冷凍除濕機設計探討
1.前言
在生產和生活環境中，空氣的相對濕度具有舉足輕重的影響。對濕度的控制和調節，是關系到工農業生產工藝流程、物資儲存保管的重要問題。相對濕度過高，機器設備和鋼鐵產品易于腐蝕、食品易于腐爛，將會給生產、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，空氣除濕等環境控制技術的發展顯得尤為重要。
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，得到了廣泛的應用。冷凍除濕機就是采用冷凍除濕的原理，用制冷機作冷源，以直接蒸發式冷卻器作冷卻設備，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，達到除濕目的。冷凍除濕機具有除濕效果好、房間相對濕度下降快、運行費用低、不要求熱源、也可不需要冷卻水、操作方便、使用靈活等優點，被廣泛應用于國防工程、人防工程、各類倉庫、圖書館、檔案館、地下工程、電子工業、精密機械加工、醫藥、食品、農業種子儲藏及各工礦企業車間等場所。
2.冷凍除濕機分類
2.1按使用功能分，可分為：一般型、降溫型、調溫型、多功能型。
一般型除濕機是指空氣經過蒸發器冷卻除濕，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，其出風溫度不能調節，只用于升溫除濕的除濕機。
降溫型除濕機是指在一般型除濕機的基礎上，制冷劑的冷凝熱大部分由水冷或風冷冷凝器帶走，只有小部分冷凝熱用于加熱經過蒸發器后的空氣，可用于降溫除濕的除濕機。
調溫型除濕機是指在一般型除濕機的基礎上，制冷劑的冷凝熱可全部或部分由水冷或風冷冷凝器帶走，剩余冷凝熱用于加熱經過蒸發器后的空氣，其出風溫度能進行調節的除濕機。
多功能型除濕機是指集升溫除濕（一般型）、降溫除濕、調溫除濕三種功能于一體的除濕機，在無室外機（風冷）或冷卻水（水冷）時仍可選擇升溫除濕功能進行除濕的除濕機。
2.2按有無帶風機分，可分為：常規除濕機、風道式除濕機。
2.3按結構形式分，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按送回風方式分，可分為：前回前送帶風帽型、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，還有全新風型、防爆型等。
3.冷凍除濕機設計分析
3.1一般型除濕機設計
3.1.1設計原理[1]
一般型除濕機由制冷系統和送風系統組成，其除濕原理見圖1，在焓濕圖上，除濕過程空氣參數的變化過程見圖2。
制冷系統：由壓縮機1壓縮出來的高溫高壓制冷劑氣體進入再熱器6（作冷凝器用），將熱量傳給空氣后，冷凝成常溫高壓液體，經膨脹閥4節流后進入蒸發器2，吸收通過蒸發器的空氣中的熱量，變成低溫低壓氣體，被吸入壓縮機1進行壓縮，如此往復循環。
送風系統：濕空氣被吸入后，在蒸發器2被冷卻到露點溫度以下，在h-d圖中由狀態1到狀態2，析出凝結水，絕對含濕量下降，再進入再熱器6，吸收制冷劑的熱量而升溫，相對濕度降低，變為狀態3，由送風機5送入房間。
3.1.2空氣處理過程計算
以一般型除濕機CF10設計為例，其名義除濕量要求為10kg/h。
除濕機送風機風量取2800m3/h，壓縮機采用Copeland公司的5HP渦旋式壓縮機，采用冷凝溫度40℃，蒸發溫度8℃設計，制冷量為17.3kW。
根據國家標準[2]規定的名義工況進風參數（狀態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；空氣經蒸發器冷卻處理后到機械露點狀態2，其焓值為：
h2=h1-Q0/（ρV）=61.795–17.3×3600/（1.2×2800）=43.259kJ/kg干空氣
機械露點的相對濕度取90%，查焓濕圖可得出狀態2的其它參數：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，空氣經再熱器加熱后到狀態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2到狀態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3的其它參數：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1到狀態2析出的凝結水量即除濕機的除濕量為：
D=ρV（d1-d2）=1.2×2800×（13.5357-10.5857）=9900g/h=9.9kg/h
3.1.3兩器設計
蒸發器及再熱器（冷凝器）均采用套片式翅片，紫銅管規格采用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。
蒸發器采用平片，片距2.2mm，迎面管排數20，順風管排數4，翅片長度1000mm，經計算，傳熱面積為37.73m2，傳熱對數平均溫差為13℃，傳熱系數為35.3W/m2℃，迎面風速為1.53m/s，通路數取8。
再熱器采用雙面沖縫片，片距2.2mm，迎面管排數20，順風管排數8，翅片長度1000mm，經計算，傳熱面積為75.46m2，通路數取10。
3.1.4實驗結果
以上設計的CF10一般型除濕機經過了標準的單元式空調機試驗臺測試，按國家標準[2]規定的試驗工況進行試驗，所得的數據如下：
送風量
m3/h
進風
回風
壓縮機
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
以上數據顯示，實驗結果與設計計算過程基本相符，滿足了要求，達到了設計目的。
3.2降溫型除濕機設計思路
降溫型除濕機與一般型除濕機相比，在制冷系統中，增設了一個水冷冷凝器（水冷式）或一個室外風冷冷凝器（分體風冷式），再熱器面積可減小，充當過冷器用，以增加制冷量，提高除濕量。即從壓縮機排出的高溫高壓氣體，先進入水冷或風冷冷凝器冷凝，再進入再熱器過冷，然后才經過節流進入蒸發器。
空氣處理過程與一般型類似，只是從狀態2到狀態3的加熱量很小，送風溫度較低，一般比進風溫度低7℃左右，可負擔室內余熱。
3.3調溫型除濕機設計思路
降溫型除濕機與一般型除濕機相比，在制冷系統中，增設了一個水冷冷凝器（水冷式）或一個室外風冷冷凝器（分體風冷式），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冷冷凝器前面，與后者串聯布置，并分多路控制，以此調節對冷卻除濕后空氣的加熱量，從而達到控制出風溫度的目的，另外，水冷式設比例式三通水量調節閥，調節冷卻水量，風冷式設冷凝風量控制，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冷冷凝器后面，也是串聯布置，只通過水冷式的水量調節閥調節冷卻水量或風冷式的冷凝風量控制，來調節冷凝器帶走的熱量，從而到達調節出風溫度的目的。
空氣處理過程與一般型類似，只是從狀態2到狀態3的加熱量可調節，送風溫度可在一定范圍內進行調節，也可負擔室內余熱。
3.4多功能型除濕機設計思路
多功能型除濕機與調溫型除濕機類似，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行（充當一般型除濕機的作用），它也有兩種做法。第一種與調溫型的不同之處在于再熱器水冷或風冷冷凝器為并聯連接，此時應特別注意各支路的阻力平衡問題，一般需設一個儲液器。另一種的做法與調溫型的基本一致，也是串聯布置，再熱器所需傳熱面積較大，且控制較復雜。
空氣處理過程根據所選擇功能的不同，分別與上述三種機型一致。
4.結束語
冷凍除濕機種類繁多，用途廣泛，可根據室內余熱余濕的情況選擇不同類型的除濕機，以滿足工程設計的需要。另外，冷凍除濕還可與吸收或吸附式除濕方式相結合，以獲得較低露點溫度的空氣狀態。因此，根據不同的除濕要求，冷凍除濕機與其它領域的聯合還可作進一步的探討。
參考文獻
1.電子工業部第十設計研究院主編，《空氣調節設計手冊》（第二版）[M]，中國建筑工業出版社，2000.6，443~460。
2.機械工業部機械標準化研究所，中華人民共和國機械行業標準JB/T7769-95除濕機[S]，機械工業部機械標準化研究所，1996.4。
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