冷冻除湿机设计探讨
1.前言
在生产和生活环境中，空气的相对湿度具有举足轻重的影响。对湿度的控制和调节，是关系到工农业生产工艺流程、物资储存保管的重要问题。相对湿度过高，机器设备和钢铁产品易于腐蚀、食品易于腐烂，将会给生产、生活及物资储存造成巨大损失，因此，随着工艺水平及要求的提高，空气除湿等环境控制技术的发展显得尤为重要。
空气除湿的方法有很多种，冷冻除湿作为其中的一种，由于能耗小、操作简单、易于控制，得到了广泛的应用。冷冻除湿机就是采用冷冻除湿的原理，用制冷机作冷源，以直接蒸发式冷却器作冷却设备，把空气冷却到露点温度以下，析出大于饱和含湿量的水汽，降低空气的绝对含湿量，再利用部分或全部冷凝热加热冷却后的空气，从而降低空气的相对湿度，达到除湿目的。冷冻除湿机具有除湿效果好、房间相对湿度下降快、运行费用低、不要求热源、也可不需要冷却水、操作方便、使用灵活等优点，被广泛应用于国防工程、人防工程、各类仓库、图书馆、档案馆、地下工程、电子工业、精密机械加工、医药、食品、农业种子储藏及各工矿企业车间等场所。
2.冷冻除湿机分类
2.1按使用功能分，可分为：一般型、降温型、调温型、多功能型。
一般型除湿机是指空气经过蒸发器冷却除湿，由再热器加热升温，降低相对湿度，制冷剂的冷凝热全部由流过再热器的空气带走，其出风温度不能调节，只用于升温除湿的除湿机。
降温型除湿机是指在一般型除湿机的基础上，制冷剂的冷凝热大部分由水冷或风冷冷凝器带走，只有小部分冷凝热用于加热经过蒸发器后的空气，可用于降温除湿的除湿机。
调温型除湿机是指在一般型除湿机的基础上，制冷剂的冷凝热可全部或部分由水冷或风冷冷凝器带走，剩余冷凝热用于加热经过蒸发器后的空气，其出风温度能进行调节的除湿机。
多功能型除湿机是指集升温除湿（一般型）、降温除湿、调温除湿三种功能于一体的除湿机，在无室外机（风冷）或冷却水（水冷）时仍可选择升温除湿功能进行除湿的除湿机。
2.2按有无带风机分，可分为：常规除湿机、风道式除湿机。
2.3按结构形式分，可分为：整体式、分体式、整体移动式。
2.4按适用温度范围分，可分为：A型（普通型18~32℃）、B型（低温型5~32℃）。
2.5按送回风方式分，可分为：前回前送带风帽型、后回上送型等。
2.6按控制形式分，可分为：自动型和非自动型等。
2.7按特殊使用情况分，还有全新风型、防爆型等。
3.冷冻除湿机设计分析
3.1一般型除湿机设计
3.1.1设计原理[1]
一般型除湿机由制冷系统和送风系统组成，其除湿原理见图1，在焓湿图上，除湿过程空气参数的变化过程见图2。
制冷系统：由压缩机1压缩出来的高温高压制冷剂气体进入再热器6（作冷凝器用），将热量传给空气后，冷凝成常温高压液体，经膨胀阀4节流后进入蒸发器2，吸收通过蒸发器的空气中的热量，变成低温低压气体，被吸入压缩机1进行压缩，如此往复循环。
送风系统：湿空气被吸入后，在蒸发器2被冷却到露点温度以下，在h-d图中由状态1到状态2，析出凝结水，绝对含湿量下降，再进入再热器6，吸收制冷剂的热量而升温，相对湿度降低，变为状态3，由送风机5送入房间。
3.1.2空气处理过程计算
以一般型除湿机CF10设计为例，其名义除湿量要求为10kg/h。
除湿机送风机风量取2800m3/h，压缩机采用Copeland公司的5HP涡旋式压缩机，采用冷凝温度40℃，蒸发温度8℃设计，制冷量为17.3kW。
根据国家标准[2]规定的名义工况进风参数（状态1），干球温度27℃，湿球温度21.2℃，露点温度18.3℃，相对湿度60%，焓值61.795kJ/kg干空气，绝对含湿量为13.5357g/kg干空气；空气经蒸发器冷却处理后到机械露点状态2，其焓值为：
h2=h1-Q0/（ρV）=61.795–17.3×3600/（1.2×2800）=43.259kJ/kg干空气
机械露点的相对湿度取90%，查焓湿图可得出状态2的其它参数：干球温度16.4℃，湿球温度15.4℃，焓值43.259kJ/kg干空气，绝对含湿量为10.5857g/kg干空气；制热量为21.6kW，空气经再热器加热后到状态3，其干球温度为：
t2=t1+Qk/（ρVc）=16.4+21.6×3600/（1.2×2800×1.0132）=39.2℃
从状态2到状态3为等湿加热过程，故绝对含湿量保持不变，d3=d2=10.5857g/kg干空气，查焓湿图可得出状态3的其它参数：干球温度39.2℃，湿球温度22.7℃，焓值66.6344kJ/kg干空气，绝对含湿量为10.5857g/kg干空气，相对湿度为23.7%。由状态1到状态2析出的凝结水量即除湿机的除湿量为：
D=ρV（d1-d2）=1.2×2800×（13.5357-10.5857）=9900g/h=9.9kg/h
3.1.3两器设计
蒸发器及再热器（冷凝器）均采用套片式翅片，紫铜管规格采用Ф9.52×0.35，管间距25.4mm，排间距22mm，正三角形排列，铝片片厚0.115mm。
蒸发器采用平片，片距2.2mm，迎面管排数20，顺风管排数4，翅片长度1000mm，经计算，传热面积为37.73m2，传热对数平均温差为13℃，传热系数为35.3W/m2℃，迎面风速为1.53m/s，通路数取8。
再热器采用双面冲缝片，片距2.2mm，迎面管排数20，顺风管排数8，翅片长度1000mm，经计算，传热面积为75.46m2，通路数取10。
3.1.4实验结果
以上设计的CF10一般型除湿机经过了标准的单元式空调机试验台测试，按国家标准[2]规定的试验工况进行试验，所得的数据如下：
送风量
m3/h
进风
回风
压缩机
总输入
功率
kW
实测
除湿量
kg/h
单位输入
功率除湿量
kg/h.kW
干球温度
℃
湿球温度
℃
干球温度
℃
湿球温度
℃
排气压力
MPa
吸气压力
MPa
2811.4
27.09
21.15
38.42
22.35
1.43
0.54
3.95
10.2
2.58
以上数据显示，实验结果与设计计算过程基本相符，满足了要求，达到了设计目的。
3.2降温型除湿机设计思路
降温型除湿机与一般型除湿机相比，在制冷系统中，增设了一个水冷冷凝器（水冷式）或一个室外风冷冷凝器（分体风冷式），再热器面积可减小，充当过冷器用，以增加制冷量，提高除湿量。即从压缩机排出的高温高压气体，先进入水冷或风冷冷凝器冷凝，再进入再热器过冷，然后才经过节流进入蒸发器。
空气处理过程与一般型类似，只是从状态2到状态3的加热量很小，送风温度较低，一般比进风温度低7℃左右，可负担室内余热。
3.3调温型除湿机设计思路
降温型除湿机与一般型除湿机相比，在制冷系统中，增设了一个水冷冷凝器（水冷式）或一个室外风冷冷凝器（分体风冷式），再热器面积可减小。这里面有两种做法，一种是将再热器置于水冷或风冷冷凝器前面，与后者串联布置，并分多路控制，以此调节对冷却除湿后空气的加热量，从而达到控制出风温度的目的，另外，水冷式设比例式三通水量调节阀，调节冷却水量，风冷式设冷凝风量控制，从而使冷凝器带走多余的热量。另一种做法是将再热器置于水冷或风冷冷凝器后面，也是串联布置，只通过水冷式的水量调节阀调节冷却水量或风冷式的冷凝风量控制，来调节冷凝器带走的热量，从而到达调节出风温度的目的。
空气处理过程与一般型类似，只是从状态2到状态3的加热量可调节，送风温度可在一定范围内进行调节，也可负担室内余热。
3.4多功能型除湿机设计思路
多功能型除湿机与调温型除湿机类似，而功能较多，再热器所需传热面积较大，在没有冷却水时也能运行（充当一般型除湿机的作用），它也有两种做法。第一种与调温型的不同之处在于再热器水冷或风冷冷凝器为并联连接，此时应特别注意各支路的阻力平衡问题，一般需设一个储液器。另一种的做法与调温型的基本一致，也是串联布置，再热器所需传热面积较大，且控制较复杂。
空气处理过程根据所选择功能的不同，分别与上述三种机型一致。
4.结束语
冷冻除湿机种类繁多，用途广泛，可根据室内余热余湿的情况选择不同类型的除湿机，以满足工程设计的需要。另外，冷冻除湿还可与吸收或吸附式除湿方式相结合，以获得较低露点温度的空气状态。因此，根据不同的除湿要求，冷冻除湿机与其它领域的联合还可作进一步的探讨。
参考文献
1.电子工业部第十设计研究院主编，《空气调节设计手册》（第二版）[M]，中国建筑工业出版社，2000.6，443~460。
2.机械工业部机械标准化研究所，中华人民共和国机械行业标准JB/T7769-95除湿机[S]，机械工业部机械标准化研究所，1996.4。
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