水汽监督

2025-01-24

水汽监督（精选5篇）

水汽监督篇1

摘要：火力发电厂的水汽化学监督是保证发电设备安全、经济运行的重要措施之一。提高水汽化学监督水平, 做好热力设备在保养方面的工作, 能预防设备腐蚀和结垢, 提高热力设备运行的安全性, 延长设备的使用寿命。根据某海滨电厂#1机组水汽严重污染事故, 再结合云浮发电厂的实际情况, 针对地提出了改进措施和处理建议。

关键词：在线化学仪表,水汽质量,化学监督,准确度

火力发电厂机组良好的水汽化学监督, 对降低机组设备的腐蚀、结垢和积盐等危害, 及对火电厂的节能减排, 甚至对火电厂的安全运营、长期发展都有着重要意义。虽然水汽化学监督的重要性越发凸显, 但毕竟不像锅炉缺水、汽机调速系统失灵、电气设备接地等问题那么紧关机组安全运行。所以很多电厂仍对化学水汽监督不够重视, 致使热力系统设备发生一定的结垢和积盐, 甚至造成机组设备的损坏和机组被迫停运, 损失不可估量。

1 某海滨电厂#1机组水汽污染事故

某海滨电厂#1机组按计划进行检修, 检修后启动、并网、带负荷运行期间, 发生了一起由于凝汽器真空抽气管检修质量不良引起循环水漏入凝汽器, 导致锅炉、汽机水汽系统严重污染的事故。事故造成汽轮机通流部分因积盐垢出力明显受限, 锅炉受热面等金属部件受到一定程度的腐蚀并发生过热器爆管事故。

#1机组检修期间, 检修人员在更换B侧凝汽器后水室下部真空抽气管接头垫片的工作中, 粗心大意导致垫片严重错位, 致使海水从缝隙处漏入凝汽器内, 这是造成水汽污染事故的直接原因。

该机组启动过程中, 从凝汽器上水、除氧器上水、锅炉上水、汽机冲转至凝结水回收整个过程, 运行值长和化学值班员均未对水汽品质进行化验、分析, 严重违反《火力发电厂水汽化学监督导则》 (DL/T561-2013) 的规定。化学值班员化验凝结水含钠量为600μg/L, 没有执行该厂《化学运行规程》“当含钠量超过400μg/L时, 应通知值长申请停炉”的规定, 仅作出加强补排通知。机组负荷200MW时, 在线化学仪表首次水质化验数据显示:凝结水钠含量9300μg/L (标准值≤5μg/L) 、PH值3.58, 给水钠含量9100μg/L, 给水PH值3.64 (标准值9.2-9.6) , 炉水PH值3.61 (标准值9.0-9.7) , 水汽品质已经严重劣化。机组从启动到并网运行全过程, 化学技术监督工作严重缺失。经事后查证, 凝汽器汽侧漏入海水的时间超过24小时。以上均是造成水汽污染事故扩大的主要原因。

从该海滨电厂此次水汽污染事故可以看出水汽质量监督的重要性, 忽视化学水汽质量监督, 给机组热力设备造成的危害是不可想象的。火电厂的运行离不开大量的水的参与, 如冷却系统的水、锅炉用水等, 水质量不合格会影响整台机组的安全稳定运行。云浮发电厂一直以来都很重视化学水汽监督工作, 除每个月对各个专业进行技术考问外, 还安排培训员就安全生产、技术提高等方面进行讲课, 旨在提高员工的技能水平, 并取得了很大的成效。这次该海滨电厂发生的水汽污染事故再次给我们敲响了警钟, 我厂重新分析自身优弱势, 采取应对措施加强化学水汽监督。

2 云浮发电厂加强水汽监督的措施

2.1 认真学习化学技术标准、建立健全化学监督制度

我厂组织化学专业人员重新学习了《火力发电厂水汽化学监督导则》 (DL/T561-2013) 、《火力发电厂机组及蒸汽动力设备水汽质量》 (GB/T12145-2008) 等技术规范和新编的《化学运行技术标准》, 明确机组从锅炉水压试验上水开始到启动并网运行各阶段应监督的项目、内容和标准要求, 有针对性地开展专业技术培训, 提高运行值班人员专业素质和技能水平。

机组启动时化学值班员时刻监督水汽品质, 严格按照《化学运行技术标准》中启动的监督工作执行。当凝结水硬度≤5μmo L/L、铁含量≤80μg/L、二氧化硅含量≤80μg/L、铜含量≤30μg/L且水色透明时, 才能通知汽机回收凝结水。蒸汽二氧化硅含量≤60μg/L、铁含量≤50μg/L、铜含量≤15μg/L、电导率≤1μs/cm、钠含量≤20μg/L时, 汽轮机才能冲转。机组启动时不能因机组开机并网时间的限制而降低标准。机组启动初期, 在线仪表未投运前, 化学专业人员定期进行人工化验, 密切关注水质变化情况。

我厂将开机各阶段的水汽品质指标 (包括凝结水回收) 标准列入启动操作票, 当每个节点的水质品质达标后才执行下一步骤, 从程序上防止机组水汽污染系统受到污染。

2.2 改进化学在线仪表系统、手工化验在线监督齐并进

云浮发电厂有两套在线仪表监测系统。A厂#1、#2两台125MW机组共用一套, B厂#3、#4两台135MW机组共用一套。用于水汽监督的在线化学仪表主要有在线电导率表、p H表、Na表、Si O2表、磷酸根表、联氨表、溶解氧表。在线化学仪表的日常维护交由广东重仪机械工程服务有限公司负责。我厂重视仪表维护人员的专业素质和技术水平, 在线仪表维护人员均参加过相关专业培训和考试, 取得了技能资格, 持证上岗。由于在线化学仪表容易受到很多因素的干扰, 仪表传感器也容易发生变化及离子交换柱中的树脂易失效, 仪表维护人员每天需要检查各个在线仪表的精确度, 确保检测数据能实时、准确的反应水质情况。

由于B厂化学在线仪表检测系统存在电脑采集不到数据、压缩机坏致使进入在线仪表水的温经常达到40℃及在线炉水硅表老化等原因, 为了提高在线化学仪表测量的准确性和可靠性, 2014年我厂对B厂化学在线仪表系统进行改造。技改内容主要包括: (1) 更换B厂在线监控电脑, 恢复在线化验数据采集并形成报表曲线;AB厂四台机组的化学在线测量数据合并, 在A厂化验室电脑内同时显现, 使化学值班员更加方便、直观地了解四台机组的水汽质量, 及时调整锅炉加药量, 快速发现不合格水质, 有效地避免水汽污染。 (2) 更换了在线仪表架的恒温装置, 通过压缩机制冷或加热把温度尽可能控制在25℃左右, 减小仪表因温度导致的测量误差。 (3) 更换在线PH、钠、联氨、溶解氧等仪表的电极, 在线炉水硅表更换为FIA-33M型硅表。B厂化学在线仪表系统改进后, 提高了在线水汽品质测量的准确性、连续性及实时性。

2.3 加强各专业间的沟通、严格执行交接班制度

机组启动准备工作和启动运行期间, 运行人员应及时与化学值班员联系, 告知其机组启动节点, 使化学值班员能及时进行高温架冲洗和手工化验分析, 化学值班员要密切关注锅炉启动压力, 按照《化学运行技术标准》要求启动给水加氨泵、联氨泵及炉水磷酸盐泵。化学值班员及时告知运行人员水质情况, 按要求进行汽轮机冲转和凝结水回收等工作。

集控运行和化学运行人员均要明确各项水汽指标水质异常时的三级处理值、处理方式和处理原则, 化学值班员一旦发现水汽品质异常应及时上报, 并快速做出处理措施。

除了各专业要加强沟通外, 交接班人员交接工作要详尽。值班人员应将本班全部操作项目和主要工作内容及存在的问题记入运行日志内, 并向下班人员交接详细, 以便继续进行事件跟踪和处理, 避免因交接工作不清楚而造成事故隐患, 影响机组安全稳定运行。

3 结语

火力发电厂的水汽化学监督是保证发电设备安全、经济运行的重要措施之一。为了防止水汽质量的劣化, 应贯彻“安全第一、预防为主”的方针, 认真做好水汽化学监督全过程的质量管理。云浮发电厂将会继续切实的做好水汽化学监督工作, 加强技术人员的技能水平和提升员工的责任感, 防止类似上述海滨电厂因水汽化学监督不到位引起的设备腐蚀、积盐及结垢现象的发生, 保障热力设备长期、经济和安全的运行。

参考文献

[1]GB/T 12145-2008.火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量.中国国家标准化管理委员会.2008.

[2]DL/T 561-2013.火力发电厂水汽化学监督导则.国家能源局.2013.

[3]云浮发电厂125MW (135MW) 机组化学运行技术标准[M].广东粤电云河发电有限公司标准化委员会.2014.

[4]刘广福.浅谈火电厂水汽化学监督的重要性[J].价值工程, 2014 (01) :31-32.

[5]郑日桂.水汽系统在线化学仪表测量误差的分析及改进措施.华电技术, 2015年2月.

水汽监督篇2

1 水汽品质监督面上存在的的问题

凝结水溶解氧有不少电厂长期不合格;化学仪表的配备率大多数达到了100%, 但投入率达不到100%, 化学在线仪表主要有p H、N a、S i O2、O2和电导率表, 都是电厂重要的监测项目, 一些电厂的部分在线分析仪表长期得不到投运;在线化学仪表的维护工作做得较差, 不能按规定对仪表进行检定和维护保养, 有些电厂没有制取合格的高纯水的能力;一些电厂水汽品质出现异常时未按“化学监督导则”规定进行分级处理。使燃煤发电机组容易发生氧腐蚀、沉积物下腐蚀、水蒸汽腐蚀、应力腐蚀、亚硝酸盐腐蚀。

2 水汽分析方法的发展特点

测试方法可以满足当前火电机组的要求时以安全可靠为第一, 不会经常修订在用的方法;在研究开发方面, 不少是把成熟可靠、又适合我国电力工业的测试方法吸收进来, 如分光光度法、原子吸收法、离子色谱法以及在线分析方法。行业内, 专家们继往开来, 为满足电厂的需要进行足有成效的研发, 如银锌内电解法测溶解氧、重铬酸钾快速法测COD、小硅表、用于痕量钠测定的二阶微分火焰光谱法、纯水p H、纯水电导率的测定、浊度的测定和低硬度指示剂等等, 对列入修订的标准方法也仔细地进行了试验研究研发了火电厂使用的国家二级标准物质, 目前有证的有8种, 分别是铜、铁、二氧化硅、磷酸根、EDTA、钠、氯和硫酸;还有一些不在标准之列的测试方法和技术, 专家们针对水汽品质的特点进行研究, 如电感耦合等离子发射光谱法 (ICP) 、流动注射技术、氯离子的测定、等等, 有的在部分电厂中试用。

3 水汽质量劣化处理的原则与方法

3.1 水汽质量劣化处理的原则

(1) 化学人员发现水汽质量不良时, 必须首先向班长汇报并迅速进行检查。

(1) 检查汽水取样、分析仪器、表计、化学药品有无问题及分析方法是否正确;水样是否有代表性。

(2) 抽查分析各有关部分的水汽质量情况, 了解有关设备运行方式变化有无异常。

(2) 确证水汽质量劣化, 判断无误时, 应立即向班长和值长汇报并与有关分场的运行人员联系共同分析原因, 提出处理意见。使水、汽质量迅速恢复正常, 如果水汽质量严重恶化, 化学班长应立即向分场主任汇报, 分场领导应立即到现场给予必要的指导。

(3) 值长得到水汽质量不良的报告后, 应立即组织处理, 防止造成严重后果, 当水汽质量严重劣化虽经多方处理仍不改善, 可能导致设备损坏或威胁安全运行时, 是否需要使汽机或锅炉设备降低出力或停机、停炉, 由组长作出决定。

(4) 由于水源突然变化, 严重影响给水质量, 经多方处理不能改善, 并影响蒸汽或炉水品质超标时应降低锅炉出力或停炉。

(5) 水汽质量劣化后, 化学运行班长、值班员应将水汽质量劣化的化验结果, 原因分析, 处理经过和处理结果做详细记录。

3.2 水汽质量劣化处理方法

3.2.1 做好水汽分析人员的培训工作

分析化学是化学中一门相对独立的学课, 是一门试验科学。从事水汽品质监测的人员不仅要有坚实的理论基础, 明白每一项分析方法的原理和每一步操作的道理, 了解测试全过程中易引起误差或造成污染的每一个操作环节, 而且有规范熟练的操作技能。现代分析仪器配合有电脑, 操作更加快速、简便、准确, 但是从取样到样品的处理如果操作不好, 得到的结果可靠性就差, 即便是不需要人介入的在线仪表, 总还是有标定、校准和维护的工作, 如果没有扎实的基本功, 情况就更糟了。因此对每一位从事水汽品质监测的人员以及在工作中涉及到分析操作的人员, 除了进行理论方面的培训, 还应练好操作基本功。

3.2.2 用好水汽品质监测的标准方法

此次水汽试验方法的修订与以往几次修订有一个不同点是编写的格式上完全符合行业标准编写的要求, 纠正了前版本编写格式上不统一, 造成一些地方交代不清楚, 给使用者造成困惑的缺点。例如, 标准正文中的第一章就是范围, 明确了该方法所规定的内容以及该方法的适用范围, 而修订前的方法中就没有明确的“范围”这一章节。另外, 用好标准是个重要问题。例如二氧化硅的测定, 标准中提供了几种测定方法, 由于硅在水中存在形态复杂, 按分散程度分为溶解状的、胶体状态和悬浮颗粒状的, 从能否直接与钼酸铵反应显色进行测定, 可分为活性硅和非活性硅, 非活性硅会在锅炉运行的条件下逐渐转化成活性硅。要准确应用标准方法, 做好查定水汽系统中二氧化硅的来龙去脉, 理清什么水样应过滤后测定, 什么水样则不应过滤。

3.2.3 积极使用有证标准物质

随着发展, 分析化学家意识到, 除了要求分析结果具有足够的准确度和精密度之外, 还应满足不同时间和不同空间的测量结果的可比性, 应将不同时间和空间的测量纳入准确一致的测量系统, 因此除了研发更灵敏更精密的分析仪器外, 还应有统一量值的标准物质。水汽分析的标准方法中绝大多数方法是建立在与准确知道被测成分浓度的标准溶液相比较或者说与标准溶液发生定量化学反应的基础上的。在测定过程中, 如果配制的标准滴定溶液或用于制作工作曲线的标准溶液的浓度不准确, 那么所有测定结果都可能是无效的, 对于不同时间配制的标准溶液的浓度会缺乏一致性, 导致测定结果缺乏可比性。

3.2.4 积极采用更加先进的测试方法

对运行中的热力系统水汽品质进行监测的项目都属于痕量分析, 要做好监测工作, 起到实时监督的作用, 是要赋予精心的。列入标准的分析方法, 首先能满足监测的需要, 其次是能在行业内被普遍使用, 也是对行业内提出的应做到的最基本要求, 同时又具有一定的先进性。对于一些更为先进的仪器分析法以及创新的测试方法通常不会很快被列入标准, 这不等于限制使用, 相反的应鼓励采用, 但应做好与不同原理的标准方法充分比对以及用有证标准物质进行评价的基础上使用, 在有争议时, 应以标准方法为依据。

摘要：随给水进入锅内的各种杂质, 或被蒸汽带往汽轮机, 或沉积在锅炉炉管内, 是导致热力设备的腐蚀、结垢、积盐的主要原因。燃煤发电机组对水汽品质有着严格的要求, 因此对水汽品质进行监督及其必要。水汽监督的目的是通过对热力系统进行水汽品质化验, 准确地反映热力系统水汽质量变化程度, 掌握运行规律, 及时地进行调整处理, 确保水汽质量合格, 防止在热力系统中产生腐蚀、结垢、积盐, 确保机组安全经济地运行。

水汽监督篇3

1 进行电厂化学水汽监督的有效措施

1.1 做好对电厂设备选型和水源选择的质量监督

水资源匮乏且水质不断恶化是当前水资源的基本状况。电厂应该在充分考虑水质变化的基础上进行设备选择和设计方案的选择。对化学的全过程进行监督, 在浓缩倍率较高的时候进行补水和排水, 对于加药量与加药种类要根据相关的模拟试验作出相应的改变, 从而提高循环水的浓缩倍率。

1.2 解决好凝结水溶氧高的问题

腐蚀程度与凝结水溶氧度具有紧密的关系, 较高的凝结溶氧水会提高腐蚀强度, 将腐蚀的产物带到锅炉之中, 使锅炉的水冷壁结垢, 进而引发爆管。[1]汽轮机的补给水、疏水和排水以及汽轮机的阀门、管道和设备不严是凝结水氧的主要来源。因此加强对缓凝器真空系统的检查, 提高凝结水水溶氧的效率, 改善凝结水溶氧较高的情况。

1.3 监督机组要做好启动过程的监督并实施有效的停炉防护对策

对停炉防护对策要根据相关的规章制度不断进行完善和健全。监督机组要做好启动阶段的化学汽水监督。启动阶段的化学监督对运行阶段的水汽品质具有重要影响, 同时还影响到热力设备的稳定与安全运行。因此, 电厂需要对进入锅炉的给水按照相关的规章制度进行严格控制, 保证炉水的合格性。

1.4 对化学在线仪表进行监督

人工定时检测水汽是当前高参数大机组采用的主要方法, 但是随着电力建设的不断发展, 这一方法已不能满足生产要求。因此电厂要完善化学监督, 充分利用新技术。[2]利用化学在线仪表对化学水汽进行有效监督, 使化学在线仪表的准确率、投入率和配备率得到提高。

2 炉水加药处理技术

2.1 炉水加药技术的慨念

炉水加药处理技术主要是指炉水磷酸盐处理技术。通过在锅炉水中添加适当的磷酸盐和氢氧化钠的方法, 使炉水的缓冲性能得到提高, 同时维持稳定的炉水p H值, 减少锅炉冷壁的结垢和腐蚀情况。[3]减少炉水中的磷酸盐含量减少到仅够与硬度成分的费用所需的最低限度, 允许炉水含有微量游离氢氧化钠, 使炉水额p H值保持在9.0~9.6之间是炉水磷酸盐技术的主要原理。在高压哈超高压汽包锅炉中都能适用。

2.2 炉水磷酸盐处理技术的磷酸根浓度标准

维持炉水中磷酸根的一定浓度, 能够有效减少炉内水垢的产生。锅炉中的磷酸根浓度对减少水垢的产生有着重要作用, 但不是磷酸根的浓度越大产生水垢的可能性就越小, 过高的磷酸根浓度会起到一定的反作用。[4]在锅炉运行的过程中, 应结合水质的情况调节磷酸根的浓度。在水质较好的情况下, 适当降低磷酸根的浓度, 保证炉水中的p H值达到一定的防垢效果。因此在磷酸根浓度的把握上应该结合具体的情况, 确定合适的浓度, 有效利用药品, 发并挥其良好的防垢效果。

2.3 炉水加药技术的注意事项

按照一定的标准严格控制磷酸根的浓度, 减少浓度过高导致的药品浪费现象。合理标准的磷酸根浓度能够平衡炉水的含盐量, 有效的保护蒸汽品质, 同时减少磷酸三钠的隐藏, 避免磷酸盐铁垢的生成。根据水的硬度确定磷酸盐的量, 同时做好定排工作。当水的硬度过高时, 要停止加药, 以免产生大量的水渣, 造成排污系统的堵塞。对锅炉的排污系统要进行定期的检查, 对生成的水渣进行及时的清理。对药品进行源头上的控制, 对所需的磷酸三钠的质量进行严格的化验检验。此外, 当锅炉结垢较多时, 要在酸洗除垢之后进行加药。遵循少量、连续性的加药原则, 防止出现高浓度的状况。

3 结束语

随着电力工业的快速发展, 电厂的更新改造对电力系统提出了更高的技术要求与管理要求。进行有效的化学水汽监督以及炉水加药技术的运用, 使电厂在运行过程中得到有效的安全保障。本文主要阐述了做好电厂化学水汽监督的重要措施, 以及介绍了炉水加药技术和加药过程中应该注意的一些问题, 希望能够为电厂的发展提供借鉴, 促进炉水加药技术在广泛的运用中不断完善与发展。通过化学水汽监督, 及时发现运行过程中的异常情况, 减少事故的发生。日常工作中还应该及时清理高效率机组内部的污垢, 使汽机通气部位的保持通畅, 提高效率。不能使设备的部分构件金属材料长期处于温度、压力、热负荷、各种应力或振动频率等很高的条件下运行。影响其效率。

摘要：进行有效的电厂化学监督对于保证电力设备的安全稳定运行具有较大的作用。水汽监督是化学监督的主要方式, 通过对水汽品质的监督, 保证水汽质量, 减少热力设备腐蚀、结垢和积盐现象的发生。促进电厂的更好运行。本文主要阐述了有效进行化学水汽监督的措施和炉水加药处理技术的注意问题。

关键词：化学监督,水汽监督,炉水加药

参考文献

[1]马玉梅.电厂化学水汽监督与炉水加药处理技术探析[J].科技信息, 2012.

[2]曹杰玉, 刘玮, 宋敬霞等.提高水汽系统化学监督与在线化学仪表可靠性的研究[J].中国电力, 2008.

[3]王新利, 张丽英.火电厂化学水汽监督的探讨[J].科技传播, 2014.

成鞋透水汽性和吸水汽性测试方法篇4

成鞋的吸湿、透湿性与鞋的卫生性、舒适性密切相关,穿着透湿性不好的鞋,会造成如脚气、脚部湿疹、皮炎等诸多的脚部疾病,给人们的日常生活和学习工作带来诸多不便[1]。因此,成鞋的透水汽性和吸水汽性研究显得非常必要。

成鞋透水汽性是指成鞋使水蒸气从湿度较大的空气,透到湿度较小的空气中的能力。成鞋吸水汽性指的是鞋容纳水汽尤其是汗液的能力。

成鞋的透水汽和吸水汽过程要比单一材料和复合材料的过程更复杂,影响成鞋透水汽性和吸水汽性的因素包括鞋面材料、鞋底材料、胶粘剂、内包头、结构设计、制鞋工艺等,单纯鞋用材料的透水汽性和吸水汽性不能真实反映成鞋的这一性能[2]。

国外有关成鞋透水汽性测试仪的研制较早,早在20世纪70年代,美国专家初步设计了简单成鞋透水汽性测试仪,该装置的原理是在密闭鞋腔中通入水蒸气,使用电阻丝加热控制鞋腔内部温度,在恒定的温度、湿度条件下,通过精密的称重后,再计算得出成鞋的透水汽量。

国内有关透水汽和吸水汽性的研究大多针对制鞋材料[3,4,5],以单一材料为主,即使是组合材料,也仅仅通过胶粘剂将几种材料粘合在一起。针对相关测试装置的研究也很少,研制原理还是基于国外专家的早期研究,一般是在一定温度条件下,向密闭的鞋腔内通入具有一定湿度、压力的水汽,通过对成鞋的称重,计算出成鞋透水汽和吸水汽量[6,7]。然而,水蒸气温度较高,与人体排汗温度相差甚远;输送压力较高,不易密封;输送过程易冷凝成水滴,势必会减弱测试数据的合理性。

香港理工大学研制的暖体出汗假人“Walter”[8],用防水透湿型微孔膜织物,将位于身体中心区域的水循环系统进行密封,水循环系统按一定比例,将热水分配到身体的躯干部位,以模拟人体的整个温度分布[9]。采用这种方式模拟人体出汗,压力低、便于密封,且测试过程更接近人体穿着时的状态。

在暖体出汗假人的基础上,本文提出:利用含有微孔结构的防水透湿织物模拟出汗皮肤,自制“出汗假脚”测试装置,对成鞋透水汽性和吸水汽性测试方法进行研究。

“出汗假脚”包括假脚体、假脚皮肤、温控装置及水循环系统。起支撑作用的假脚体是具有一定弹性的带孔橡胶制成的中空脚模,便于测试不同款式、鞋跟高度、楦型的成鞋;假脚皮肤由含有微孔结构的防水透湿织物制成,将其穿在假脚体上,并在脚体内装满蒸馏水,此时假脚皮肤内侧的相对湿度为100%,水汽通过微孔膜扩散到鞋腔,更接近人脚状态;温控装置控制蒸馏水的温度,以模拟人脚温度;水循环系统控制蒸馏水在脚体内循环,使人脚温度分布均匀。

通过将“出汗假脚”穿入成鞋,并置于恒温、恒湿箱内的电子天平上,测试假脚和成鞋总质量随时间的变化,获得成鞋透水汽量;通过计算成鞋自身的增重,获得成鞋吸水汽量。该测试装置适用于测试不同环境条件下、不同类型成鞋的透水汽性和吸水汽性,操作简单、易实现。

1 试验部分

1.1 主要仪器和设备

BTH-150M8可控式恒温、恒湿试验箱,东莞市贝尔实验设备有限公司;电子天平,赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;TES-1341热线式风速计,泰仕电子工业股份有限公司;自制成鞋透水汽性和吸水汽性测试装置,见图1。

1-恒温恒湿箱;2-测试成鞋;3-电子天平;4-密封盖;5-水分保持附件;6-硅胶管(出水口);7-硅胶管(入水口);8-导线;9-水泵;10-温度控制器;11-出汗皮肤;12-加热棒;13-温度传感器1-constant temperature and humidity chamber;2-shoe for test;3-electronic scales;4-sealed cap;5-water maintenance accessories;6-silicone tube(outlet);7-silicone tube(inlet);8-wires;9-water pump;10-temperature controller;11-sweating skin;12-heating rod;13-temperature sensor

A-穿入试样鞋及覆盖吸湿性面料、隔水性薄膜的“出汗假脚”;B-加热控制和水泵控制器A-“artificial sweaty foot”wearing with the shoe sample and wrapped with hygroscopic fabrics and waterproof membrane;B-heating and pump controller

1.2 试验方法

试验前,按GB/T 22049-2008的规定[10],将成鞋试样在温度(23±2)℃、相对湿度(50±5)%条件下,调节26h以上,称取待测试样鞋的初始质量,记为m0。

打开恒温、恒湿箱开关,设定箱内温度、相对湿度和风速,待箱内温湿度稳定后,将自制“出汗假脚”(见图2),穿入待测试样鞋内。

用吸湿性面料将“出汗假脚”未被试样鞋覆盖的部分包裹,并在上面覆盖隔水性薄膜(统称为水分保持附件),见图3A。“水分保持附件”可以吸收未被试样鞋覆盖部分的“出汗假脚”皮肤扩散出的水分,并阻止其向外排出,相当于被“水分保持附件”遮挡的部位不出汗(吸收、保持而不外排),因此,该设备适用于满帮及浅口成鞋的测试。

打开“出汗假脚”上面螺旋紧固盖,装满低于“出汗假脚”设置温度3℃左右的蒸馏水后盖紧,将“出汗假脚”连同试样鞋放进恒温、恒湿箱内的电子天平上,设置“出汗假脚”温度为35℃,打开加热控制开关和水泵开关,见图3B。待温度恒定后,记录不同时间“出汗假脚”和试样的整体质量。

待试验结束后将假脚取出,称取试样鞋的质量记为m1。对于有些透水汽性、吸水汽性较差的成鞋,若内侧有积水,应将其擦去后再进行称量。

成鞋表面积的测量方法:采用胶布敷贴于整个鞋帮面,裁剪后利用有1cm×1cm网格的垫板,采用割补法计算面积。

透水汽量W1=Δm/(Δt×A0),其中Δm是试样的透水汽性到达稳定状态后,Δt时间段内“出汗假脚”和试样总质量的变化值,A0是试样鞋帮面表面积。

吸水汽量W2=(m1-m0)/A1,其中A1是试样鞋帮面和内垫的总表面积。

1.2.1 测试时间的确定

透水汽性和吸水汽性是在水蒸气分压梯度作用下实现的,受纤维对水汽吸附和解吸能力的影响。

由于“出汗假脚”皮肤的微孔膜结构,水汽通过微孔膜扩散到鞋腔,成鞋纤维吸收一部分水汽,并将部分水汽排出鞋体以外,成鞋的透水汽性和吸水汽性逐步处于平衡状态。当试验达到平衡时,由“出汗假脚”—成鞋—环境构成的温度梯度和湿度梯度处于一个稳定状态,在此状态下,成鞋的透水汽量和吸水汽量也处于一个稳定状态。

选择4种不同款式和材质组合的成鞋(1号单鞋,帮面为人造革,衬里和内垫为人造革;2号短靴,帮面人造革,衬里和内垫为织物绒;3号短靴,帮面为全粒面牛革,衬里和内垫为织物绒;4号单鞋,帮面为全粒面牛革,衬里和内垫为人造革),这4种成鞋帮面和衬里材质组合分别为人造革-人造革、人造革-织物、牛革-织物、牛革-人造革,具有一定代表性。

考察在一定温度、湿度条件下,这4种成鞋透水汽量随时间的变化规律,以确定试验的时间,见图4。

由图4可知,随着时间的延长,4种成鞋的透水汽量均逐渐增大,经过一段时间后,趋于平稳,透水汽量不再继续增大;不同鞋达到稳定状态的时间略有差异,但在120min后,基本都已达到稳定状态。

120min后,由于成鞋透水汽性和吸水汽性已经达到稳定状态,此时,成鞋单位时间的透水汽量保持恒定,因此,透水汽量的试验数据可以从120min后开始采集,在180min,即采集开始后60min,停止试验,将120~180min这段时间成鞋的透水汽量,作为评价成鞋透水汽性大小的依据。

该方法的稳定态是通过测试成鞋透水汽量的数据进行判定,测试时间以进入稳定态后透水汽性测试时间为依据。由于吸水汽的大小需要将假脚取出后测量成鞋的自身增重,因此以试验开始到进入相对稳定状态一段时间后,即180min时成鞋的吸水汽量(试验结束测量的成鞋自身单位面积的增重),作为成鞋吸水汽性大小的评价依据。

1.2.2 测试方法精密度验证

为了评价在相同试验条件下,成鞋透水汽性和吸水汽性测试方法所得到的试验结果的一致性,在“出汗假脚”温度为35℃、环境温度为23℃、相对湿度为50%、风速为0.43m/s的条件下,选择1只鞋(该鞋为单鞋,帮面、衬里和内垫均为人造革)进行6次重复性试验,得到成鞋的透水汽量和吸水汽量测试结果,见表1。

对表1中的测试结果进行统计分析,见表2。

表2中的RSD(相对标准偏差),通常用来表示测试结果的精密度;重复性限是指在重复性条件下,2个测试结果数值的绝对差小于或等于此数的概率为95%。根据GB/T 6379.6-2009[11],重复性限计算公式为:r=2.8σr,其中σr是重复性测试条件下的标准偏差。

由表2可知,6次重复试验条件下,成鞋的透水汽量的RSD为7.3%、吸水汽量的RSD为5.2%,表明所建立的成鞋透水汽性和吸水汽性方法具有较好的精密度。

由表2还可以看出,成鞋透水汽量和吸水汽量的重复性限均大于试验极差,同样证明所建立的测试方法精密度较好,适用于成鞋透水汽性和吸水汽性的测试。

2 结果与讨论

选取几种不同帮面材料、衬里材料和内垫材料组合的,且款式接近的成鞋作为试样,采用已建立的成鞋透水汽性和吸水汽性测试方法,对不同材质组合的成鞋透水汽性和吸水汽性能进行测试,每种成鞋重复测试2次,2次独立测试的成鞋透水汽量和吸水汽量相对偏差(相对偏差=(单次测定值-平均值)/平均值×100%)均<5%,因此将其平均值作为检测结果,以分析比较材质对成鞋透水汽性和吸水汽性的影响,见表3。

2.1 鞋帮面、衬里材质对成鞋透水汽性的影响

由表3可知,1号和3号成鞋的衬里材质相同,帮面材质略有差异,与3号牛全粒面革帮面成鞋相比,1号羊绒面革帮面成鞋的透水汽量较大。

2号~5号成鞋帮面材质均为牛全粒面革,衬里材质依次为无衬里、猪里革、织物绒里、合成革,成鞋透水汽量依次降低,表明在成鞋帮面材质相同的条件下,成鞋衬里材质对成鞋透水汽性影响较大;与衬里材质为合成革的成鞋相比,衬里材质为猪里革和织物绒里的成鞋透水汽量较大。

通过对衬里材质均为合成革的5号~7号成鞋分析可知,与人造革帮面成鞋相比,牛全粒面革和牛修面革帮面成鞋的透水汽量均较高,且牛全粒面革帮面的5号成鞋,比牛修面革帮面的6号成鞋的透水汽量略高。7号和8号成鞋帮面均为人造革,但与衬里为合成革的7号成鞋相比,衬里为织物绒里的8号成鞋透水汽性更好。

注:4号成鞋与1.2.1中的3号短靴相同,8号成鞋与1.2.1中的2号短靴相同。Note:No.4 shoe is the same as No.3 ankle boot in 1.2.1,and No.8 shoe is the same asNo.2 ankle boot in 1.2.1.

比较8号和9号成鞋可知,当鞋帮面和衬里均为织物绒时,成鞋的透水汽性有显著的提高,甚至比帮面和衬里均为皮革的1号和2号成鞋透水性还好。

通过上述分析可知,材质为皮革或织物绒的成鞋,比材质为人造革或合成革的成鞋透水汽性更好,这与所采用材料本身的透水汽性能吻合。

皮革中含有丰富的亲水基团,其胶原纤维特殊的编织方式所形成的微孔结构,能使其透水汽性能大大提高。布的纤维之间的孔隙较大、数量较多,因此透水汽性也较好。此外,鞋帮面和衬里均由透水汽性较好的材质构成时,成鞋的透水汽性也较好;无论鞋帮面和衬里,有一种材质透水汽性较差,就会影响成鞋的透水汽性。

2.2 鞋帮面、衬里和内垫材质对成鞋吸水汽性的影响

由表3可知,与成鞋透水汽性相比,成鞋吸水汽量的大小与所用鞋材的相关性不大,这可能与成鞋的构造和生产过程有一定关系。但可以发现,鞋帮面、衬里和内垫均为皮革的成鞋吸水汽量均较高。这是由于皮革特殊的胶原纤维编织结构和亲水性,使其具有较好的吸水汽性。

织物绒为鞋材的成鞋吸水汽性有高有低,这可能与织物绒的材质和种类有关,一般而言,纯棉织物的吸水汽性比合成纤维好。

6号成鞋帮面为牛修面革,衬里、内垫分别为合成革和人造革,吸水汽量为15.33mg/cm2,与其他成鞋相比,其吸水汽量很高,且经多次测量,测试结果一致。这可能与成鞋的款式和所用材料的种类以及制鞋生产工艺有关,如6号成鞋帮面、衬里之间所使用的粘合剂用量较小,因此粘胶剂对成鞋吸水汽量影响较其他鞋小。此外,由于6号成鞋的款式为内增高鞋,皮革帮面较软,使用了较大面积的吸湿性补强材料和衬托,也使得成鞋吸水汽量较高。

综上所述,成鞋的吸水汽性与鞋帮面、衬里和内垫材质、制鞋生产工艺以及成鞋的款式,均有一定关系。

3结论

本研究通过自制“出汗假脚”,研制了一套成鞋透水汽性和吸水汽性测试装置,并初步探讨了稳定状态下成鞋透水汽性和吸水汽性测试方法。该成鞋透水汽性和吸水汽性测定方法更接近人脚和汗液温度,以及人体出汗方式,能够准确表征成鞋的透水汽性和吸水汽性,并适合于不同款式、鞋跟高度、楦型的成鞋透水汽性和吸水汽性的检测。

参考文献

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[10]GBT 22049-2008鞋类鞋类和鞋类部件环境调节及试验用标准环境[S].

水汽增强温室效应的探讨篇5

全球变化科学是从20世纪80年代发展起来的一个新兴的学科领域,气候变化是全球变化研究的核心问题和重要内容。近年来,气候变暖问题已经引起世界各国的广泛重视。自1860年使用仪器进行气候观测以来,全球地表气温增加了(0.6±0.2)℃。

分析表明,地球在过去的1000年中,20世纪可能是增温最明显的一个世纪。自1950年以来,全球陆面夜间的日平均最低温度的增加率是白天日平均最高温度增加率的2倍。主流观点认为,人为排放过量二氧化碳导致的温室效应增强是全球气候增暖的主要原因[1]。政府间气候变化小组(IPCC)第三次评估报告进一步确认,近百年的全球气候变化主要是由自然因素和人类活动共同造成的,而近50年来的增暖主要是受人类活动的影响[2]。

目前,全球气候变暖问题还存在许多的不确定性。例如:气候变化的监测和检测的不确定性;全球气候变暖物理机制的不确定性等。对于水汽的作用,一些观点认为水汽在大气中的浓度变化不明显,因此对温室效应增强的影响不大;还有一些观点认为水汽对全球气候变暖有很强的正反馈作用。但是,这些观点都没有考虑水汽凝结(凝华)放热的物理机理,而这部分潜热释放量是非常大的。因此,有必要从这个方面研究水汽对全球气候变暖的影响。

1 全球气候变暖的原因

概括来说,全球气候变暖的原因可分为自然因素和人类活动的影响两大类。自然因素主要有太阳辐射源的变化,地球轨道椭圆角度的变化和轨道倾角的变化,地外物体的撞击,地球地质活动的变化等。人为因素主要有燃烧矿物燃料、毁林、制冷设备及泡沫塑料的使用、不合理的土地利用等引起的大气温室气体浓度增加,硫酸盐等大气气溶胶浓度的变化,以及陆地覆盖和土地利用属性的变化等等。

目前,对全球气候变暖问题存在的争论主要有[3]:

1)气候变暖的突然性仍有待进一步解释。

2)1940年以后北半球气温下降,南半球气温下降虽不明显,但也没有上升,而这时期正是温室气体浓度迅速上升的时期。

3)虽然全球有变暖的趋势,但也有区域性差异,中国近百年的变暖就不明显。工业污染、尘埃、火山喷发以及臭氧消耗等对气候也存在一定的影响,是气候变化中的不确定性因素。

目前,对全球及大范围区域的气候变化的观测和检测能力不足,尤其是对海洋、沙漠、高原等无人居住区的气候变化事实不十分清楚,全球气象观测站的数据97.5%是在城市或城市周围取得的[4],存在观测站位置不全面的问题。在还没有确认人类活动是造成气候变化的主要原因之前,便把太多的注意力放在了人类活动对气候的影响上,所有这些都是让人对气候变暖起疑的重要原因[5],而且仅用二氧化碳的增温效应很难解释近百年来全球平均温度的变化特点。例如,20世纪末到本世纪初,无论在海上还是在陆上气温都是近百年来的最低点,尽管这时CO2浓度比19世纪中期有了显著增加。但是,在CO2浓度迅速增加的20世纪50～70年代,气温又一次明显地下降,显然这也和CO2的增温效应不一致[6]。因此认为CO2的温室效应可能仅是对气候增暖的一种影响。

2 水汽特性及其对全球气候变暖的影响

德国科学家在实施“世界气候研究计划”中发现,近45年来,大气层中的水蒸气浓度增加了75%,水蒸气浓度增大造成地面辐射无法散发。1980年,美国科学家用卫星对大气层中的水蒸气浓度进行观测,截至现在将大量数据综合分析取证,得出了水蒸气浓度增加可能是全球气温上升的因素的结论。大气中水汽的变化与气候变化之间相互关联,相互影响,是全球气候变化研究的难点之一。

一般认为,大气中水汽的绝对含量在很大程度上决定了底层大气对红外辐射的不透明程度。因此,在相对湿度不变的情形下,大气中水汽绝对含量增加,使得低层大气对红外辐射的不透明度增大,于是地表面的净辐射也必然增大,从而导致低层大气温度升高。气温的升高,必然又会使大气中的水汽含量增多,从而使低层大气的温度进一步升高,这就是水汽的正反馈作用[7]。

将大气中有云部分考虑为黑体,无云部分为灰体。在无云部分的大气中,含有H2O、CO2、CH4、O3等,它们是大气中长波辐射的主要吸收体,也是主要发射体。其中与气温关系最大的是水汽。按灰体近似的无云大气部分的长波发射率ε主要由水汽发射率与辐射的反馈关系表示,参照文献[8],ε表示为:

ε=ε0+εTT (1)

式中:T—1km层大气温度;ε0、εT—均为参数。

式(1)表明,大气温度升高引起大气中水汽含量增加,使对流层内总光学厚度增加,因而水汽发射率变大,使地表温度升高,进而使大气温度进一步升高。这是气候系统中的一个正反馈过程。

水汽是地球大气中含量最高、温室效应最强的温室气体,它不仅在天气系统的发展中起着特别重要的作用,在地气辐射收支中也起着很大的作用。水汽在红外线波段有强烈的吸收带,能强烈地吸收和放出长波辐射,因此,它通过改变地气系统辐射收支,影响地面和空气的温度,也影响大气的垂直运动。水汽对地面的长波辐射吸收最为显著,主要吸收波长在5～8μm及超过19μm的红外辐射。水汽最强和最宽也是最重要的吸收带是6.3μm带,是振动和转动能量变化产生的振转光谱。90%以上的水汽集中在对流层,所以它的吸收作用主要发生在对流层,特别是对流层下层。大气中的水尤其是水滴或冰晶构成的云,能强烈吸收地面放出的长波辐射,云还能反射和吸收太阳辐射,所以,大气中水分的存在对地面和空气温度有很大的影响。

水汽是在大气温度变化范围内唯一可以发生相变的成分。地球吸收的大部分热量是用来蒸发水分的,由于水的特殊性质,需要花费很大的能量将水转化为气态,这种能量就储存在水汽中作为隐藏或潜在的能量,当水汽冷凝后潜在的能量就随即释放出来。水汽的热容量和潜热特性,对整个地球的热量变化有着重要的调节作用。大气中能量的转换、传递(运输)主要是靠水的相变,就是靠水从气态到液态到固态的转变来完成的,转换过程中伴随着潜热的吸收和释放,不仅引起大气湿度的变化,同时也能引起热量的转移。表1列出了水的一些物理化学特性。

一般来说,由于在对流层大气中温度随高度递减,水汽的饱和混合比浓度也随高度增加而急剧下降。因此,上升气流将在某个高度上使水汽的混合比浓度接近其饱和值,在这种情况下,水汽将在微米量级的凝结核上开始转化成液相水滴或固相冰晶。其后,这些水滴或冰晶继续凝结增长,当其尺度达到几微米时,便开始通过碰并机制继续增长。水汽凝结成液相水或固相冰晶的过程中释放出大量潜热,以往的观点认为释放出的大量潜热传递给了周围的空气[9],但事实却并非如此。

大气按热力结构可以分为对流层、平流层、中间层、热层。水汽的蒸发与凝结(凝华)主要发生在对流层。对流层顶部高度在极地上空约为8～14km,赤道上空约为15～20km;虽然赤道地区地面温度比极地高很多,但极地对流层顶的温度却比赤道地区高15～25K,平均垂直温度递减率约6.5K/km,因此地球大气中传热学尺度上的温差是非常小的。

众所周知,大气中的水汽主要来自海洋与陆地表面的水蒸发,并在斐克(Fick)定律作用下与周围大气一同作上升与扩散运动。通常,水蒸发时与蒸发表面的大气应处于热平衡状态。即便存在一定的温差,也会随着气团的上升与扩散而越来越小。更由于垂直温度递减率只有6.5K/km,经过“长途跋涉”后出现的大气凝结核及云滴与周围大气的温差更是微乎其微,因此大气物理学关于潜热通过热传导过程向周围大气传输的观点是值得怀疑的。

如果热传导是真实的,假定水蒸气的凝结潜热Q=ρwVwL可使周围大气温度升高Δt,则由热平衡关系Q=ρwVwL=ρaVaCpΔt,可计算出被加热大气的容积Va=ρwVwL/ρaCpΔt,因此垂直距离越高、大气温升越小,所需的大气容积越大。水的密度ρw≈1000kg/m3,大气中的蒸汽凝结成水的潜热L≈2500kJ/kg,假定水蒸汽凝结发生在10km的高空,其标准大气的密度ρa=0.413kg/m3[10],大气比热Cp=1.005kJ/(kg·K)。假定生成的雨滴容积1mm3,并使周围大气升高1K的温度,则通过上述热平衡可以计算出所需的大气容积为6.023×106mm3。显然,这种数量级的关系决定了传热既不可能是导热,也不可能是对流,更何况周围大气温度升高1K的可能性不大。但事实上,水蒸气的确在高空凝结或凝华了。因此,文中推断水蒸气凝结及凝华过程只能通过辐射放热。

根据物理学,处于激发态的原子或分子能够以电磁辐射的形式释放其多余的能量,换句话说,当处于激发态的原子或分子返回基态时就会发出辐射。由于水蒸气与水之间没有均质的热力学状态,因此水蒸气可以看成是水的激发态。水蒸气的凝结(凝华)过程中的分子碰撞是最完美的非弹性碰撞。因此,本文推断水汽凝结及凝华过程产生的热量以电磁波辐射的形式向外层空间和地面发射。由于凝结及凝华过程的辐射放热方向具有随机性,向外层空间辐射是维持地球大气温度不至于太高的重要保证,向地面辐射则可能是大气温室效应的主要原因。

以下定量计算近百年来大气热容量的增量及水汽增加所释放的潜热量。

ΔH=ΔHa+ΔHv=M空气·Cpm·Δt+ΔM水汽·γ (2)

式中:M空气—大气圈的总质量,约为5.27×1018kg;Cpm—0℃时空气的定压比热容,Cpm=1.004kJ/(kg·K);Δt—近百年来全球温度的平均升高值,约为0.6℃;ΔM水汽—近百年来全球水汽的增量,有资料表明,近百年来全球平均降水量增加了21mm,全球的年平均降雨量约为900mm,全球降水量为57.7万km3[11];r—水汽的凝结潜热量,约为2.5×106J/kg。

分别计算式中的两项:

undefined

水汽的凝结潜热量在整个大气热容量的比重undefined。

比较计算结果可知,增加的水汽量所释放的潜热量大约是大气热容量增量的1.06×104倍。因此,文中推测水汽的潜热量对温室效应的增强是非常大的。

3 结论

大气中水蒸气的变化与气候变化之间相互关联,相互影响,水蒸气对气候的影响除了其吸收性之外,更重要的还有其潜热的辐射释放。水蒸气的热容量和潜热特性,对整个地球的热量变化有着重要的调节作用。由于水与水蒸气之间没有均质的热力学状态,水蒸气凝结(或凝华)是分子之间的能级阶跃。

因此,文中推断水蒸气凝结(或凝华)是通过辐射放热的。由于辐射放热方向的随机性,向外层空间辐射是维持地球大气温度不至于太高的重要保证,向地面辐射可能是大气温室效应的一个主要原因。

摘要：从研究水汽的热力学特性出发,通过定性分析和定量计算,着重探讨水汽对全球气候变暖的影响。通过研究,推测水蒸气凝结是通过辐射放热的,其凝结过程中向地面的辐射可能是大气温室效应的一个主要原因。

关键词：全球变暖,水汽,潜热,热力学特性

参考文献

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