湿度环境试验箱顶安装相应的电加热板， 在温湿度环境试验箱进行低温转向高温的时候， 适当地提高温湿度环境试验箱顶电热板的温度， 让温湿度环境试验箱顶的温度和其他部分的温度相差不大[5]。 在温湿度环境试验箱顶的水蒸气可以一直保持在露点的温度之上， 此时温湿度环境试验箱顶就不会出现严重的结露现象。

在温湿度环境试验箱顶部安装的电加热板可以通过在温湿度环境试验箱内的干球的温度及时地进行温度调整， 跟随温湿度环境试验箱内实际的温度来选择合适的温湿度环境试验箱顶温度， 让顶板的温度适中地保持在露点的温度之上。 除此之外， 在温湿度环境试验箱顶也可以安装水蒸气的感应温度， 探测温湿度环境试验箱顶结露现象出现时水珠的温度并对其进行分析， 这样可以更好地对温湿度环境试验箱电加热板温度进行控制。

3 结束语

综上所述， 温湿度环境试验箱在转温过程中很容易会加重温湿度环境试验箱内空气的湿度， 会有结露现象产生。 结露现象的出现很有可能会导致温湿度环境试验箱自身和在温湿度环境试验箱内进行实验的物品受到损坏。 为了可以更好地进行温湿度环境试验箱的转温控湿， 本文主要对降低温湿度环境试验箱中的水蒸气含量、 融化或者去除温湿度环境试验箱箱顶霜层、 控制箱顶的温度3 种方式进行了具体的分析和研究。