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结露的产生与防止

2009-8-18 13:10:39 阅读次数:17924
核心提示:结露的产生与防止
1.前言结露是我们日常生活中很普遍的现象,比如说,在夏天炎热的环境下,将一瓶冰冻过的饮料放到常温下,不一会儿,就可以看到在饮料瓶上出现“冒汗”的现象,这是空气中的水蒸汽在瓶壁上凝结的结果,也就是我们说的结露现象。在大自然中也会出现这种结露的现象,例如在清晨出现的露水,在冬季出现的大雾、下雪的天气。我们使用温湿度试验箱对电子产品进行温湿度试验,就是模拟试验温湿度环境的改变对电子产品特性的影响。在进行温湿度试验时,由于温湿度环境的改变就有可能会在温湿度试验箱内部出现结露现象。然而许多电子类产品在进行温湿度试验时,在产品的表面产生结露或者在温湿度试验箱内部结露产生的水滴会对试验中的产品产生损坏,因此不允许出现结露的现象。为了避免结露对试验样品造成损坏,我们必须充分了解结露现象,了解结露产生的原因,采取正确的方法避免结露现象的存在。  2. 结露的产生一般来说,我们所指的空气都是湿空气。湿空气是指含有水蒸汽的空气,而干空气则是指完全不含有水蒸汽的空气。湿空气是干空气和水蒸汽的混合物。湿空气的状态可以通过湿空气线图来查找。图1. 湿空气线图可以通过湿空气线图获得下表所表示的状态值:符号名    称单位定        义t干球温度℃干球温度计指示的温度t’湿球温度℃湿球温度计指示的温度t”露点温度℃将与湿空气的水蒸汽分压相等的水蒸汽分压的饱和空气温度成为露点温度H水蒸汽分压mmHg将湿空气的水蒸汽分压称作水蒸汽分压φ相对湿度%将湿空气的水蒸汽分压h与相同温度的饱和空气的水蒸汽分压hs之比称作相对湿度。φ=0%为干燥空气                     φ=100%为饱和空气ψ饱和度%将湿空气的绝对湿度X与相同温度的饱和空气的绝对湿度Xs之比称作饱和度。ψ=0%为干燥空气ψ=100%为饱和空气i焓Kcal/Kg1Kg干空气的焓与包含在其中的XKg水蒸汽的焓之和。焓的基准为0℃的水。υ比体积m3/kg相当于1Kg干空气的湿空气体积。μ热水分比 相对于焓变化的绝对湿度的变化。湿空气是干空气和水蒸汽的混合物。干空气可视为理想气体,而存在于大气中的水蒸汽,由于其分压力通常是很小的,一般只有30~40mbar,大都处于过热状态,所以它的比容很大,分子间的距离足够的远,可以作为理想气体处理,其状态参数之间的关系可描述为:pV=mRT或者pv=RT适用于理想气体的一些定律及其混合气体计算公式也都是用于湿空气。设以pv表示水蒸汽的分压力,pa表示干空气的分压力,湿空气的总压力为p,按照道尔顿分压定律有p=pv+pa空气中的水蒸汽由于其含量的不同(即分压力有高低)以及温度不同,可以处在过热状态或饱和状态。由干空气和过热蒸汽组成的湿空气称未饱和空气。设湿空气的温度为t,当其所含水蒸汽的分压力pv低于对应与温度t的饱和压力ps时,则湿空气中的水蒸汽处在过热状态,如图中A点所示。此时湿空气的密度 )也小于对应与温度t的干饱和蒸汽的密度( )即 图2. 湿空气中水蒸汽状态的p-v图和T-s图如果温度t不变,湿空气中的水蒸汽含量增加,即水蒸汽的分压力增加,则其状态将沿等温线向左上(p-v图)或向左(T-s图),直到和上界限线相交于c点,达到饱和状态。如果再增加水分,即将以水滴状态凝结而从湿空气中分离出来。这时水蒸汽的分压力是对应于温度t的条件下的极限值,相当于温度t时水蒸汽的饱和压力ps,其值可按t在饱和水蒸汽表上查得。这种由干空气和饱和水蒸汽组成的湿空气称为饱和空气,其pv=p”。即使在饱和空气中再增加少许水蒸汽,则超过饱和量的过量水蒸汽就会变成水,这种状态的空气称为过饱和空气假若未饱和空气中水蒸汽的含量不变,即pv不变,而湿空气温度逐渐降低,则其状态将沿等压线冷却向左(p-v图),或向左下(T-s图),和上界限线相交于B时,也达到了饱和状态。如再冷却,也将有水滴析出。B点的温度即对应于pv下的饱和温度,称为露点温度,用tDP表示。TDP=f(pv),可按pv在饱和空气表上查出。所以露点是在一定的水蒸汽分压力pv下,使湿空气变为饱和空气的那点温度。举例来说,假设有1m3的空气,其温度为0℃时一旦其中有约4.85g的水蒸汽含量就可达到饱和。但是,在20℃的状态下,该空气最多能包含约17.28g的水蒸汽含量,差不多是0℃时的三倍。就温度条件而言,在宜人的25℃附近,对于1m3空气减少1g水蒸汽含量,相对湿度就要降低约4%RH,但是到了冬季5℃左右时,则相对湿度要降低约15%RH。而到了0左右时,竟要降低约20%RH。所以,空气的温度高,能够包含的水蒸汽就多。反之,空气温度低,尽管只有少量水蒸汽,空气也能够达到饱和。也就是说,湿空气的饱和水蒸汽含量与空气的温度成正比。同样道理,即使湿空气本身没有达到过饱和,而与湿空气接触的物体、空隙部位、表面及内部冷却到低于湿空气的饱和温度时,则在其界面附近空气中所含的水蒸汽也会凝结成水而变成水滴。也就是出现了结露现象。即使接触到的比湿空气饱和温度低一点点的物体,结露也会发生。 3. 结露的对策我们使用温湿度试验箱对试验样品进行温湿度试验。温湿度试验箱主要由制冷系统,加热系统,控制系统,湿度系统,空气循环系统,和传感器系统等组成,系统方框图见下图 图3. 温湿度试验箱的系统方框图温湿度环境试验箱使用时,如果有比箱内湿空气的露点温度低的部品,则部品必然结露,如果露点温度低于0℃,则变为结霜。根据在不同条件下发生的结露,可以大致分为下列三种情况:(1)         高温度高湿度运行时,高温度是指运行温度超过30℃,运行湿度超过60%RH。(2)         湿度由低到高,温度也由低到高。(3)         温度由低到高的急剧变化。根据上述情况产生结露的具体原因,采取相应的对策:1)       高温高湿运行时,在隔热性能差的部位诸如观察窗、电缆孔等地方容易结露。如果周围环境温度低于试验箱内部的温度,由于这些部位的隔热性能差,在试验箱内侧对应的部位那里的温度要低于试验箱内湿空气的露点温度,所以容易发生结露。对于这种情况就需要提高断热程度,在电缆孔等隔热性能差的地方增加断热材料。由于观察窗的断热方式很难采取,所以为了防止观察窗结露,要将观察窗靠试验箱内侧表面的温度提高到试验箱内湿空气的露点温度以上,所以用在观察窗靠试验箱内侧表面贴加热膜的方式来避免结露。2)       高温高湿运行时,空气循环装置的循环风难以吹到的地方诸如试验样品的背风面、试验样品的周边部位容易结露。试验箱内部的空气是通过空气循环装置进行热交换的。但是,空气循环装置本身也接触空气进行热交换,以维持其温度。因此空气流动慢的地方温度较低容易结露。调整空气循环装置,使得试验箱内循环风的流动更全面均匀。同时调整试验样品的安置方式,要保证不影响到循环风的流动3)       湿度由低到高,温度也由低到高运行时,热容量大的部位如试验箱内部的壁面、试样等容易结露。热容量是指将重量为m的物质上升1℃所需要的能量。空气的热容量比较小。如果同时温度上升湿度增加,那么试验箱内的湿空气容易成为过饱和湿空气,容易结露。同时由于试验箱内部的各个部位热容量大,各个部位的温度跟随空气温度的随便性差,因此其温度的上升比空气慢得多,容易造成结露。对于这种情况,可以首先使试验箱内温度上升,让试验箱内各个部位的温度充分稳定以后再上升湿度,可以避免结露。4)       温度由低到高的急剧变化,热容量大的部位如试验箱内部的壁面、试样等容易结露。热容量小的空气,温度上升比较容易。而热容量大的如试验箱内部的各个部位,温度上升不太容易,因此造成空气和试验箱内部各个部位出现温度差,容易产生结露。对于这种情况,降低试验箱内部空气的露点温度,或者将试验箱内部的空气换成低露点温度的空气。 4.  急剧的温度变化时,结露的对策。在进行温湿度试验时,根据试验要求有温度急剧变化的情况。在这样的过程中热容量大的部位容易结露。假设某温湿度试验箱进行温度试验,需要在25分钟时间内使试验箱内的温度从71℃变化到-54℃。试验条件如下:试验箱的内尺寸:   W1000×H1000×D1000试验箱的内容积:   1m3 温度范围     :   71℃~-54℃温度上升时间  :   25分钟温度下降时间  :   25分钟外部空气条件     :    25℃、60%RH  绝对水分量0.012kg/kg比容积0.68m3/kg(1)         采用低露点空气的必要性当试验箱内的温度进行71℃~-54℃的变化,试验箱内的空气会重复发生膨胀与收缩的现象。其变化量与绝对温度成正比。 状态1状态2压力P1=1.03Kg/cm2absP2容积V1=1m3V2=1m3温度T1=71℃=344T2=-54℃=219已知1.03Kg/cm3abs=1大气压V1=V2=1m3根据式PV=RT得: =0.66Kg/cm2abs=502mmhg使温度从71℃下降到-54℃,如果没有外界空气的渗入,箱内的气压就将减小到502mmHg。为了使试验箱内经常保持1大气压(1.03Kg/cm3abs),就要有外界空气的渗入,使试验箱内的气压从502mmHg增加到760mmHg。因此,渗入了0.36m3  25℃60%的湿空气,所以箱内的水分也增加了。ΔX=(0.36/0.86)×0.012=5.0×103Kg=5cc由于温度的下降,使箱内的水分增加了5cc。这使试验箱中处于0℃温度以下的蒸发器结霜。在-54℃的运行中,空气中的大部分水分都在蒸发器上结了霜,箱内空气的绝对湿度很小,也就是说箱内是干燥的。接着,试验箱如果作从-54℃上升到71℃的运行,已结成霜的水分就要溶解而变成水蒸气。因此试验箱内空气中的绝对湿度就会上升。温度急剧上升时,试样与试验箱的内部结构材料由于热容量不能跟随空气温度的上升而一起变化。因此,由于试验箱内空气温度及与试验箱的内部结构温差的加大,故容易产生结露。因此在防止试样结露时,为了防止外界空气的渗入,必须向箱内置换低露点空气。(2)         低露点空气的置换降低内胆空气露点温度的方法有以下几种:l     将内胆空气置换成低露点空气l     将内胆空气置换成低露点的干燥氮气 (A)低露点空气可以通过超干燥空气装置制造低露点空气。湿的压缩空气供给入高分子膜中空棉中,水蒸气有选择性地浸透、透过中空棉的外侧,就得到了除去水分后的干燥空气。干燥空气的一部分清除到中空棉外侧,透过的水蒸气排放到大气中,实现连续的透过除湿。使用压缩空气在高压状态下除湿,或返回到大气压,就能够制造出露点非常低的空气(-40℃、-72℃)。必须注意的事项是,根据「超干燥空气装置」的特点,压缩空气的用量必须是要使用的低露点空气的2倍。例如,要制造100NL/min的低露点空气,必须提供200NL/min的压缩空气。制造低露点空气必须使用下图所示的回路:图4 制造低露点空气系统图关于低露点空气的供应量,必须根据以下2点进行确定:1.为使箱内达到低露点的时间2.温度下降过程中要防止外界空气渗入通常,如果是内容积为1m3的试验箱,宜提供100NL/min的低露点空气。(B)低露点干燥氮气的置换根据以上所述,对于内容积为1m3的试验箱而言,氮气的供应流量最好为100NL/min。 但是,请注意要根据氮气的纯度设置露点温度。 5.    结论温湿度试验箱对试样施加的是温度应力和湿度应力,因此结露、结霜是不可避免的。充分了解结露结霜的原因,采取正确的试验方法,是可以避免情况的发生,也就可以避免造成不必要的损失。 

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