博物馆文物在保存展出过程中,相对湿度对文物的影响尤其重要。为抑制减缓或阻止文物的物理化学性质变化,降低文物的损毁率,积极采取主动式监测调控等措施具有重大意义。结合文物保存常用的独立展柜体积小的特点和文物贮存所需的环境要求,针对目前国内外小型展柜广泛采用的半导体制冷存在散热装置大、制冷量小以及效率低的不足,基于斯特林制冷机制冷量大、响应快、寿命长、安全可靠等优点,设计并搭建了一台空气-水直接接触式文物恒湿机装置。该装置可实现展柜恒湿和微升温控制,具备响应快速、控制高效精确的优点。针对设计的空气-水直接接触式文物恒湿机系统,本文主要开展了以下三方面的研究:(1)设计了空气-水直接接触式文物恒湿机装置:根据系统工作原理,结合实际展柜可用空间尺寸、PTC加热器和制冷机冷端的结构尺寸,设计了一台空气-水直接接触式文物恒湿机装置。该装置利用空气与水直接接触过程发生蒸发/冷凝来实现空气的加湿/除湿,具体将斯特林制冷机的冷端和加热棒置于水箱中用于控制水温以实现恒湿,采用PTC加热器实现微升温控制;计算小型恒湿独立展柜的制冷量需求,选择合适的斯特林制冷机;基于热平衡法测量选型制冷机的制冷量,验证选型的可靠性。进一步拟合分析了制冷量与制冷机输入功率及冷端温度的关系,并实验确定了控制电压的限值。(2)建立了空气流经水面直接接触的三维数值模型:分析空气与水面直接接触过程的热质交换机理,通过ANSYS加载蒸发-冷凝UDF方式实现了流动与传热传质的耦合,并进行网格无关性分析和实验验证,证实了模型的可靠性。进一步分析水箱换热器内部的温度场和流场,并研究了空气流动参数和导流板结构参数对空气-水间热质交换的影响。基于提出的综合评价指标,采用遗传算法计算得到综合评价最优的导流板结构参数。(3)搭建了空气-水直接接触式恒湿机实验台:整体系统采用PLC实现控制。开展初步实验,测试分析展柜密封性,确定系统控制方案。对PTC加热器进行测试,发现展柜内可实现温升约2.5℃;基于仿真对比分析模糊PID和普通PID的控温效果,并对采用模糊PID控温开展实验。控制斯特林制冷机和加热棒切换运行,基于PID调节实现展柜内恒湿。实验结果表明,当展柜外相对湿度在30-80%变化工况下,该恒湿机能在50 min内实现展柜内在目标值60%保持稳定,稳定时波动范围为±1%,满足独立展柜保存展出的恒湿需求。并且实验发现,除湿过程中,由于斯特林制冷量大,展柜内空气温度存在一定程度降幅,可用于减缓展柜外气温波动的影响。对系统整体稳定性进行研究,分别在除湿升温以及加湿升温两种工况下,开展实验研究其动态特性,结果表明,展柜内相对湿度和温度微调稳定时波动范围均在±0.5%和±0.2℃内,且稳定性较好,满足独立展柜恒湿需求。