[发明专利]一种连通管中水蒸气等效传质系数非稳态测量方法

说明书

技术领域

本发明属于基础传质学研究领域，具体提供了一种连通管中的水蒸气等效传质系数非稳态测量的装置以及其计算方法。

背景技术

在人类的生产实践过程中，存在特殊的小空间微环境的湿度控制需求。以文物柜为例，湿度的变化是影响文物长期保存的主要环境因素。控湿空间小，湿度惯性大的特点易引起湿度的剧烈频繁波动，文物内产生微小的应力应变导致文物损坏。由于文物保存中存在控制空间尺寸和场合美观以及文物安全等方面的特殊性，因此湿度的信号通常采用间接采集方法，通过连通管引出文物柜中的湿空气，进而执行加湿或者减湿的命令，但间接采集法存在控制上的时滞和衰减问题，过分干燥与过分潮湿均会对文物造成破坏，不同质地的文物对湿度也有不同的要求。此外，还应当充分考虑文物保存地区的气候湿度特性，一般要求文物保存微环境的相对湿度控制在40％～60％间。水蒸气等效传质系数是表征测湿系统湿度传递特性的重要物性参数，是基础传质学研究领域的重要内容，同时也是对特殊的小空间微环境的湿度进行控制的一个重要参数。

水蒸气传质系数的已有测定方法主要有：理论预测法、经验相关性法和实验测量法等。理论预测的方法有：Stokes-Einstein方法、Eyring法、Darken方法等。经验相关性方法可以由经验式的或典型的系统质量传递系数关联式来计算，该方法简单可靠，但是易受实际实验数据的影响。常用的等效传质系数测定方法是扩散池法，它是将整个传质系统作为稳态传质，各种参数不随时间而改变，在这种情况下，沿着扩散方向扩散的扩散通量是一个固定的值。扩散池法的中央单元是扩散池，当整个扩散系统的各项物性指标稳定时，被测气体的等效传质系数气体能够通过测量系统进行测量。该方法可靠性较强，但是稳态实验传递缓慢，实验周期可达数周，且一次稳态实验只能得到一个水蒸气传质系数，不同特征尺寸的连通管完整特性表达的实验周期可能达到数月；环境温度的不断变化也会影响相对湿度，进而影响测量结果。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，本发明提供一种连通管中水蒸气等效传质系数非稳态测量方法。

技术方案：本发明提供的技术方案为：一种连通管中水蒸气等效传质系数非稳态测量方法，包括步骤：

(1)构建测量环境：在一根水平放置的连通管两端各设置一密封玻璃箱；通过除湿机和鼓泡发生器向其中一个密封玻璃箱内输入水蒸气，定义该密封玻璃箱为湿源；在两玻璃箱内连通管两端口的中心点处各设置一温湿度一体传感器；

(2)获取测量值：通过温湿度一体传感器以Δt为时间步长对连通管远离湿源一端的瞬时温度T(t)和瞬时湿度进行采样，设样本数量为N；根据采样数据计算出连通管远离湿源一端第i个采样时间点的水蒸气浓度测量值，记为

(3)以连通管靠近湿源的一端为原点，管长方向为x轴，时间长度为t轴，根据测量环境模拟连通管内一维稳态传质控制模型，设定该模型的定解区域为：x∈(0，l)，t∈(0，τ)；

(4)以Δt为时间步长、Δx为管长步长将所述定解区域离散化为若干网格；采用有限差分法和质量守恒法基于连通管内一维稳态传质控制模型的初始条件和边界条件推导出每个网格节点的离散解其中N为时间轴离散节点总数，K为x轴离散节点总数；

(5)从步骤(4)得到的离散解中取出N个离散解：将模拟出的N个离散解与N测量值之间的残余绝对湿度差值作为目标函数F(Dⁿ)，

并进行以下步骤：

(5-1)初始化Dⁿ＝D₀，n＝1；

(5-2)给定收敛条件为F(Dⁿ)≤ξ；判断F(Dⁿ)是否满足收敛条件，若判断结果为是，则输出等效传质系数Dⁿ；否则，进入步骤(5-3)；

(5-3)令Dⁿ⁺¹＝Dⁿ+wΔD，返回步骤(5-2)；其中w为收敛因子，ΔD为。

进一步的，所述步骤(2)中连通管远离湿源一端瞬时水蒸气浓度测量值的计算公式为：

其中，V表示连通管内部气体体积，l表示连通管长度，R′表示连通管半径，p_s(t)表示连通管内t时刻的水蒸气分压，R表示水蒸气气体常数，d(t)表示连通管内t时刻的绝对湿度，B表示对应温度下的饱和蒸汽分压力。

进一步的，所述构建连通管内一维稳态传质控制模型的方法为，令：