(冷凍除濕機(jī)設(shè)計(jì)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(chǔ)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(huì)給生產(chǎn)、生活及物資儲(chǔ)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(diǎn)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(diǎn),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(chǔ)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(shí)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(dòng)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(dòng)型和非自動(dòng)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(jì)分析
3.1一般型除濕機(jī)設(shè)計(jì)
3.1.1設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)算
以一般型除濕機(jī)CF10設(shè)計(jì)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(jì),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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jì)
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(jì)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(jì)算,傳熱面積為75.46m2,通路數(shù)取10。
3.1.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
以上設(shè)計(jì)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(yàn)臺(tái)測試,按國家標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定的試驗(yàn)工況進(jìn)行試驗(yàn),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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算過程基本相符,滿足了要求,達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。
3.2降溫型除濕機(jī)設(shè)計(jì)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(gè)水冷冷凝器(水冷式)或一個(gè)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(jì)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(gè)水冷冷凝器(水冷式)或一個(gè)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(jì)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(shí)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(shí)應(yīng)特別注意各支路的阻力平衡問題,一般需設(shè)一個(gè)儲(chǔ)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(jì)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(diǎn)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(jì)研究院主編,《空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)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。