冷凍除濕機(jī)設(shè)計探討
1.前言
在生產(chǎn)和生活環(huán)境中，空氣的相對濕度具有舉足輕重的影響。對濕度的控制和調(diào)節(jié)，是關(guān)系到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工藝流程、物資儲存保管的重要問題。相對濕度過高，機(jī)器設(shè)備和鋼鐵產(chǎn)品易于腐蝕、食品易于腐爛，將會給生產(chǎn)、生活及物資儲存造成巨大損失，因此，隨著工藝水平及要求的提高，空氣除濕等環(huán)境控制技術(shù)的發(fā)展顯得尤為重要。
空氣除濕的方法有很多種，冷凍除濕作為其中的一種，由于能耗小、操作簡單、易于控制，得到了廣泛的應(yīng)用。冷凍除濕機(jī)就是采用冷凍除濕的原理，用制冷機(jī)作冷源，以直接蒸發(fā)式冷卻器作冷卻設(shè)備，把空氣冷卻到露點溫度以下，析出大于飽和含濕量的水汽，降低空氣的絕對含濕量，再利用部分或全部冷凝熱加熱冷卻后的空氣，從而降低空氣的相對濕度，達(dá)到除濕目的。冷凍除濕機(jī)具有除濕效果好、房間相對濕度下降快、運(yùn)行費(fèi)用低、不要求熱源、也可不需要冷卻水、操作方便、使用靈活等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于國防工程、人防工程、各類倉庫、圖書館、檔案館、地下工程、電子工業(yè)、精密機(jī)械加工、醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)種子儲藏及各工礦企業(yè)車間等場所。
2.冷凍除濕機(jī)分類
2.1按使用功能分，可分為：一般型、降溫型、調(diào)溫型、多功能型。
一般型除濕機(jī)是指空氣經(jīng)過蒸發(fā)器冷卻除濕，由再熱器加熱升溫，降低相對濕度，制冷劑的冷凝熱全部由流過再熱器的空氣帶走，其出風(fēng)溫度不能調(diào)節(jié)，只用于升溫除濕的除濕機(jī)。
降溫型除濕機(jī)是指在一般型除濕機(jī)的基礎(chǔ)上，制冷劑的冷凝熱大部分由水冷或風(fēng)冷冷凝器帶走，只有小部分冷凝熱用于加熱經(jīng)過蒸發(fā)器后的空氣，可用于降溫除濕的除濕機(jī)。
調(diào)溫型除濕機(jī)是指在一般型除濕機(jī)的基礎(chǔ)上，制冷劑的冷凝熱可全部或部分由水冷或風(fēng)冷冷凝器帶走，剩余冷凝熱用于加熱經(jīng)過蒸發(fā)器后的空氣，其出風(fēng)溫度能進(jìn)行調(diào)節(jié)的除濕機(jī)。
多功能型除濕機(jī)是指集升溫除濕（一般型）、降溫除濕、調(diào)溫除濕三種功能于一體的除濕機(jī)，在無室外機(jī)（風(fēng)冷）或冷卻水（水冷）時仍可選擇升溫除濕功能進(jìn)行除濕的除濕機(jī)。
2.2按有無帶風(fēng)機(jī)分，可分為：常規(guī)除濕機(jī)、風(fēng)道式除濕機(jī)。
2.3按結(jié)構(gòu)形式分，可分為：整體式、分體式、整體移動式。
2.4按適用溫度范圍分，可分為：A型（普通型18~32℃）、B型（低溫型5~32℃）。
2.5按送回風(fēng)方式分，可分為：前回前送帶風(fēng)帽型、后回上送型等。
2.6按控制形式分，可分為：自動型和非自動型等。
2.7按特殊使用情況分，還有全新風(fēng)型、防爆型等。
3.冷凍除濕機(jī)設(shè)計分析
3.1一般型除濕機(jī)設(shè)計
3.1.1設(shè)計原理[1]
一般型除濕機(jī)由制冷系統(tǒng)和送風(fēng)系統(tǒng)組成，其除濕原理見圖1，在焓濕圖上，除濕過程空氣參數(shù)的變化過程見圖2。
制冷系統(tǒng)：由壓縮機(jī)1壓縮出來的高溫高壓制冷劑氣體進(jìn)入再熱器6（作冷凝器用），將熱量傳給空氣后，冷凝成常溫高壓液體，經(jīng)膨脹閥4節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器2，吸收通過蒸發(fā)器的空氣中的熱量，變成低溫低壓氣體，被吸入壓縮機(jī)1進(jìn)行壓縮，如此往復(fù)循環(huán)。
送風(fēng)系統(tǒng)：濕空氣被吸入后，在蒸發(fā)器2被冷卻到露點溫度以下，在h-d圖中由狀態(tài)1到狀態(tài)2，析出凝結(jié)水，絕對含濕量下降，再進(jìn)入再熱器6，吸收制冷劑的熱量而升溫，相對濕度降低，變?yōu)闋顟B(tài)3，由送風(fēng)機(jī)5送入房間。
3.1.2空氣處理過程計算
以一般型除濕機(jī)CF10設(shè)計為例，其名義除濕量要求為10kg/h。
除濕機(jī)送風(fēng)機(jī)風(fēng)量取2800m3/h，壓縮機(jī)采用Copeland公司的5HP渦旋式壓縮機(jī)，采用冷凝溫度40℃，蒸發(fā)溫度8℃設(shè)計，制冷量為17.3kW。
根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定的名義工況進(jìn)風(fēng)參數(shù)（狀態(tài)1），干球溫度27℃，濕球溫度21.2℃，露點溫度18.3℃，相對濕度60%，焓值61.795kJ/kg干空氣，絕對含濕量為13.5357g/kg干空氣；空氣經(jīng)蒸發(fā)器冷卻處理后到機(jī)械露點狀態(tài)2，其焓值為：
h2=h1-Q0/（ρV）=61.795–17.3×3600/（1.2×2800）=43.259kJ/kg干空氣
機(jī)械露點的相對濕度取90%，查焓濕圖可得出狀態(tài)2的其它參數(shù)：干球溫度16.4℃，濕球溫度15.4℃，焓值43.259kJ/kg干空氣，絕對含濕量為10.5857g/kg干空氣；制熱量為21.6kW，空氣經(jīng)再熱器加熱后到狀態(tài)3，其干球溫度為：
t2=t1+Qk/（ρVc）=16.4+21.6×3600/（1.2×2800×1.0132）=39.2℃
從狀態(tài)2到狀態(tài)3為等濕加熱過程，故絕對含濕量保持不變，d3=d2=10.5857g/kg干空氣，查焓濕圖可得出狀態(tài)3的其它參數(shù)：干球溫度39.2℃，濕球溫度22.7℃，焓值66.6344kJ/kg干空氣，絕對含濕量為10.5857g/kg干空氣，相對濕度為23.7%。由狀態(tài)1到狀態(tài)2析出的凝結(jié)水量即除濕機(jī)的除濕量為：
D=ρV（d1-d2）=1.2×2800×（13.5357-10.5857）=9900g/h=9.9kg/h
3.1.3兩器設(shè)計
蒸發(fā)器及再熱器（冷凝器）均采用套片式翅片，紫銅管規(guī)格采用Ф9.52×0.35，管間距25.4mm，排間距22mm，正三角形排列，鋁片片厚0.115mm。
蒸發(fā)器采用平片，片距2.2mm，迎面管排數(shù)20，順風(fēng)管排數(shù)4，翅片長度1000mm，經(jīng)計算，傳熱面積為37.73m2，傳熱對數(shù)平均溫差為13℃，傳熱系數(shù)為35.3W/m2℃，迎面風(fēng)速為1.53m/s，通路數(shù)取8。
再熱器采用雙面沖縫片，片距2.2mm，迎面管排數(shù)20，順風(fēng)管排數(shù)8，翅片長度1000mm，經(jīng)計算，傳熱面積為75.46m2，通路數(shù)取10。
3.1.4實驗結(jié)果
以上設(shè)計的CF10一般型除濕機(jī)經(jīng)過了標(biāo)準(zhǔn)的單元式空調(diào)機(jī)試驗臺測試，按國家標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定的試驗工況進(jìn)行試驗，所得的數(shù)據(jù)如下：
送風(fēng)量
m3/h
進(jìn)風(fēng)
回風(fēng)
壓縮機(jī)
總輸入
功率
kW
實測
除濕量
kg/h
單位輸入
功率除濕量
kg/h.kW
干球溫度
℃
濕球溫度
℃
干球溫度
℃
濕球溫度
℃
排氣壓力
MPa
吸氣壓力
MPa
2811.4
27.09
21.15
38.42
22.35
1.43
0.54
3.95
10.2
2.58
以上數(shù)據(jù)顯示，實驗結(jié)果與設(shè)計計算過程基本相符，滿足了要求，達(dá)到了設(shè)計目的。
3.2降溫型除濕機(jī)設(shè)計思路
降溫型除濕機(jī)與一般型除濕機(jī)相比，在制冷系統(tǒng)中，增設(shè)了一個水冷冷凝器（水冷式）或一個室外風(fēng)冷冷凝器（分體風(fēng)冷式），再熱器面積可減小，充當(dāng)過冷器用，以增加制冷量，提高除濕量。即從壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體，先進(jìn)入水冷或風(fēng)冷冷凝器冷凝，再進(jìn)入再熱器過冷，然后才經(jīng)過節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器。
空氣處理過程與一般型類似，只是從狀態(tài)2到狀態(tài)3的加熱量很小，送風(fēng)溫度較低，一般比進(jìn)風(fēng)溫度低7℃左右，可負(fù)擔(dān)室內(nèi)余熱。
3.3調(diào)溫型除濕機(jī)設(shè)計思路
降溫型除濕機(jī)與一般型除濕機(jī)相比，在制冷系統(tǒng)中，增設(shè)了一個水冷冷凝器（水冷式）或一個室外風(fēng)冷冷凝器（分體風(fēng)冷式），再熱器面積可減小。這里面有兩種做法，一種是將再熱器置于水冷或風(fēng)冷冷凝器前面，與后者串聯(lián)布置，并分多路控制，以此調(diào)節(jié)對冷卻除濕后空氣的加熱量，從而達(dá)到控制出風(fēng)溫度的目的，另外，水冷式設(shè)比例式三通水量調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)冷卻水量，風(fēng)冷式設(shè)冷凝風(fēng)量控制，從而使冷凝器帶走多余的熱量。另一種做法是將再熱器置于水冷或風(fēng)冷冷凝器后面，也是串聯(lián)布置，只通過水冷式的水量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷卻水量或風(fēng)冷式的冷凝風(fēng)量控制，來調(diào)節(jié)冷凝器帶走的熱量，從而到達(dá)調(diào)節(jié)出風(fēng)溫度的目的。
空氣處理過程與一般型類似，只是從狀態(tài)2到狀態(tài)3的加熱量可調(diào)節(jié)，送風(fēng)溫度可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可負(fù)擔(dān)室內(nèi)余熱。
3.4多功能型除濕機(jī)設(shè)計思路
多功能型除濕機(jī)與調(diào)溫型除濕機(jī)類似，而功能較多，再熱器所需傳熱面積較大，在沒有冷卻水時也能運(yùn)行（充當(dāng)一般型除濕機(jī)的作用），它也有兩種做法。第一種與調(diào)溫型的不同之處在于再熱器水冷或風(fēng)冷冷凝器為并聯(lián)連接，此時應(yīng)特別注意各支路的阻力平衡問題，一般需設(shè)一個儲液器。另一種的做法與調(diào)溫型的基本一致，也是串聯(lián)布置，再熱器所需傳熱面積較大，且控制較復(fù)雜。
空氣處理過程根據(jù)所選擇功能的不同，分別與上述三種機(jī)型一致。
4.結(jié)束語
冷凍除濕機(jī)種類繁多，用途廣泛，可根據(jù)室內(nèi)余熱余濕的情況選擇不同類型的除濕機(jī)，以滿足工程設(shè)計的需要。另外，冷凍除濕還可與吸收或吸附式除濕方式相結(jié)合，以獲得較低露點溫度的空氣狀態(tài)。因此，根據(jù)不同的除濕要求，冷凍除濕機(jī)與其它領(lǐng)域的聯(lián)合還可作進(jìn)一步的探討。
參考文獻(xiàn)
1.電子工業(yè)部第十設(shè)計研究院主編，《空氣調(diào)節(jié)設(shè)計手冊》（第二版）[M]，中國建筑工業(yè)出版社，2000.6，443~460。
2.機(jī)械工業(yè)部機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化研究所，中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T7769-95除濕機(jī)[S]，機(jī)械工業(yè)部機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化研究所，1996.4。
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