测试装置主要由铝合金圆柱筒和底座组成,其示意图如图1所示。圆柱筒中部有一外凸缘,底部包覆一层防水透湿PTFE薄膜,薄膜通过压环固定在圆柱筒的外凸缘上,压环与圆柱筒的外凸缘通过螺钉连接。往圆柱筒内倒入一定量的蒸馏水,液面高度低于凸缘高度,由于PTFE薄膜微孔直径为0.3tLm,而水滴的直径一般在100um,水蒸气直径为0.0004m,因此液态水不能透过FE薄膜,水蒸气可以通过该薄膜,以此生成饱和水蒸气。圆柱筒内水温由一热电偶测量,在底座上面刻有一浅槽,浅槽的大小为:宽0.02m,长0.1m,高0.OO4m,浅槽的两端分别与开在底座两侧上的进气孔和出气孔连通,进气孔连接流量控制器,在浅槽上面放一块不锈钢板,其尺寸和底座一样,钢板中央有一长方形的孔,其大小为:长0.06m,宽0.02m,待测试样位于钢板上并覆盖长方形的孔,因此钢板中央长方形孔决定试样透湿面积大小,即0.0012m,圆柱筒组合体位于钢板上,用螺栓将圆柱筒固定在底座。干燥氮气流通过流量控制器由底座的进气孔流进,经过浅槽,即试样的下方由出气孔流出,水蒸气在浓度差的驱动下由PTFE薄膜经过试样扩散到氮气流中,通过检测出口氮气流的相对湿度来确定试样的透湿量。
干燥氮气纯度为99.99%,用GFC17流量控制器控制氮气的流量,其满量程为2L/min,精度为满量程的1.5%,流量大小设定为2000cm/min,根据底座浅槽的大小,氮气流的流速为:
式中:V为氮气流的流速(m/s);Qs为流量控制器所示的流量(crn3/min);H为浅槽高度(0.004m);W为浅槽宽度(0.02m);Ta为环境温度(K);Ts为流量控制器的标定温度(294.25K)。
实验环境温度控制在(30±0.5)℃。由式(1)可知,氮气流的流速大约为0.43m/s,氮气流的雷诺系数¨为:
式中:d为浅槽的当量直径(m);v为氮气的运动黏度(rn2/s)。
浅槽的当量直径取决于浅槽的大小,大约为0.0067m,氮气的运动黏度为0.0000152m2/s,因此,氮气流的雷诺系数是190,该值远小于层流的临界雷诺系数2000,因此底座浅槽内的氮气流为层流,流体质点为有秩序的直线运动,互不掺混,流速从入口处的均匀分布到层流的抛物面分布,最终形成充分发展流动。
底座出口氮气流的相对湿度用HMT333温湿度变送器检测,其传感器的精度为±1%(相对湿度范围0~90%)。数据采集与开关单元34970A用于采集来自于流量控制器、温湿度变送器、热电偶的信号,并将其转换成数字信号,传送到计算机,由计算机进行处理并显示氮气流的流量大小、出口氮气流的相对湿度以及蒸馏水的温度。
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