地下工程专用恒温除湿机的研制

地下工程专用恒温除湿机的研制林来豫1,庞宪卿1,赵永顺2,杨池华2,易新文3(1.解放军96531部认,河南洛阳471031;2.二炮工程设计研究院,北京100011;3.申菱空调设备有限公司,广东顺528313)抽要:通过对普通调温除湿机和恒温恒湿机运行特性的分析,指出了这两种设备在地下工程中运行时存在的缺点,提出了在地下工程专用恒溢除湿机的研制中需要解决的关键问题,并给出了样机的设计参数及测试结果。  地下工程中一般使用CTZ型调温除湿机来除湿兼调控室温。而在可能产生较大余热的地下工程中,通常使用普通水冷型恒温恒湿机来控制室内温湿度。  长期的运行实践表明,这两种设备用于地下工程的温湿度控制时都存在明显的缺点。除湿机的基本功能主要是除湿,其调功能比空调机差。  而恒温恒湿机的标准运行环境应当是在篼温低湿的地面建筑中,地下建筑的环境特点与地面建筑区别很大,造成了恒温恒湿机能耗较篼,存在明显的不适用性。为了满足地下工程既要除湿又要恒温的实际需要,研制了一种新型的恒温除湿机。  2CIZ型除湿机与恒通恒湿机比较2.1 C12型除湿机的缺点CTZ型除湿机是从C型除湿机改进而来的第二代调温型除湿机,该机有水冷和风冷两个冷凝器,空气先经蒸发器降温除湿,又经过风冷冷凝器升温后送到空调房间,通过调节冷却水流量控制风冷冷凝器和水冷冷凝器的换热比例,可以控制送风温度的篼低。由于该机利用了冷凝热量作为对送风升温的再加热,所以被认为是节能的。但是,这种节能形式是有缺点的,尤其是在地下工程常用的升温除湿工况下,这种缺点表现更为明显。依靠冷凝热量来调控室温的前提是压缩机必须连续工作,而CIZ型除湿机对室内湿度只能采取最简单的“双位式”控制方式(即“通”和“断”方式),压缩机是否运行取决于室内湿度的实际值是否达到了设定值。一旦达到了设定值,压缩机就会停转,压缩机停转的直接结果是不仅除湿停止了,冷流体机械凝热量也随之没有了,对送风的升温作用同时也停止了,但此时新风湿负荷依然存在,由于地下工程壁面持续散湿和吸热,室内的热湿负荷也依然存在,新风和回风未经任何处理就被送入室内,室内温湿度必然产生很大波动,室温很快降低,相对湿度迅速升高。因为P节特性较差,压缩机再启动后升温滞后时间较长,有时甚至会出现室内装备表面结露现象,给装备造成损害。为了避免出现这种情况,操作人员会取消湿度控制系统,使压缩机一直处于开机状态,这显然是既不合理也不经济的,但不得不这样做。  (2)送风温度可调范围内存在盲区从中可以看到,CTZ型除湿机的水冷冷凝器和风冷冷凝器在调温工况下是串联的。从制冷剂流程来看,当电磁阀开启后,这两个冷凝器可以看作是连通在一起的等压空间,高压制冷剂在其中以两相状态存在,无论水冷冷凝器的冷却水量加大到多少,都无法阻止一部分气态制冷剂窜入风冷冷凝器,大量的汽化潜热会释放在风冷冷凝器中,使得除湿机的出风温度居高不下,严重影响了除湿机送风温度的可调节范围。在调温工况下,CIZ型除湿机的出风温度最低只能降到26尤左右,而在切除风冷冷凝器的全水冷工况下,CTZ型除湿机的出风温度可以降到16*以下,这就是说,该型除湿机送风温度的调节范围中存在约10T的盲区,这对室温的控制是非常不利的,如果需要的送风温度正好处于盲区,势必造成除湿机运行工况的频繁转换,室温也会随之产生很大的波动。这是该型除湿机的又一重要缺点。  用性普通恒温恒湿机的标准运行环境是在地面工程中,最适用于夏季降温的空调系统。该机配有电加热器,用于提升出风温度,以满足精确控制室温的需要。另外还配有加湿器,以满足控制室内相对湿度的需要。  地下工程中有些房间的设备在工作时会产生大量的工艺性余热,空调设计中会在这些房间采用大制冷量的水冷型恒温恒湿机以消除余热。由于地下建筑的环境特点与地面建筑区别很大,实际运行中可以看到恒温恒湿机存在明显的不适用之处。  地下工程的环境特点是低温高湿。装有发热设备的房间除了短期的值班时间外,大部分时间都处在非工作状态,没有工艺余热,恒温恒湿机需要用除湿升温工况运行。虽然恒温恒湿机在控制室温方面比CK型除湿机好,但其功耗却比CIZ除湿机大得多,因为其冷凝热量都被冷却水带到了下水道。经过冷冻除湿的处于露点状态的空气必须经过电加热器加热大幅度升温后才能送人房间。这种重复耗能使恒温恒湿机在地下工程中应用的经济性降低。有时设计者会再配置一套除湿机用于平时的除湿运行。显然这种设备的重复配置既增加了投资,增加了占地,又增加了安装和运行管理的复杂性,也是一种很无奈的选择。  目前恒温恒湿机用的都是能量不可调节的全封闭压缩机,只能采用简单的双位式控制方式,这种方式对于同时控制温度和相对湿度是很不利的,比如恒温恒湿机在降温除湿工况下,由于控温和控湿都需要由压缩机的启停来实现,所以是选择温度优先还是选择湿度优先是一个两难的选择,因为无论怎样选择,都是只能保证一项指标的精度而放宽对另一项指标的精度要求,即使采用PLC控制也只能默认某项指标优先。在地面工程中,可以采用折衷的办法分别设定室内温度和湿度的上下限对应值,尽量兼顾温度和湿度的控制精度。但在地下工程中,由于热湿比的变化与地面工程大不相同,无论怎样选择,都可能给温湿度精度的控制和运行能耗带来不利影响。在设备调试中,往往耗费许多时间和精力也难以得到理想的结果。  3新型恒温除湿机的设计定位3.1品定位恒温除湿机是一种专为地下工程空调系统设计的高端机型。该机篼效节能,可以完成对地下工程环境指标的高精度控制,是可以接受系统集成平台对调节全过程进行智能化集中控制的标准终端设备。  3.2功能定位恒温除湿机根据地下工程的环境特点,以恒温和除湿功能为主,在有特殊工艺需求的场合也可选择增加加湿功能。该机保留了CIZ型除湿机和水冷式恒温恒湿机的优点,弥补了其缺点,可以满足地下工程有余热或无余热状态下的环境保障要求。该机无需人工指定运行工况,可根据设定值和环境参数自行判断并采取适当的运行方式。使室内温湿度值可靠地稳定在设计指定的范围内。  3.3规格定位按照地下工程常用的除湿机规格,为方便安装和使用,处理风量为6000~20000m3/h的恒温除湿机为整体式,处理风量大于2m3/h的为分段组合式。  恒温除湿机可以带风机,也可以不带风机。  4新型恒温除湿机设计中要解决的关键问题4.1解决温湿度控制能力差的问题普通恒温除湿机送风温湿度波动大和送风温湿度精度不能兼顾的问题都是因为压缩机只能采用双位式控制造成的。双位式控制的调节特性是最差的,其调节参数也是最简单的,除了用上下限值来控制设备的启停外,对于被调节对象的具体调节需求是无计可施的。新型恒温除湿机要充分发挥PLC(可编程控制器)的智能作用,实现对调节全过程控制,首先应考虑采用能量可调型压缩机。只有采用能量可调型压缩机,才能应用PLC中的PID控制功能,对压缩机制冷量进行调节,使压缩机能适时跟随负荷变化运行,满足各种调节需求。由于PID调节过程是平滑的,当房间温湿度达到设定值时,压缩机并不会停机,而是以此时的负荷为平衡点继续运行,使室内参数稳定在设定值,从而不用担心出现因压缩机停机而使未经处理的空气直接进人室内引起温湿度大幅度波动的问题。  采用能贵可调型压缩机后,温度和湿度精度不能兼顾的问题也可得到改善,恒温除湿机可采用室内露点温度传感器采集室内湿度信号,通过控制器调节压缩机制冷量,满足湿度控制需要。当室内的湿度达到要求时,压缩机会以维持湿负荷平衡而继续运行,蒸发器仍会提供出露点状态的低温风,以满足室内的温度需要继续降低时的需求。室内的温度控制则由干球温度传感器通过控制器以PID方式调节水冷冷凝器前的电动调节阀开度,用改变冷却水流量的办法来调节水冷冷凝器和风冷冷凝器的换热比例,从而达到控制出风温度的目的。虽然风冷冷凝器的换热量会受到压缩机能量调节的影响,但冷却水的调节会最终弥补这些影响,使出风温度稳定。恒温除湿机可以实现温度和湿度分离控制,从而解决了温度和湿度精度不能兼顾的问题,使温度和湿度控制都能达到很高的精度。在室内有大量余热量出现时,恒温除湿机的PLC控制器将根据干球温度传感器得到的温度值与设定值比较,如果偏差大于规定值A,即指令压缩机由湿度控制转换为温度控制,以满负荷降温方式运行,直至室内温度与设定值的偏差小于规定值心后,压缩机又自动改为湿度控制。在以降温为主要目的时,也可以把:的值设为0,压缩机将始终以温度控制方式工作,不再转换。  4.2解决冷凝热量利用和辅助加热问题1数码容调压缩机;2.蒸发器;3.风冷冷凝器;4.水冷冷凝器;5.电子膨胀阀;6分液器;7.贮液器;8.电动调节W;9.供液电JtWilO.旁通电磁阀;11.电动冷媒阀;12.单向阀;13.干燥过滤器;14电加热器;15.防辐射折板;16.挡水板;17.风机。  流体机械新型恒温除湿机保留了CTZ型除湿机可以利用冷凝热量为送风提升温度的特点,在升温除湿工况下可以避免重复耗能。但是新型恒温除湿机采用的是能量可调型压缩机,在室内湿度达到设定值后,压缩机减载运行时,冷凝热量也会减小,使空气通过风冷冷凝器时不能得到足够高的热量,从而使送风温度的上限降低,直接影响对室内温度的控制。为了使送风温度的可调范围不因压缩机减载运行而减小,恒温除湿机在风冷冷凝器后又增加了一个辅助电加热器(见),在必要时可以给送风补充热量。该加热器可以分组投入,由PLC控制器以比例调节方式控制加热量,保持室内的恒温精度。  4.3解决送风温度可调范围内有盲区的问题送风温度可调范围内有盲区存在会使送风的温度调节不能做到光滑连续。恒温精度要求很高的恒温除湿机是不能容忍这种缺陷存在的。本文前面已以CI2型除湿机为例,说明了盲区存在的原因。解决这个问题的关键是要设法控制制冷剂在风冷冷凝器中的换热量,简单的办法是将风冷冷凝器分组,用分组切换改变换热面积的办法来控制换热量。这种办法能有助于减小盲区却不能消除盲区。最有效的办法应当是控制进人风冷冷凝器的制冷剂流量。如所示,在水冷冷凝器和风冷冷凝器之间设电动两通冷媒调节阀,在两冷凝器之间设旁通电磁阀连通贮液器。  恒温除湿机送风温度调节过程如下:全冷风时:电动阀全关,电磁阀开启。风冷冷凝器被切除,制冷剂经水冷冷凝器凝结成液态后经旁通电磁阀直接进入it液器。空气经蒸发器冷却后以最低温度送出。  送风温度由低到高调整时:电磁阀在升温开始时仍处于开启状态,电动阀在PLC的指令下逐渐开启,部分制冷剂进人风冷冷凝器,送风温度开始升高,电动阀开启到位后,电磁阀关闭,全部制冷剂都必须经风冷冷凝器后才能进入贮液器。此时冷却水电动调节阀在PLC指令下开始逐渐关闭,使水冷冷凝器的换热量逐渐减少,最终使制冷剂的冷凝热量全部释放在风冷冷凝器中,使送风温度达到最高值(不包括辅助电加热器的热量)。  送风温度由高到低的调节过程与上述过程相反。  所示的是用电动三通冷媒调节阀代替了中的旁通电磁阀和电动冷媒阀。分流三通阀的流量等百分比特性好,没有旁通电磁阀启停带来的阶越干扰,可使送风温度调节更平滑。  新型恒温除湿机采取以上措施后,有效地解决了送风温度可调范围内的盲区问题。  电动三通冷媒阀应用新型恒温除湿机样机制作5*1样机基本参数及其制冷循环流程设计风温度Q=样机的制冷循环流程原理参见如。  5.2样机主要部件选择压缩机采用无电磁干扰的数码容调涡旋式压缩机,能量调节范围为10%~100%,定变组合,功率为10kW(30kW以上机型将采用无级容调螺杆式压缩机)。蒸发器、水冷冷凝器、风冷冷凝器选常规形式。辅助电加热器功率为10kW,装于出风侧,电加热器与风冷冷凝器之间装有防热辐射折板(电加热器也可为单独组件另装于风道中)。  节流装置选用电子膨胀阀,与压缩机的能量调节及蒸发器的过热度配合运行。控制器选用西门子可编程控制器,全中文触摸式液晶显示屏,带远程通讯接口。  5.4样机测试及试用测试结果表明,新型恒温除湿机的制冷量、除湿量均可达到设计要求,出风温度(16-40*)连续可调。试用中该机表现出了卓越的性能,开机前设定好室内温湿度参数,开机后即开始全自动运行,无论热湿负荷怎样变动,该机都可以迅速响应并对运行状态作出相应调整。在地下工程常规湿负荷情况下,当新风童不超过20%,无余热或余热量在设计规定范围内时,可以维持室内温度(20~25

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