改善400℃以上电热鼓风干燥箱“温度均匀性”指标的几点体会

电热鼓风干燥箱（以下简称干燥箱）是一种用途较广泛的实验室仪器和生产工艺设备。我公司多年来生产该类产品，但大多数最高温度在300℃以下，其技术指标都较好。近几年来，400℃以上干燥箱的订单越来越多，过去生产的400℃以上干燥箱，虽然其“温度均匀性”指标也能满足标准要求，但总是比较临界，稍有不慎就可能超出标准。最近我们对400℃以上的干燥箱采取了一系列的改进措施，使“温度均匀性”有了较大的改善。以我公司生产量较多的DGF402为例，行业标准规定该产品的温度均匀性指标为最高温度±2.5%，而改进后这一指标基本保持在±1.5左右，使这一指标有了较大的改善。我们主要采取了以下几点措施：

1、 改进干燥箱的气流组织结构

干燥箱“温度均匀性”指标的好坏，主要取决了气流组织结构。干燥箱通常采用单风道结构组织气流，气流原主要来自于离心风机系统。在这个结构中，离心风机的蜗壳设计和导风板的设计又是决定指标的关键。因此我们首先严格按照阿基米德螺旋原理重新设计了蜗壳，使蜗壳出风口的气流能够均匀地吹过加热器，确保送风均匀。另外，我们对导风板的出风和回风口也作了相应的改进，尽可能地增加回风口的风量，同时增加出风口的风压和风速。使气流能够均匀地在工作室内循环。

2、 确定加热器的最佳位置

加热器所散发的热量，能否被气流均匀地带入工作室内，是确保箱体工作室内温度均匀性的关键。因此确定加热器的最佳位置极为重要。我们经过多次反复试验，终于确定了加热器的理想位置，从而使箱内的技术指标得到了有效改善。

3、改进试样搁板

单风道气流结构注定气流必须穿过试样搁板，一般的干燥箱至少有两层搁板，特殊要求的甚至更多。过去的搁板都是采用板材冲孔、拆弯加工的。但为了确保其强度，搁板的孔径密度不可能太大，这就导致了气流循环的阻力过大，从而影响了温度的均匀性。我们将搁板改成钢丝结构，较好地解决了这一问题。

4、改进大门的锁紧装置

400℃及其以上的干燥箱由于温度高，材料受热后变形大。过去的高温干燥箱的大门是采用单点锁紧，但在400℃以上的高温下，大门变形后造成大门与箱体密闭不严，导致大门漏热，箱体工作室内靠门边外侧的温度偏低，影响箱内均匀性指标。我们将大门改为双点锁紧，使这一问题得到了有效解决。

通过对400℃及其以上的干燥箱“温度均匀性”指标的改进，我们从中得到了很多启示，积累了一些经验。相信这对于我们以后的干燥箱设计和改型都会有一定的作用。

罗鹏程

介绍一种新编制的环境试验用相对湿度查算表

　　1． 问题的提出
　　空气相对湿度是一项重要的环境参数，相对湿度测量是环境试验及环境度验设备经常遇到的问题。干湿球法是测量相对湿度的经典方法之一，目前也仍然是环境试验与环境试验设备行业应用最广的方法之一。
　　用两支温度表（干、湿球）测得试点的干球温度t与湿球温度tw，在知道试点风速V和大气压P的条件下，可以通过计算获得相对湿度值，也可以通过相对湿度查算表获得相对湿度值。查表方法简明、迅速，是干湿法测量相对湿度的有力工具。
　　目前国内有两个常用的相对湿度查算表，一个是中央气象出版社出版的《湿度查算表》（甲种本与乙种本），另一个是GB6999－86《环境试验用相对湿度查算表》。对环境试验与环境试验设备来说，使用上述相对湿度查算表存在某些不足，前者温度范围须扩大，后者相对湿度范围及大气压力范围须扩大。由于这两种查算表干湿差值很密，篇幅较大。我们最近编制了一套相对湿度查算表，用不太大的篇幅，适当扩大查算表使用的温度范围、相对湿度范围和大气压范围 ，并便于进行相对湿度的压力修正与风速修正。
　　2．几种相对湿度查算表简介
　　下面用列表的形式对我国和英国、日本的几种相对湿度查算表作一简单介绍
　　
　　3． 本相对湿度查算表的特点
　　3．1温度范围：10℃～90℃
　　与GB6999－86相比，下限扩大5℃（下限为10℃），上限减少10℃（上限为90℃），环境试验与环境试验行业在该温度范围的使用概率较高。
　　3.2干湿差值：34℃
　　40℃时相对湿度范围：2.4～100％；80℃时相对湿度范围：15.5～100％，比较GB6999－86有扩大，可满足绝大多数环境试验与环境试验设备温、湿度范围的使用要求。
　　3．3干湿差值个数：36个
　　40℃、60％时相对湿度间隔为5％；80℃、60％时相对湿度间隔为3％。查算表总数据量（7个A值的相对湿度查算表及相应的相对湿度大气压力修正表）约为45000个，是GB6999－86数据量的1/10，其相对湿度插值误差不超过0.1％，既减少了篇幅，也满足其查算精度要求。
　　下面是干球温度为30℃时,几个干湿差值(GB6999－86与本查算表)的相对湿度值的对照,有＊号的值为本查算表的线性插值。（单位：％）
　　3．4相对湿度的大气压力修正
　　本查算表给出了与7个相对湿度查算表对应的大气压力修正表，这就比较好地解决了从101.3kPa到70kPa（海平面到海拔3000米左右地面的大气环境，占中国国土面积的约74％）中相对湿度查算中的压力修正问题。从理论上讲,该查算表的相对湿度压力修正可以扩展到50kPa。
　　采用相对湿度大气压力修正表（以10kPa为单位编制）是本查算表的主要特点之一。它免去了编制不同气压下的相对湿度查算表的麻烦，也可对各种气压下（非10kPa的倍数）的相对湿度进行修正。
　　当A值 确定时，大气压值与相对湿度值呈线性变化关系，因此，该方法使其相对湿度的大气压力修正比较直观与方便。这一点后面有例子介绍。
　　3．5相对湿度的风速修正
　　本查算表在GB6999－86所用（A=0.000857℃－1、0.000815℃－1、0.0007947℃－1、0.000662℃－1）4个A值的基础上，增加了（A=0.000759℃－1、0.000725℃－1、0.000693℃－1）3个A值的相对湿度查算表。并给出了风速与A值之间的参考对应值，方便在各种不同风速条件下的相对湿度查算，应该说使查算精度得到提高。这也是本查算表的主要特点之一。
　　
　　4．本相对湿度查算表所用计算公式
　　4．1相对湿度计算公式（与上述各查算表公式相同）

式中： r — 相对湿度，％；
　　　e — 实际水汽压，kPa；
　　　ew — 干球温度t所对应的纯水平液面饱和水汽压，kPa；
　　　etw — 湿球温度tw所对应的纯水平液面饱和水汽压，kPa；
　　　 A — 干湿表系数，℃－1；其值由干湿球温度表类型和干湿球温度表球部附近的风速等因素决定；
　　　 P — 试验箱、室所处当地大气压，kPa；本查处表采用100kPa（接近于海平面大气压）。
　　应当说明，在试验箱、室工作过程中，其工作室内部的气压与当地当时的大气压是有差异的，这一点应引起充分注意。
　　4．2水平液面饱和水汽压ew计算公式
u=5.238－(A－bx＋mx2－nx3＋sx4)
e w=10u/10
式中：ew — 纯水平液面饱和水汽压，kPa；
　　x=(T－453)/10
　　Q=643
　　T=273＋t，℃
　　A=3.1473172
　　b=0.00295944
　　m=0.0004191398
　　n=0.0000001829924
　　S=0.00000008243516
　　该公式引自1975年版中央气象局编《气象常用表》。该公式与GB6999－86所用公式计算的相对湿度值几乎完全一致，不超过0.1％。
　　5．本相对湿度查算表的使用
　　5.1 直接查表方法
　　5.1.1  测量试验箱（室）所处当地大气压P
　　5.1.2  测量干湿球温度表球部风速V，根据风速V和3.5中风速与A值参照表查出对应的干湿表系数A。
　　5.1.3  读出干湿球温度表的干球温度t和湿球温度tw，并求出干湿球温度差（t－tw）
　　5.1.4  根据干湿表系数A选择对应的相对湿度查算表（表1～表7）
　　5.1.5  根据t、(t－tw)在对应的表中查算相对湿度r
　　5.1.6  根据P和相同A值的相对湿度大气压力修正表查出相对湿度修正值Δr。Δp为正，则Δr为负；Δp为负，则Δr为正。
　　5.1.7  相对湿度  u=r＋Δr
　　例1：用柱状干湿球温度表测得t=29℃，tw=19℃,P=100kPa,V=0.4m/s
　　a.根据3.5表查V=0.4m/s时，柱状干湿表对应的干湿表系数A=0.000815℃－1；
　　b.求干球温度与湿球温度之差t－tw=29－19=10℃；
　　c.用相对湿度查算表（A=0.000815℃－1）查得相对湿度r=34.5％；
　　d.P=100kPa, Δp=p－p0=100－100=0,无相对湿度大气压力修正；
　　e 所以，u=r＋Δr=34.5＋0=34.5％。
　　例2：用柱状干湿球温度表测得t=29℃，tw=19℃,P=110kPa,V=0.4m/s
　　a 根据例1之a、b、c，查得r=34.5％；
　　b P =110kPa,Δp=p－p0=110－100=10 kPa>0；
　　c 根据表2 a（A=0.000815℃－1）查得（t=29℃，t －tw10℃），10 kPa的相对湿度修正值Δr=－2％；
　　d  u=r=34.5＋（－2）=32.5％。
　　例3：用柱状干湿球温度表测得t=29℃，tw=19℃,且P=90kPa,V=0.4m/s
　　a 根据例1之a、b、c，查得r=34.5％；
　　b P =90kPa, ΔP=P－P0=90－100=－10kPa<0；
　　c 根据表2 a（A=0.000815℃－1）查得（t=29℃，t －tw10℃），10 kPa的相对湿度修正值Δr=2；
　　d u=r＋Δr=34.5＋2=36.5％。
　　对于用柱状干湿球湿度表测得干球温度为29℃，湿球温度为19℃，风速为0.4m/s，在不同大气压力下，本查算表的修正结果与GB6999－86查算结果的比较
　　从此表可看出,相对湿度的压力修正是非常必要的,本查算表的压力修正方法完全能满足环境试验与环境试验设备测量相对湿度精度的要求。
　　例4：用柱状干湿球温度表测得t=29℃，tw=19℃，且P=82kPa，V=0.4m/s。
　　a 根据例1之a、b、c，查得r=34.5；
　　b P=82kPa，ΔP=P－P0=82－100= －18kPa<0；
　　c 根据表2a（A=0.000815℃－1）查得（t=29℃，t －tw10℃），10kPa的相对湿度修正值Δr=2；
　　d 本题所求相对湿度修正值
　　　△r=2％×　  =3.6％
　　e u=r＋△r=34.5＋3.6=38.1
　　这是本查算表的主要特点与优点之一,它能满足不同大气压力条件下(非10kPa的整数倍)的相对湿度大气压力修正。
　　下面列出10个气象台站的海拔与平均大气压数据，这可以充分说明非10kPa整数倍的相对湿度大气压力修正的重要意义。

注：海拔资料摘自GB4797.1－84；大气压数据根据GB4797.2－84插值计算。各气象台站的实际大气压与上述计算值又有一定的差异，如昆明冬季大气压为81.2kPa;夏季大气压为80.8kPa,而且当地大气压每天都有变化。
　　5.2插值查表法
　　对于t、t －tw不在表1～表7，或P不是10 kPa时；可采用插值查表法，以减少相对湿度查算误差。
　　例1：用柱状干湿球温度表测得t=29℃，tw=19.6℃,且P=100kPa,V=0.4m/s
　　a 根据3.1例1的程序用表2查得t=29℃，tw=19℃及20℃时的相对湿度
　　b 有2种插值计算方法求得t=29℃，tw=19.6℃时的相对湿度U，结果都相同。
　　(1) u=r9－(r9－r10)×0.4=40.1－(40.1－34.5)×0.4=37.9％
　　(2) u=r10＋(up－r9)×0.6=34.5＋(40.1－34.5)×0.6=37.9％
　　例2：用柱状干湿球温度表测得t=29℃，tw=19℃,且P=95kPa,V=0.4m/s
　　a 根据5.1例1查得r=34.5％
　　b 根据5.1例2 a查得10kPa的相对湿度修正值Δr=2％
　　c 相对湿度修正值等于实测大气压与100kPa之差，除以10kPa的系数乘以10kPa的相对湿度修正值。
　　d u= 34.5＋1％=35.5％
　　(Δp为正，则Δr为负；Δp为负，则Δr为正。)
　　6．结语
　　本相对湿度查算表在使用的温度范围、湿度范围、压力范围较GB6999－86有所扩大，而且在相对湿度的风速修正与大气压力修正等方面增加了重要内容。在篇幅不太大的情况下，其查算精度与GB6999－86相当（不超过0.1％RH）.希望本查算表的编制，对于提高相对湿度的查算范围，并（由于有合理的压力修正与风速修正）提高相对湿度的查算精度，能起到一定的帮助作用。
　　
　　参考文献
　　1．GB6999－86《环境试验用相对湿度查算表》
　　2．GB11605－89《湿度测量方法》
　　3．JISZ8806:2001《湿度—测量方法》
　　4．《气象常用表》中央气象局1975年版
　　5．《气象常用表》（甲种本），中央气象局1986年版
　　6．GB4797.1－86《电工电子产品自然环境条件  温度和湿度》
　　7． GB4797.2－86《电工电子产品自然环境条件海拔与气压、水深与水压》
　　8．朱若愚主编，《QBasce程序设计》，电子工业出版社 2002年版

自然大气环境结构材料试验装置可行性研究

高级工程师   蒯正心

       国家发改委2007年2月批准了国家重大科技基础项目“重大工程材料服役安全研究评价设施”，项目的目标在于建设可模拟实际工况的复杂环境和复杂载荷条件，可针对大尺寸工程构件开展加速模拟试验的大型试验设施。自然大气环境大型结构材料试验装置是该项目的重点建设内容之一。通过建立“腐蚀环境综合试验仓”、“温度、湿度、日照、淋雨综合试验仓”、“高原环境试验仓”三个大型试验仓，构建成可模拟我国不同地域大气环境，可针对大尺寸工程构件，系统开展环境适应性评价的试验装置。

       我公司有幸被邀请参加了上述项目建设的研究工作。现就项目建设的主要内容，环境因素在仓内组合，严酷程度，技术参数的选取及项目实现的技术难点等进行可行性研究。

       对于结构材料在大气环境中使用的安全性的研究目前主要有两种形式，其一是在自然大气环境中暴露，其二是用人工模拟大气环境对材料进行加速试验。

       自然暴露具有真实性，由于材料使用常常是在各种不同的自然环境中，它可能是干热、高温潮湿、含盐雾的海上、化工厂内腐蚀性环境，高原低气压环境及风沙较大的沙漠环境等。要对它们进行自然暴露试验通常要在这些不同环境的地区建立自然暴露试验场，因此规模较大耗费较高，同时各种气候条件经常变化，而且变化是不规则的，试验的一致性、重现性常常不能满足要求，更为重要的是材料自然暴露失效时间和材料服役时间是一致的，因此对它们的安全服役的研究失去了意义。

       二战前美军的武器装备由于未面对全球气候条件进行充分试验，导致二战期间用于南太平洋地区作战的武器装备，在运输贮存期大量损坏和失效。战后美军花了20多年时间对全球气候进行调查统计制订了“MIL-HDKB-310研制军用产品用全球气候数据”，在此基础上制定了美国军用标准“MIL-STD-810国防部试验方法标准”。北大西洋公约组织也公布了一系列环境试验方法及标准，STANGT2895、STANGT4242、STANGT4370及AECT100、AECTP200、AECTP300、AECTP400。同时国际电工委员会IEC68-1出版物也公布了“基本环境规程”。这些方法规程适用于人工模拟自然环境因素对材料装备进行加速试验。

       一、关于大气腐蚀环境试验

       对于工程材料而言，它们总是暴露在大气腐蚀气氛中，为了减少对材料的腐蚀，通常对其表面进行防护处理，而这些防护不可避免地也将受到大气环境的影响而失效。另外环境温度的变化对材料会形成温度应力，使其变形，造成运动部件卡死从而导致装备失效。

       从大气腐蚀的效果看，为了在短期内取得试验结果，必须加速腐蚀过程。通常采用的方法有增加试验温度，增加相对湿度，增加凝露程度，增加腐蚀介质浓度，增加试验时间，增加机械应力，使温度周期变化等。

       温度变化将促进物质的其他变化，一般来讲，温度升高10℃，化学反应速度增加2~3倍。在正常情况下，腐蚀物在金属表面形成保护层，在较高温度下可能不形成保护层，使腐蚀过程加快。一般而言，增加相对湿度腐蚀速度会加快。在多数气候里都有凝露期，只是凝露的时间和程度不同而已，有凝露的腐蚀速度较无凝露要快。

       大气中存在各种不同的腐蚀物质，加速试验的腐蚀介质应当是经常出现的物质，一般是NaCL，SO2，H2S及酸性大气。

       盐雾腐蚀大气环境的影响主要分为腐蚀影响，电气影响和物理影响。腐蚀影响有电化学引起的腐蚀，加速应力腐蚀，盐在水中电离后形成酸或碱溶液；电气影响主要表现在由于盐沉积引起电子装备的损坏，导电层的产生，绝缘材料和金属的腐蚀。物理影响出现在机械部分和组件的活动部分阻塞和粘结，由于电解作用导致漆层起泡。

       盐雾试验主要由盐液浓度，暴露持续时间、温度、空气循环、盐雾沉降率等因素决定。从美国军标及国际电工委员会的试验方法看，盐浓度都定在5±0.1%，温度为35±2℃，气流速度基本为零，盐雾沉降单位在80cm2收集器上收集到溶液为1-2ml/n，暴露时间为48h，但是经验表明对于至少4个24h的干燥条件，比连续暴露于盐雾大气中更接近真实的暴露，具有更高的破坏潜力，关键是控制干燥速率和增加循环次数。

       在进行二氧化硫腐蚀试验中，主要的试验参数有SO2的浓度，相对湿度，温度，气流速度试验持续时间，根据大量经验和数年的试验数据及国际相关试验方法，选择SO2的浓度为25±5ppm是合适的，该浓度足以对试验产生合理的加速性而又不致于改变使用时的腐蚀机理，当相对湿度低于70%RH时，几乎不发生腐蚀，当湿度超过85%RH时腐蚀物质的结构显著改变，选取75%RH湿度时大多数情况下腐蚀物质的性质与现场自然暴露的物质相拟，试验选取相对湿度为75%RH。试验温度高于30℃时，就有改变自然腐蚀的倾向，当温度过低时，试验时间又过长，因此选取25±2℃的试验温度较为合适，使用连续气流流经试验箱，这样既可使SO2浓度恒定，又不会因箱内吸附表面吸附气体而使浓度降低。试验持续时间可根据试验的严酷程度而定，一般应不低于4天。

       H2S腐蚀试验的试验参数与SO2试验相似。

       酸性大气试验的试验参数与盐雾试验相似，温度为35±2℃，沉降在80cm2收集器收集1~2ml/n喷雾用的试验溶液是每4L去离子水中含11.9MG浓度，95~98%的硫酸。用每4L去离子水中含8.8mg浓度68~71%的硝酸，配置成PH值为4.17的溶液。

       综合以上腐蚀试验方法，得到腐蚀环境综合试验仓的主要技术参数如下：

       ………………（略）

       仓体内胆采用耐盐雾和酸的聚氯乙烯硬质板材，仓内两侧安装均流板，保温层与仓体内胆靠内胆侧安装加热和制冷装置。SO2和H2S经过滤与空调箱的空气混合后通过管道进入仓内，气流通过均流板水平流入另一侧的均流板，气流再经中合洗涤，再经流量计和水环真空泵将气体排空，空调箱完成对仓内气体的温湿度调节。

       盐雾的产生由盐雾喷塔完成，仓内设置××个喷雾塔，喷雾塔的数量和位置根据试验要求增减和位置移动。

       虽然现行试验标准推荐了腐蚀性气体的浓度和盐雾沉降量的要求。但本试验仓可以在一定范围内增加腐蚀浓度，只要增加浓度后不改变材料的腐蚀机理，即可做其它腐蚀目的的试验。

       大气腐蚀试验仓的技术难点主要是结构材料的兼容性和对大气滞后系统的温湿度控制。

       二、关于温度、湿度、日照、淋雨综合气候环境试验

       装备长时间在高温环境下暴露可能会出现不同材料膨胀，不仅使零部件相互咬死，润滑剂粘度变低及外流影响润滑效果，还可导致材料尺寸改变，密封材料老化失效，防护涂层龟裂，合成材料放气等影响。低温暴露可能会使装备材料硬化和脆化，润滑油粘度增加，影响润滑效果，水的结冰。高低温的变化产生温度应力使设备变形，防护层硬化变脆脱落。在温度较高的环境中暴露，可能使装备的金属发生氧化和电蚀，加速电化学反应，破坏防护涂层，电气绝缘和电性能变坏，润滑剂性能下降，吸湿材料性能下降，产生凝露改变材料的性能。装备长时间暴露在太阳光下，会产生材料及防护涂层产生光化学反应，特别是紫外光的量子能很高，它能直接破坏碳碳键或使材料发生水解反应。降雨的作用表现在冲蚀材料表面，增大腐蚀作用、促进霉菌生长。

       试验环境参数的选择，美军标选择最高诱发温度为71℃，低温为-51℃，试验温度确定为-55~88℃，升降温速率不大于2℃/min。太阳辐射按现行国际和国家标准均规定辐照强度为1.12KW/m2。降雨强度国际标准按降雨严酷程度分为10mm/min、100mm/min、400mm/min，美军标则推荐采用100mm/min的降雨强度。湿度范围的选取，建议低湿选取IEC要求的空气中含湿量不大于20gm3，相当于在35℃温度下湿度不大50%R.H，高湿选取在于95%R.H。考虑到辐照强度的灯距试品的距离不能太远，否则会影响到对试品的照射强度或增大灯的功率，因此建议仓体高度约×M较为合适。

       试验仓的主要技术参数及结构如下：

       ………………（略）

       技术难点：主要是节能，如何排出降雨水，水在蒸发器上结霜影响制冷效果等。

       三、关于高原环境试验

       高原环境综合试验仓主要模拟高原条件下的低气压和较强的紫外光，低气压可能会造成装备气体或液体流出密封不严的壳体，密封容器变形破损，低密材料物理化学性能的改变，空气密度下降使导热性变差引起装备过热，润滑剂蒸发，电弧或电晕放电等，强的紫外光量子能量很大，加快高分子材料及防护涂料裂解失效。

       低气压选择在4000M左右的高度约52Kpa，紫外光强度选择在1-3个太阳常数下的紫外光分量，波长选取在200-500nm。本试验仓不打算将砂尘试验引入箱内，因为如果沙尘清理不彻底时，可能造成真空泵的损坏。

       高原环境综合试验仓主要技术参数和结构如下：

       ………………（略）

       技术难点：承压结构的设计制造。