地下建筑專用全新風(fēng)無級調(diào)載除濕機(jī)研制一
國防工程中有許多大型地下建筑因涉及有害材料的存放而不允許使用回風(fēng)，只能采用全新風(fēng)通風(fēng)方式。地下建筑洞庫內(nèi)的環(huán)境特點(diǎn)是低溫高濕，由于夏季洞庫內(nèi)外空氣的焓差很大，普通除濕機(jī)沒有足夠的制冷量把新風(fēng)露點(diǎn)溫度控制得足夠低，難以保證新風(fēng)進(jìn)入地下建筑洞庫后不結(jié)露，從而給通風(fēng)除濕系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行帶來諸多問題，所以研制專用于地下建筑的全新風(fēng)除濕機(jī)是十分必要的。
1、普通除濕機(jī)的不適用性
1.1普通除濕機(jī)的適用場合
常用的普通CT型調(diào)溫除濕機(jī)帶有風(fēng)冷和水冷兩個串聯(lián)的冷凝器。該機(jī)除了可用于降低所服務(wù)區(qū)域空氣濕度外，還可利用風(fēng)冷和水冷冷凝器換熱量比例的變化兼控出風(fēng)溫度?？梢灾苯臃旁谑覂?nèi)使用，也可以安裝在通風(fēng)系統(tǒng)中用于處理回風(fēng)和少量的新風(fēng)。它的運(yùn)行特點(diǎn)是必須通過回風(fēng)使室內(nèi)空氣反復(fù)循環(huán)經(jīng)過除濕機(jī)才能逐漸消除室內(nèi)余濕。可以說普通除濕機(jī)用于地下建筑時主要是用來克服洞庫的內(nèi)部濕負(fù)荷的，它的適用場合是有限的。
1.2地下洞庫的環(huán)境特點(diǎn)
夏季地下洞庫受巖石溫度較低的影響，室內(nèi)的壁面溫度也較低，由于地下水的滲透作用，室內(nèi)壁面有持續(xù)散濕現(xiàn)象，空氣相對濕度高。夏季室外新風(fēng)含濕量大，露點(diǎn)溫度很高，如果除濕機(jī)不能把新風(fēng)露點(diǎn)溫度控制得足夠低，新風(fēng)進(jìn)入地下洞庫室內(nèi)就會結(jié)露，使環(huán)境條件惡化，造成各種設(shè)備因受潮而損壞。為了防止出現(xiàn)這種情況，應(yīng)當(dāng)采取減少新風(fēng)比例，多用回風(fēng)的辦法。但國防工程的地下建筑中有大量的存有特殊材料的洞庫因涉及到有害物質(zhì)和有害氣體的散發(fā)問題，不能采用回風(fēng)方式，通風(fēng)系統(tǒng)只能設(shè)計成全新風(fēng)的方式。這就給除濕機(jī)的使用提出了特殊的要求。
1.3地下洞庫中全新風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)狀態(tài)的確定
我國華東、華中及華南大部分地區(qū)夏季空調(diào)室外計算溫度都很高。鄭州tg=35.6℃，ts=27.4℃；長沙tg=35.8℃，ts=27.7℃；福州tg=35.2℃，ts=28℃。在這些地區(qū)的地下建筑通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中,根據(jù)工藝需要的溫濕度條件及洞庫壁溫和洞庫內(nèi)空氣的熱濕比，一般規(guī)定全新風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)狀態(tài)為tg=20℃，φ=60%。露點(diǎn)溫度約為12.7℃。平時洞庫內(nèi)沒有工藝余熱時，可將送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)沿等d線上移，把送風(fēng)溫度提高到30℃左右,以克服洞庫壁傳熱負(fù)荷。送風(fēng)露點(diǎn)溫度可以隨洞庫壁溫和室溫升高而改變,但不得高于壁溫,只有控制住露點(diǎn)溫度,才能保證新風(fēng)進(jìn)入洞庫與洞庫壁面接觸后不會結(jié)露,同時新風(fēng)與洞庫壁面散濕混合后仍能保持合適的相對濕度。以上過程用焓濕圖表示，可參見圖1。在圖1中，設(shè)夏季室外新風(fēng)平均狀態(tài)點(diǎn)為W，twg=35℃、φ＝60％，除濕機(jī)的機(jī)器露點(diǎn)為L，tL=12.7℃，送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)為O或O’，tog=20℃,tos=15.1℃；to’g=30℃,to’s=18.5℃,室內(nèi)狀態(tài)為N，tNg=22℃，φ=70%。從圖1中可查得新風(fēng)處理到機(jī)器露點(diǎn)的焓差△h=54kJ/kg干空氣，濕差△d=12.5g/kg干空氣。
1.4普通除濕機(jī)的串聯(lián)用法
普通除濕機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)風(fēng)狀態(tài)是tg=27℃，ts=21.2℃。其所配壓縮機(jī)的制冷量只能保證達(dá)到在額定風(fēng)量下產(chǎn)品樣本規(guī)定的除濕量之需要。如果某全新風(fēng)系統(tǒng)確定進(jìn)風(fēng)量為L=6000m3/h，用圖1中查得的數(shù)據(jù)可以算出該全新風(fēng)系統(tǒng)所需要的制冷量Q和除濕量W分別為
Q=LρΔh/3600=108kW（1）
W=LρΔd/1000=90kg/h（2）
式中空氣密度ρ=1.2kg/m3。
而額定風(fēng)量為6000m3/h的普通除濕機(jī)名義制冷量只有36kW，除濕量只有25kg/h，只及所需制冷量和除濕量的三分之一（設(shè)計中一般不考慮實(shí)際空調(diào)工況下壓縮機(jī)的制冷量變化）。為了保證全新風(fēng)系統(tǒng)的需要，設(shè)計中只好采用如圖2所示的三臺普通調(diào)溫除濕機(jī)串聯(lián)運(yùn)行的方式，力圖保證夏季新風(fēng)進(jìn)入地下建筑洞庫后達(dá)到規(guī)定的露點(diǎn)溫度，避免結(jié)露現(xiàn)象。
1.5除濕機(jī)串聯(lián)運(yùn)行帶來的問題
雖然從理論上說除濕機(jī)串聯(lián)運(yùn)行可以解決處理新風(fēng)時制冷量不夠的問題，但長期的運(yùn)行實(shí)踐證明，除濕機(jī)串聯(lián)運(yùn)行是一種很無奈的設(shè)計選擇，它會帶來許多無法解決的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題。
1.5.1串聯(lián)工作的除濕機(jī)不能在平等的進(jìn)風(fēng)狀態(tài)下工作，處在串聯(lián)下游的除濕機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度很低，蒸發(fā)器工作效率低，從而導(dǎo)致整機(jī)工作狀態(tài)差，運(yùn)行不穩(wěn)定，常出現(xiàn)因蒸發(fā)器結(jié)霜而導(dǎo)致故障停機(jī)現(xiàn)象。
1.5.2處在串聯(lián)上游的除濕機(jī)必須以水冷方式工作。只有最后一臺機(jī)才可以用風(fēng)冷方式工作，而地下洞庫內(nèi)平時溫度是偏低的，是需要熱量來降低相對濕度的。但是只能看著大量的冷凝熱量被冷卻水帶入下水道，既流失了大量的能量，又耗費(fèi)了地下洞庫內(nèi)十分珍貴的水源。
1.5.3串聯(lián)運(yùn)行的除濕機(jī)由于工作狀態(tài)不同，操控困難，操作手對于最終的露點(diǎn)控制效果心中無數(shù)，更談不上隨著新風(fēng)負(fù)荷的變化及時調(diào)整開啟臺數(shù)，寧可多開，不敢少開，盲目性很大。
1.5.4串聯(lián)運(yùn)行的除濕機(jī)占地面積大，送風(fēng)阻力大，送風(fēng)機(jī)功耗大。為了提高送風(fēng)溫度還要設(shè)置較大功率的電加熱器。另外設(shè)計中還必須考慮較大的冷卻水庫容及相應(yīng)的水源設(shè)備，電站容量也會因此而增加。輔助工程量方面的代價是很高的。
1.6小結(jié)
綜上所述，可以認(rèn)為普通除濕機(jī)不能滿足地下建筑通風(fēng)系統(tǒng)的全新風(fēng)工作方式的需要。應(yīng)當(dāng)開發(fā)能滿足這種需要的專用型全新風(fēng)除濕機(jī)，這對于提高地下建筑的環(huán)境質(zhì)量，節(jié)省工程造價，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行有著十分重要的意義。
2、全新風(fēng)除濕機(jī)設(shè)計中要解決的關(guān)鍵問題
2.1解決大制冷量和大換熱量問題
普通除濕機(jī)規(guī)格很多，當(dāng)然也有大制冷量的機(jī)型。但是因?yàn)閾Q熱器傳熱結(jié)構(gòu)方面的原因，大制冷量的除濕機(jī)只能在額定的大風(fēng)量下工作，全新風(fēng)除濕機(jī)雖需較大的制冷量，但其額定風(fēng)量只有同樣制冷量的普通除濕機(jī)的幾分之一，所以是不能簡單地用普通大規(guī)格除濕機(jī)來代替的。全新風(fēng)除濕機(jī)采用了大制冷量壓縮機(jī)后，必須對蒸發(fā)器和風(fēng)冷冷凝器的傳熱結(jié)構(gòu)重新設(shè)計，以保證在額定風(fēng)量下有理想的換熱量。同時還要解決好在負(fù)荷大幅度變動情況下怎樣保持換熱器內(nèi)制冷劑壓力穩(wěn)定問題。最后還要考慮最大限度地利用好風(fēng)冷工況下的冷凝熱量，使除濕機(jī)出風(fēng)溫度上限得到大大擴(kuò)展，僅在需要調(diào)溫運(yùn)行時或冷凝壓力較高時才合理地使用一些冷卻水，做到既節(jié)能又省水。
2.2解決恒露點(diǎn)送風(fēng)控制問題
地下建筑洞庫內(nèi)溫度較低，且一年四季變化不大。但室外空氣溫度變化是很大的。全新風(fēng)除濕機(jī)根據(jù)夏季新風(fēng)負(fù)荷選擇了大制冷量的壓縮機(jī)，這在過渡季節(jié)使用顯然是不合算的。既便是在夏季，一天中新風(fēng)負(fù)荷也是逐時變化的，并不是一直處在最高點(diǎn)。為了節(jié)能，應(yīng)當(dāng)以滿足地下洞庫內(nèi)相對濕度為基本條件，使全新風(fēng)除濕機(jī)以恒定的露點(diǎn)溫度送風(fēng)。當(dāng)室外溫度下降，新風(fēng)負(fù)荷減少時，恒露點(diǎn)控制系統(tǒng)能迅速地跟隨新風(fēng)負(fù)荷的變化發(fā)出指令，使壓縮機(jī)自動調(diào)載減少輸入功率，從而減少制冷量，保持出風(fēng)露點(diǎn)溫度不變，實(shí)現(xiàn)自動節(jié)能運(yùn)行。
2.3解決壓縮機(jī)的自動調(diào)載問題
壓縮機(jī)的自動調(diào)載是全新風(fēng)除濕機(jī)最具節(jié)能意義的重要特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)載的辦法有三種，比較如下：
2.3.1多機(jī)頭分級調(diào)載
如果壓縮機(jī)總功率為35kW，可以采用5kW、10kW、20kW三臺全封閉壓縮機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)每級為5kW的七級調(diào)載。這種方式的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)級差大，露點(diǎn)控制精度低。
2.3.2變頻調(diào)載
采用變頻器可以使壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)載，但由于壓縮機(jī)不適宜在低轉(zhuǎn)數(shù)下工作，所以用變頻器調(diào)載的范圍是很有限的，不能滿足全新風(fēng)除濕機(jī)在低負(fù)荷下的節(jié)能運(yùn)行需要。而直接采用變頻壓縮機(jī)則受到單機(jī)功率較小和品種規(guī)格較少的限制，不易實(shí)現(xiàn)最佳選配。
2.3.3小型螺桿式壓縮機(jī)無級調(diào)載
目前螺桿式壓縮機(jī)最小的型號已有功率為25kW的，完全進(jìn)入了全新風(fēng)除濕機(jī)適合選用的范圍。采用現(xiàn)代技術(shù)制造的螺桿式壓縮機(jī)工藝精良，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，更可貴的是其具有獨(dú)特的滑閥調(diào)載功能，可很方便地使能量在25%～100%范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)。雖然價格稍貴，重量也稍大，但其優(yōu)異的性能和所能帶來的節(jié)能效益足以彌補(bǔ)這些不利因素。與前兩種調(diào)載方式比較，螺桿式壓縮機(jī)完全滿足了全新風(fēng)除濕機(jī)的需要，具有最佳性價比，是最好的選擇。
3、全新風(fēng)無級調(diào)載除濕機(jī)樣機(jī)設(shè)計方案
3.1樣機(jī)基本參數(shù)
3.1.1處理新風(fēng)量6000m3/h；
3.1.2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)風(fēng)狀態(tài)tg=35℃，ts=28℃；
3.1.3蒸發(fā)器后露點(diǎn)溫度12.7℃±1℃；（可在12.7℃～20℃范圍內(nèi)根據(jù)需要任意設(shè)定，進(jìn)風(fēng)溫度較低時最低可調(diào)至8℃）
3.1.4出風(fēng)溫度13～36℃±1.5℃（壓縮機(jī)減載時出風(fēng)溫度上限相應(yīng)降低）；
3.1.5除濕量最大90kg/h；
3.1.6壓縮機(jī)功率30kW；
3.1.7壓縮機(jī)工質(zhì)R22；
3.1.8外形尺寸1900×1500×1800，重量1500kg。
3.2樣機(jī)的制冷循環(huán)流程設(shè)計樣機(jī)的制冷循環(huán)流程原理如圖3所示。
3.3樣機(jī)換熱器選擇1.半封閉雙螺桿壓縮機(jī)2.蒸發(fā)器3.風(fēng)冷冷凝器4.水冷冷凝器
5.膨脹閥6.膨脹閥溫包7.分液器8.貯液器9.電動調(diào)節(jié)閥
10.控制器11.出風(fēng)溫傳感器12.露點(diǎn)溫度傳感器13.電磁閥
14.電磁閥１15.電磁閥２16.單向閥17.過濾器18.冷凝壓力表
19.蒸發(fā)壓力表20.高壓繼電器21.低壓繼電器22.制冷劑注入口
23.水封彎24.擋水板25.風(fēng)機(jī)（機(jī)外）26.Y型過濾器
3.3.1蒸發(fā)器采用紫銅套親水膜翅片式；
3.3.2與普通除濕機(jī)相比，全新風(fēng)除濕機(jī)的蒸發(fā)器和風(fēng)冷冷凝器由于過風(fēng)量小，風(fēng)速低，造成外表面換熱系數(shù)比常規(guī)小，因而總傳熱系數(shù)變小，換熱強(qiáng)度降低。為了加大換熱面積以得到足夠的換熱量。蒸發(fā)器和風(fēng)冷冷凝器都采用了容積可自動調(diào)節(jié)的多級形式。
3.3.3水冷冷凝器選擇不銹鋼板式換熱器
3.4樣機(jī)控制方式
3.4.1全機(jī)采用可編程控制器(PLC)控制，有遠(yuǎn)程通訊接口，可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制。
3.4.2露點(diǎn)溫度傳感器設(shè)在蒸發(fā)器后（見圖3）。開機(jī)前先根據(jù)季節(jié)及洞庫內(nèi)溫度在觸摸液晶顯示器上設(shè)定欲控制的新風(fēng)露點(diǎn)溫度，開機(jī)后，控制器將不斷根據(jù)露點(diǎn)溫度傳熱器測得的實(shí)際露點(diǎn)溫度與設(shè)定值比較，以PID方式發(fā)出調(diào)載指令控制壓縮機(jī)的制冷量，使之與動態(tài)的新風(fēng)負(fù)荷相匹配，自動節(jié)能運(yùn)行。
3.4.3采用電動調(diào)節(jié)閥控制冷卻水量的方式改變水冷和風(fēng)冷冷凝器的換熱量比例，實(shí)現(xiàn)出風(fēng)溫度自動調(diào)節(jié)。
3.5樣機(jī)壓縮機(jī)選擇
選擇半封閉雙螺桿無級容調(diào)壓縮機(jī)，能量調(diào)節(jié)范圍為25%～100%；輸出功率30kW，該壓縮機(jī)具有雙重殼體結(jié)構(gòu)，振動小、噪聲低、能效比高。
3.6膨脹閥選擇
采用外平衡式膨脹閥多級分控，或采用電子膨脹閥。
4樣機(jī)測試及檢驗(yàn)結(jié)果
全新風(fēng)無級調(diào)載除濕機(jī)樣機(jī)在試驗(yàn)臺上進(jìn)行了各項(xiàng)性能測試及節(jié)能效果測試，并通過了國家制冷設(shè)備檢驗(yàn)中心的檢驗(yàn)。
4.1基本性能測試
4.1.1在標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)風(fēng)狀態(tài)下,出風(fēng)露點(diǎn)控制范圍為10～20℃,在各種進(jìn)風(fēng)狀態(tài)下出風(fēng)露點(diǎn)控制精度可穩(wěn)定在±1℃。
4.1.2出風(fēng)調(diào)溫范圍隨進(jìn)風(fēng)狀態(tài)變化而有不同，最大達(dá)13～36℃。出風(fēng)溫度傳感器裝于機(jī)上出風(fēng)口時控溫精度為±1.5℃，裝于被調(diào)房間時控溫精度為±1℃。
4.1.3在標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)風(fēng)狀態(tài)下除濕量為90.6kg/h。單位輸入功率除濕量為3.55kg(h.kW)
4.1.4經(jīng)國家制冷設(shè)備檢驗(yàn)中心的檢驗(yàn)，所檢項(xiàng)目符合Q/SLJ005-2003、JB/T7769-1995標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。
4.2節(jié)能效果測試
4.2.1壓縮機(jī)調(diào)載運(yùn)行中的功率測試
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