CN111525162A - 一种燃料电池测试系统加湿装置及加湿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池测试系统加湿装置及加湿方法，鼓泡加湿与喷淋加湿相互叠加，取长补短，可以有效实现加湿过程的稳定性与快速性。在稳定运行状态和气体流量减小的动态调节状态中，主要采用鼓泡加湿，提高温湿度控制稳定性；在气体流量增加的动态调节状态中，短期内同时采用鼓泡加湿与喷淋加湿，同时开启电加热，以满足温湿度调节快速性要求，待鼓泡加湿器液位达到设定值后，逐渐减小甚至关闭喷淋加湿，最终到达新稳态。温度和湿度的控制是基于热力计算的前馈控制，在湿度传感器测量值到达稳定点之前，通过理论计算，间接的保证加湿的准确性与快速性。

Description

一种燃料电池测试系统加湿装置及加湿方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池测试系统加湿装置及加湿方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)被认为是当今最有前途的清洁能源技术之一。它可以应用于车辆和固定式发电机。质子交换膜燃料电池具有零排放、低噪声、高能量密度和高可靠性等优点。与其他类型的燃料电池相比，PEMFC具有更好的动态功率响应和更快的启动速度。为提高燃料电池的性能，一个重要指标是膜的含水量，足够的膜含水量可以保证其具有较高的质子导电性，从而减小内阻。膜含水量可以通过对反应气体加湿来控制。
燃料电池加湿方式主要有鼓泡加湿、喷淋加湿与膜加湿。其中鼓泡加湿由于加湿水存在热容，因此对设定温度的响应较慢，无法满足加湿快速性需求。而喷淋加湿后的气体中存在小液滴，因此影响加湿效果，通过测量加热板的温度来调节加热功率，可能会导致水雾蒸发不完全或湿气过热，且调节过程中水流量和加热管功率的波动会引起湿度较大的变化。使用出电堆气体加湿进电堆气体的膜加湿方式，不能主动精确的调节入堆气体湿度，并且在流量突然改变时，湿度调节存在滞后，膜加湿方式不能满足加湿快速性要求。此外，湿度传感器本身的滞后也会影响温度调节的稳定性与准确性。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种燃料电池测试系统加湿装置，鼓泡加湿器与喷淋加湿器相互叠加，取长补短，可以有效实现加湿过程的稳定性与快速性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种燃料电池测试系统加湿装置，包括：
鼓泡加湿器；所述鼓泡加湿器包括用于储存加湿液的第一储液箱、浸没在所述加湿液中的气体分布器、开设于所述第一储液箱上的且位于所述气体分布器下方的进气口、开设于所述第一储液箱上的用于通出湿化气体的第一出气口、用于为所述湿化气体加热的加热机构、用于为所述加湿液控温的控温机构；
喷淋加湿器；所述喷淋加湿器包括用于储存所述加湿液的第二储液箱、与所述第二储液箱连通的喷嘴、用于通入所述湿化气体的混合室、用于测量所述混合室中湿度的湿度传感器、开设于所述混合室中的第二出气口，所述喷嘴位于所述混合室中；
液位控制系统；所述液位控制系统包括用于检测所述第一储液箱中液位高度的液位传感器、连通在所述第一储液箱上的排水管路、连通在所述第一储液箱和所述第二储液箱之间的补水管路；
所述加热机构，用于加热所述湿化气体使其用于完全气化所述混合室中由于喷淋加湿产生的小液滴。
优选地，所述加热机构为电阻丝网，所述电阻丝网位于所述第一储液箱中，且位于所述加湿液液面上方。
优选地，所述控温机构包括用于检测所述第一储液箱中所述加湿液温度的第一温度传感器、两端均与所述第一储液箱连通的控温回路管,所述控温回路管上设有第一水泵、电加热器和风冷换热器。
优选地，所述喷淋加湿器还包括设于所述喷嘴和所述第二储液箱之间的喷淋流量计和第二水泵。
优选地，所述液位控制系统还包括设于所述排水管路上的排水电磁阀和排水流量计。
优选地，所述液位控制系统还包括设于所述补水管路上的第三水泵和补水流量计。
优选地，所述装置还包括与所述进气口连通的气体质量流量控制器。
优选地，所述喷淋加湿器还包括用于检测所述第二储液箱中所述加湿液温度的第二温度传感器。
本发明的第二个目的是提供一种燃料电池测试系统加湿方法，鼓泡加湿方法与喷淋加湿方法相互叠加，取长补短，可以有效实现加湿过程的稳定性与快速性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种燃料电池测试系统加湿方法，通过上述的加湿装置实现，包括以下步骤：
根据实验得出所述加湿装置在相同加湿温度下气体流量、液位高度、湿化气体湿度的关系示意图；
S1：根据测试要求给定气体加湿后的设定湿度与设定温度，选取所述设定温度对应的所述关系示意图；
S2：通过控温机构调节第一储液箱中加湿液的温度，使其等于所述设定温度；
S3：根据所述气体流量和所述设定湿度，从所述关系示意图中得出第一设定液位高度，调节所述第一储液箱中所述加湿液的液位，使其等于所述第一设定液位高度，之后进入稳态调节，转入步骤S4；调节液位的过程包括升液位调节和降液位调节；
进入稳态调节后：
若所述设定温度、所述设定湿度与所述气体流量保持不变，保持稳态调节；
若所述设定湿度或所述气体流量变大，进入升液位调节，转入步骤S6；
若所述设定湿度或所述气体流量变小，进入降液位调节，转入步骤S9；
S4：关闭加热机构，同时关闭喷嘴，转入步骤S5；
S5：根据所述湿度传感器测得的实时湿度，小幅度调节所述第一储液箱中所述加湿液的液位；
当所述实时湿度小于所述设定湿度时，打开补水管路；
当所述实时湿度大于所述设定湿度时，打开排水管路；
S6：从所述关系示意图中得出第二设定液位高度，打开所述补水管路，使所述第一储液箱中所述加湿液的液位缓慢上升，直至等于所述第二设定液位高度，转入步骤S7；
S7：根据所述气体流量、所述第一储液箱中所述加湿液的实时高度，从所述关系示意图中得出湿化气体的实时湿度，根据所述实时湿度和所述设定湿度，计算得到需要通过所述喷嘴喷入所述混合室中的加湿液流量，根据所述加湿液流量计算所述加热机构的加热功率，使得加热后的湿化气体用于完全气化所述混合室中由于喷淋加湿产生的小液滴，转入步骤S8；
S8：在所述第一储液箱中所述加湿液液位缓慢上升的过程中，开启所述加热机构，根据计算结果调节所述加热机构的加热功率；开启所述喷嘴，根据计算结果调节所述喷嘴中加湿液的流量；
S9：从所述关系示意图中得出第三设定液位高度，打开所述排水管路，使所述第一储液箱中所述加湿液的液位下降，直至等于所述第三设定液位高度。
优选地，在步骤S7中，根据所述加湿液流量、所述第一储液箱和第二储液箱中加湿液的温度差，计算所述加热机构的加热功率，使得加热后的湿化气体用于完全气化所述混合室中由于喷淋加湿产生的小液滴以及将气化产物升至与湿化气体相同的温度。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种燃料电池测试系统加湿装置及加湿方法，鼓泡加湿与喷淋加湿相互叠加，取长补短，可以有效实现加湿过程的稳定性与快速性。
在稳定运行状态和气体流量减小的动态调节状态中，主要采用鼓泡加湿，提高温湿度控制稳定性；在气体流量增加的动态调节状态中，短期内同时采用鼓泡加湿与喷淋加湿，同时开启电加热，以满足温湿度调节快速性要求，待鼓泡加湿器液位达到设定值后，逐渐减小甚至关闭喷淋加湿，最终到达新稳态。温度和湿度的控制是基于热力计算的前馈控制，在湿度传感器测量值到达稳定点之前，通过理论计算，间接的保证加湿的准确性与快速性。
附图说明
附图1为本发明装置的结构示意图；
附图2为本发明方法的方法流程图；
附图3为本发明装置在相同温度下气体流量、液位高度、湿化气体湿度的关系示意图。
其中：1、第一储液箱；2、气体分布器；3、进气口；4、第一出气口；5、第二储液箱；6、喷嘴；7、混合室；8、湿度传感器；9、第二出气口；10、液位传感器；11、排水管路；12、补水管路；13、电阻丝网；14、第一温度传感器；15、控温回路管；16、第一水泵；17、电加热器；18、风冷换热器；
19、喷淋流量计；20、第二水泵；21、排水电磁阀；22、排水流量计；23、第三水泵；24、补水流量计；25、气体质量流量控制器；26、第二温度传感器；27、氢气/空气入口；28、氢气/空气出口。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
参见图1所示，上述一种燃料电池测试系统加湿装置，包括鼓泡加湿器、喷淋加湿器、用于控制鼓泡加湿器中液位高度的液位控制系统。
上述鼓泡加湿器包括用于储存加湿液的第一储液箱1、浸没在加湿液中的气体分布器2、开设于第一储液箱1底部的且位于气体分布器2下方的进气口3、开设于第一储液箱1顶部的用于通出湿化气体的第一出气口4、用于为湿化气体加热的加热机构、用于为加湿液控温的控温机构。气体分布器2用于使气体以气泡的形式向上进入加湿液中。
在本实施例中，加热机构为电阻丝网13，电阻丝网13位于第一储液箱1中，且位于加湿液液面上方，电阻丝网13位于第一出气口4下方。
在本实施例中，控温机构包括用于检测第一储液箱1中加湿液温度的第一温度传感器14、两端均与第一储液箱1连通的控温回路管15,控温回路管15上设有第一水泵16、电加热器17和风冷换热器18。
第一水泵16将第一储液箱1中的加湿液依次泵入电加热器17和风冷换热器18中，再回流至第一储液箱1中。当第一温度传感器14测得的加湿液温度偏离设定温度时，需要对加湿液温度进行调节。当需要降低温度时，电加热器17关闭，风冷换热器18散热风扇开启，使回流的加湿液温度降低。当需要升高温度时，电加热器17开启，风冷换热器18散热风扇关闭，使回流的加湿液温度升高。
上述一种燃料电池测试系统加湿装置还包括与进气口3连通的气体质量流量控制器25，用于控制氢气/空气入口27输入的气体流量，使气体以设定的流量进入第一储液箱1中。
上述喷淋加湿器包括用于储存加湿液的第二储液箱5、与第二储液箱5连通的喷嘴6、用于通入湿化气体的混合室7、用于测量混合室7中湿度的湿度传感器8、开设于混合室7中的第二出气口9，喷嘴6位于混合室7中。第一出气口4与混合室7连通，用于将加热后的湿化气体通入混合室7中。喷嘴6则用于将第二储液箱5中的加湿液喷入混合室7中。通过这个设置，用于补足湿化气体湿度不足时所欠缺的加湿液。混合室7中的湿化气体从第二出气口9输出，最终从氢气/空气出口28以设定温度和设定湿度进入燃料电池堆。
在本实施例中，喷淋加湿器还包括设于喷嘴6和第二储液箱5之间的喷淋流量计19和第二水泵20。具体的，在气体流量增加时，为了使加湿后气体湿度保持不变，第一储液箱1需要缓慢增加液位高度，在液位高度达到稳定值前，通过喷淋加湿器对气体进行快速加湿。加湿液从第二储水箱经过第二水泵20升压后，一次流通经过喷淋流量计19和喷嘴6，在混合室7中与来自鼓泡加湿器的湿化气流混合，小液滴充分气化。通过控制第二水泵20的转速来控制喷淋流量。
上述加热机构用于加热湿化气体使其用于完全气化混合室7中由于喷淋加湿产生的小液滴。在本实施例中，喷淋加湿器还包括用于检测第二储液箱5中加湿液温度的第二温度传感器26。通过这个设置，调节加热机构的加热功率，使得加热后的湿化气体用于完全气化混合室7中由于喷淋加湿产生的小液滴以及将气化产物升至与湿化气体相同的温度。
上述液位控制系统包括用于检测第一储液箱1中液位高度的液位传感器10、连通在第一储液箱1上的排水管路11、连通在第一储液箱1和第二储液箱5之间的补水管路12。
在本实施例中，液位控制系统还包括设于排水管路11上的排水电磁阀21和排水流量计22、设于补水管路12上的第三水泵23和补水流量计24。
具体的，当液位传感器10测量的液位高度偏离设定值时，需要对液位进行调节。当需要降低液位时，第一储液箱1底部的排水电磁阀21开启，向外排出加湿液，排水流量计22用于测量排水流量。当需要升高液位时，第三水泵23开启，第二储液箱5中的加湿液经过补水流量计24进入第一储液箱1中。由于第二储水箱中的加湿液温度较低，大流量流入第一储液箱1中会导致加湿液温度骤降。因此，为了保证温度控制稳定性，补水流量不能过大。
参见图2所示，上述一种燃料电池测试系统加湿方法，通过上述的加湿装置实现，包括以下步骤：
根据实验得出上述加湿装置在相同加湿温度下气体流量、液位高度、湿化气体湿度的关系示意图。
S1：根据测试要求给定气体加湿后的设定湿度与设定温度，选取设定温度对应的关系示意图，参见图3所示，其中，横轴为通入第一储液箱1中的气体流量，纵轴为第一出气口4通出的湿化气体湿度，h1、h2和h3均为第一储液箱1中加湿液的液位高度，h1＞h2＞h3。
S2：通过控温机构调节第一储液箱1中加湿液的温度，使其等于设定温度。
具体的，当第一温度传感器14测量的加湿液温度高于设定温度时，需要进行降温，此时电加热器17关闭，风冷换热器18散热风扇开启，使回流的加湿液温度降低；当第一温度传感器14测量的加湿液温度低于设定温度时，需要进行升温，此时电加热器17开启，风冷换热器18散热风扇关闭，使回流的加湿液温度升高。
S3：根据实际气体流量和设定湿度，从上述关系示意图中得出第一设定液位高度，调节第一储液箱1中加湿液的液位，使其等于第一设定液位高度，之后进入稳态调节，转入步骤S4；调节液位的过程包括升液位调节和降液位调节。
进入稳态调节后：
若设定温度、设定湿度与气体流量均保持不变，保持稳态调节；
若设定湿度或气体流量变大，进入升液位调节，转入步骤S6；
若设定湿度或气体流量变小，进入降液位调节，转入步骤S9。
S4：关闭加热机构，同时关闭喷嘴6，转入步骤S5。
S5：根据湿度传感器8测得的实时湿度，小幅度调节第一储液箱1中加湿液的液位。
具体的，由于存在测量误差以及实际运行中的各种干扰，根据实验标定的鼓泡加湿器温度、气体流量、液位高度与湿化气体湿度的对应关系无法与测试时的实际情况完全吻合，因此当液位高度到达第一设定值后，湿化气体湿度与设定湿度之间存在误差。为了消除稳态误差，需要利用湿度传感器8的反馈值形成闭环控制调节鼓泡加湿器液位。当湿度传感器8反馈值低于设定湿度时，需要升高液位，第三水泵23开启，第二储液箱5中的加湿液经过补水流量计24进入第一储液箱1中，补水流量计24用于测量补水流量；当湿度传感器8反馈值高于设定湿度时，需要降低液位，第一储液箱1底部的排水电磁阀21开启，向外排出加湿液，排水流量计22用于测量排水流量。为减小湿度传感器8滞后所带来的的影响，液位高度调节不应过快，由于液位高度已经在稳定值附近，只需对其进行缓慢的微调即可，例如可以通过减小第三水泵23的转速和缩短排水电磁阀21的开启时间来实现。
S6：从上述关系示意图中得出第二设定液位高度，打开第三水泵23，关闭排水电磁阀21，使第一储液箱1中加湿液的液位缓慢上升，直至等于第二设定液位高度，转入步骤S7。
具体的，由于设定湿度或气体流量突然变大，导致湿化气体湿度迅速低于设定湿度，为使湿化气体湿度重新到达设定值，需要升高液位高度。为了保持第一储液箱1中加湿液温度稳定，需要使液位缓慢上升，例如可以通过减小第三水泵23的转速来实现。
S7：根据实际气体流量、第一储液箱1中加湿液的实时高度，从上述关系示意图中得出湿化气体的实时湿度，根据实时湿度和设定湿度，计算得到需要通过喷嘴6喷入混合室7中的加湿液流量，根述加湿液流量计算加热机构的加热功率，使得加热后的湿化气体用于恰好完全气化混合室7中由于喷淋加湿产生的小液滴，转入步骤S8。
具体的，根据上述加湿液流量、第一储液箱1和第二储液箱5中加湿液的温度差(一般情况下，第一储液箱1中的加湿液温度要高于第二储液箱5中的加湿液温度)，计算加热机构的加热功率，使得加热后的湿化气体用于恰好完全气化混合室7中由于喷淋加湿产生的小液滴以及将气化产物升至与湿化气体相同的温度。也就是说，气化小液滴后混合室7中的湿化气体不仅湿度能够达到设定湿度，温度也恰好达到设定温度。
S8：在第一储液箱1中加湿液液位缓慢上升的过程中，开启加热机构，根据计算结果调节加热机构的加热功率；开启喷嘴6，根据计算结果调节喷嘴6中加湿液的流量。
具体的，通过调节第二水泵20使喷淋流量计19的示数等于上述加湿液流量，从而补偿第一储液箱1液位未能快速升高所造成的加湿能力不足以及湿度传感器8的测量滞后问题。通过开启电阻丝网13到达设定的加热功率，确保喷淋湿化气体后将存在小液滴完全汽化。
S9：从上述关系示意图中得出第三设定液位高度，打开排水电磁阀21，关闭第三水泵23，使第一储液箱1中所述加湿液的液位下降，直至等于第三设定液位高度。
具体的，由于设定湿度或气体流量突然变小，导致湿化气体湿度迅速高于设定湿度，为使湿化气体湿度到达设定值，需要降低液位高度。由于排水对加湿液温度影响不大，故可以快速降低液位高度。
在调节液位的步骤中，即在S5、S6、S9中，需要保持控温机构的持续运行，以保证第一储液箱1中的加湿液始终维持在设定温度。
本发明针对质子交换膜燃料电池测试系统加湿过程中，由于鼓泡加湿液存在热容引起的温度响应慢、喷淋加湿后气体中小液滴汽化不完全和湿度传感器8本身滞后引起的湿度调节稳定性与准确性降低的问题，提出一种燃料电池测试系统加湿装置及加湿方法，该装置包括鼓泡加湿与喷淋加湿两种加湿方式，两种加湿方式取长补短，可以有效实现加湿过程的稳定性与快速性。该加湿方法为基于热力计算得到设定喷淋流量和电阻丝网13加热功率的前馈控制方法，可以有效解决气体流量与设定湿度突变情况下，由于鼓泡加湿器液位未能快速升高所造成的加湿能力不足和湿度传感器8的测量滞后问题，并且避免了快速调节过程中湿度传感器8测量滞后引起的湿度调节准确度低的问题。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池测试系统加湿装置，其特征在于：包括：
鼓泡加湿器；所述鼓泡加湿器包括用于储存加湿液的第一储液箱、浸没在所述加湿液中的气体分布器、开设于所述第一储液箱上的且位于所述气体分布器下方的进气口、开设于所述第一储液箱上的用于通出湿化气体的第一出气口、用于为所述湿化气体加热的加热机构、用于为所述加湿液控温的控温机构；
喷淋加湿器；所述喷淋加湿器包括用于储存所述加湿液的第二储液箱、与所述第二储液箱连通的喷嘴、用于通入所述湿化气体的混合室、用于测量所述混合室中湿度的湿度传感器、开设于所述混合室中的第二出气口，所述喷嘴位于所述混合室中；
液位控制系统；所述液位控制系统包括用于检测所述第一储液箱中液位高度的液位传感器、连通在所述第一储液箱上的排水管路、连通在所述第一储液箱和所述第二储液箱之间的补水管路；
所述加热机构，用于加热所述湿化气体使其用于完全气化所述混合室中由于喷淋加湿产生的小液滴。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池测试系统加湿装置，其特征在于：所述加热机构为电阻丝网，所述电阻丝网位于所述第一储液箱中，且位于所述加湿液液面上方。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池测试系统加湿装置，其特征在于：所述控温机构包括用于检测所述第一储液箱中所述加湿液温度的第一温度传感器、两端均与所述第一储液箱连通的控温回路管,所述控温回路管上设有第一水泵、电加热器和风冷换热器。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池测试系统加湿装置，其特征在于：所述喷淋加湿器还包括设于所述喷嘴和所述第二储液箱之间的喷淋流量计和第二水泵。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池测试系统加湿装置，其特征在于：所述液位控制系统还包括设于所述排水管路上的排水电磁阀和排水流量计。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池测试系统加湿装置，其特征在于：所述液位控制系统还包括设于所述补水管路上的第三水泵和补水流量计。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池测试系统加湿装置，其特征在于：所述装置还包括与所述进气口连通的气体质量流量控制器。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池测试系统加湿装置，其特征在于：所述喷淋加湿器还包括用于检测所述第二储液箱中所述加湿液温度的第二温度传感器。
9.一种燃料电池测试系统加湿方法，通过权利要求1-8任一项所述的加湿装置实现，其特征在于：包括以下步骤：
根据实验得出所述加湿装置在相同加湿温度下气体流量、液位高度、湿化气体湿度的关系示意图；
S1：根据测试要求给定气体加湿后的设定湿度与设定温度，选取所述设定温度对应的所述关系示意图；
S2：通过控温机构调节第一储液箱中加湿液的温度，使其等于所述设定温度；
S3：根据所述气体流量和所述设定湿度，从所述关系示意图中得出第一设定液位高度，调节所述第一储液箱中所述加湿液的液位，使其等于所述第一设定液位高度，之后进入稳态调节，转入步骤S4；调节液位的过程包括升液位调节和降液位调节；
进入稳态调节后：
若所述设定温度、所述设定湿度与所述气体流量保持不变，保持稳态调节；
若所述设定湿度或所述气体流量变大，进入升液位调节，转入步骤S6；
若所述设定湿度或所述气体流量变小，进入降液位调节，转入步骤S9；
S4：关闭加热机构，同时关闭喷嘴，转入步骤S5；
S5：根据所述湿度传感器测得的实时湿度，小幅度调节所述第一储液箱中所述加湿液的液位；
当所述实时湿度小于所述设定湿度时，打开补水管路；
当所述实时湿度大于所述设定湿度时，打开排水管路；
S6：从所述关系示意图中得出第二设定液位高度，打开所述补水管路，使所述第一储液箱中所述加湿液的液位缓慢上升，直至等于所述第二设定液位高度，转入步骤S7；
S7：根据所述气体流量、所述第一储液箱中所述加湿液的实时高度，从所述关系示意图中得出湿化气体的实时湿度，根据所述实时湿度和所述设定湿度，计算得到需要通过所述喷嘴喷入所述混合室中的加湿液流量，根据所述加湿液流量计算所述加热机构的加热功率，使得加热后的湿化气体用于完全气化所述混合室中由于喷淋加湿产生的小液滴，转入步骤S8；
S8：在所述第一储液箱中所述加湿液液位缓慢上升的过程中，开启所述加热机构，根据计算结果调节所述加热机构的加热功率；开启所述喷嘴，根据计算结果调节所述喷嘴中加湿液的流量；
S9：从所述关系示意图中得出第三设定液位高度，打开所述排水管路，使所述第一储液箱中所述加湿液的液位下降，直至等于所述第三设定液位高度。
10.根据权利要求9所述的一种燃料电池测试系统加湿方法，其特征在于：在步骤S7中，根据所述加湿液流量、所述第一储液箱和第二储液箱中加湿液的温度差，计算所述加热机构的加热功率，使得加热后的湿化气体用于完全气化所述混合室中由于喷淋加湿产生的小液滴以及将气化产物升至与湿化气体相同的温度。
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