地下工程調(diào)溫除濕機的節(jié)能優(yōu)化方案及性能模擬研究

魏 睆，繆小平，張 翼，魏子杰，羊 雷，邵光明

(1.解放軍理工大學(xué)，江蘇南京 210007；2.東部戰(zhàn)區(qū)陸軍工程科研設(shè)計所，江蘇南京 210016；)

地下工程調(diào)溫除濕機的節(jié)能優(yōu)化方案及性能模擬研究

魏 睆1，繆小平1，張 翼1，魏子杰1，羊 雷2，邵光明1

(1.解放軍理工大學(xué)，江蘇南京 210007；2.東部戰(zhàn)區(qū)陸軍工程科研設(shè)計所，江蘇南京 210016；)

根據(jù)顯熱、濕轉(zhuǎn)換原理，對現(xiàn)有調(diào)溫除濕機性能進行了分析，提出了節(jié)能優(yōu)化方案。該方案在調(diào)溫除濕機的蒸發(fā)器前增加了一個冷卻盤管，使?jié)窨諝忸A(yù)冷后再沿接近飽和狀態(tài)線除濕，能夠達到節(jié)能的目的。通過對調(diào)溫除濕機系統(tǒng)進行仿真模擬，得出系統(tǒng)模型中通過冷卻盤管的冷水適用的溫度范圍為18～25℃，調(diào)溫溫度范圍為15～37.5℃。

地下工程；調(diào)溫除濕機；分析；節(jié)能；模擬

1 前言

隨著地下工程的迅速發(fā)展，地下工程的空氣溫濕度的要求越來越高，調(diào)溫除濕機的應(yīng)用也越來越廣泛。調(diào)溫除濕機是在高濕度變室內(nèi)熱負荷條件下保障地下工程內(nèi)部熱濕環(huán)境質(zhì)量的一種重要設(shè)備，其性能直接影響地下工程的維護管理水平[1]。其原理是利用蒸發(fā)器為空氣降溫除濕，并回收冷凝熱來調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各類地下潮濕工程中[2]。常用的調(diào)溫除濕機一般采用單蒸發(fā)器和雙冷凝器方案，蒸發(fā)器對空氣進行降溫除濕處理，風(fēng)冷冷凝器對空氣進行調(diào)溫，水冷冷凝器把余熱排出[3～6]。在實際使用過程中，除濕機存在一些不足，特別是其能耗較大，約占整個維護管理期工程能耗的70%～80%，運行使用期能耗的50%～70%[7]，因此研究調(diào)溫除濕機節(jié)能優(yōu)化非常必要。

任守宇等發(fā)明了一種一機雙系統(tǒng)新型戶式新風(fēng)除濕機，其特征是蒸發(fā)器前設(shè)置冷卻盤管，冷卻盤管與水冷冷凝器串聯(lián)，對空氣進行預(yù)冷，減小制冷系統(tǒng)的空氣處理范圍[8]。朱培根等針對地下建筑內(nèi)的熱濕負荷特點，將熱管技術(shù)應(yīng)用于調(diào)溫除濕機[9]。袁麗等分析了冷凍除濕機用于地下防護工程存在的問題，設(shè)計了一套節(jié)能型冷凍除濕機[10]。

調(diào)溫除濕機回收機組的部分冷凝熱，但是仍然存在著制冷量和加熱量的相互抵消問題[11]。調(diào)溫除濕機的應(yīng)用越來越廣泛，其節(jié)能問題也變得日益重要，本文通過對調(diào)溫除濕機空氣處理過程中的分析，提出調(diào)溫除濕機的節(jié)能改造措施，優(yōu)化除濕方案。

2 性能分析

2.1 常規(guī)調(diào)溫除濕機的空氣處理過程

常規(guī)調(diào)溫除濕機原理如圖1所示。常規(guī)調(diào)溫除濕機空氣處理過程如圖2所示，空氣從狀態(tài)點1經(jīng)過蒸發(fā)器冷卻除濕后，變成狀態(tài)點2，空氣再經(jīng)過室內(nèi)風(fēng)冷冷凝器加熱，通過三通閥調(diào)節(jié)制冷劑的流量，使送風(fēng)調(diào)溫范圍在狀態(tài)點2與狀態(tài)點3之間。

圖1 常規(guī)調(diào)溫除濕機原理示意

圖2 常規(guī)調(diào)溫除濕機的空氣處理焓濕圖

空氣處理過程中，需要將空氣直接冷卻至露點，在熱濕耦合狀態(tài)下進行降溫除濕，要求蒸發(fā)溫度低于露點溫度。

理想逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)：

ε=T1/(T2-T1)

(1)

式中T1——蒸發(fā)溫度T2——冷凝溫度

由式(1)可知，提高壓縮機的制冷系數(shù)，則需要提高蒸發(fā)溫度。單一蒸發(fā)器只有一個蒸發(fā)溫度，無法提高制冷系數(shù)。提高蒸發(fā)溫度成為提高制冷系數(shù)和能效的一種思路。

2.2 理想調(diào)溫除濕機的空氣處理過程

理想調(diào)溫除濕機的空氣處理焓濕圖如圖3所示。

圖3 理想調(diào)溫除濕機的空氣處理焓濕圖

(2)

式中 ΔJa,W——空氣的濕變化 ΔJL,W——水蒸汽膜的濕變化QL,d——除濕量所對應(yīng)的汽化潛熱r0——水的汽化潛熱d0——參考點0的含濕量

(3)

式中TN——濕空氣的進口含濕量所對應(yīng)的露點溫度

T1——濕空氣的出口含濕量所對應(yīng)的露點溫度

ΔJWE-S=Q(TY-TH)+TYWE=WE(TY+TH)

(4)

(5)

式中 ΔJWE-S——功WE轉(zhuǎn)換成的顯熱TY——熱源的溫度TH——熱匯的溫度WE——功

由式(5)結(jié)合式(3)可得系統(tǒng)所需輸入的功為：

(6)

WE,d即為濕空氣的除濕過程所需的最小功?？梢?，應(yīng)用濕空氣熱濕轉(zhuǎn)換的原理，構(gòu)建出理想的濕空氣除濕過程，并在此過程中得到理論上濕空氣除濕的最小能耗，在減少能耗方面，為優(yōu)化方案提供了思路。

3 優(yōu)化方案

根據(jù)上一節(jié)理論分析，提出調(diào)溫除濕機的節(jié)能改造措施，首先在空氣進入蒸發(fā)器前，通過冷卻盤管適當(dāng)降低空氣溫度，再通過蒸發(fā)器進行除濕；另外利用風(fēng)冷冷凝器的余熱進行調(diào)溫。該改造思路提高了通過蒸發(fā)器的能量利用率，同時提高調(diào)溫除濕機的能效。優(yōu)化改造后的調(diào)濕除濕機系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 節(jié)能型調(diào)溫除濕機系統(tǒng)示意

該節(jié)能型調(diào)溫除濕機的系統(tǒng)工作原理如下：

(1)由壓縮機加壓后的制冷劑通過三通閥，一部分流向室內(nèi)的風(fēng)冷冷凝器，一部分流向室外的水冷冷凝器，根據(jù)室內(nèi)調(diào)溫范圍，通過三通閥調(diào)節(jié)制冷劑流量。風(fēng)冷冷凝器和水冷冷凝器中的制冷劑再匯集在儲液罐，經(jīng)過膨脹閥流向蒸發(fā)器。最后流向壓縮機，形成一個完整的循環(huán)。

(2)水冷冷凝器中，溫度在室內(nèi)露點溫度與室溫之間的冷水先進入冷卻盤管對空氣進行降溫處理；再進入水冷冷凝器，冷水和制冷劑逆流，達到對制冷劑降溫的效果。

(3)濕空氣通過冷卻盤管，進行預(yù)冷降溫；再通過蒸發(fā)器降至露點，進行除濕；最后進入風(fēng)冷冷凝器，進行加熱調(diào)溫，調(diào)溫范圍在3～4之間，焓濕圖見圖5。系統(tǒng)出風(fēng)空氣的溫度和濕度可以根據(jù)需求單獨調(diào)節(jié)，可以提高調(diào)溫除況機組的適應(yīng)性。

圖5 節(jié)能型調(diào)溫除濕機焓濕圖

4 仿真模擬試驗

基于分布參數(shù)方法，建立了完備的調(diào)溫除濕機的系統(tǒng)模型，包括針對渦旋壓縮機、管殼式水冷冷凝器、翅片管式風(fēng)冷冷凝器、翅片管式蒸發(fā)器和管道附件等分別建立了穩(wěn)態(tài)仿真模型，所建立的模型具有通用性。利用Celand方法與最小二乘擬合相結(jié)合的顯式擬合方法，建立了工質(zhì)R22和空氣物性的快速仿真程序。利用向前差分格式分別對各組件的偏微分方程組進行了數(shù)值離散，在保證一定的精度及運算速度的同時，避免了隱式方法帶來的分叉等求解隱患[16～21]。

4.1 水冷冷凝器

圖6為水冷冷凝器管壁及制冷和水側(cè)的沿程溫度分布。

圖6 水冷冷凝器管壁及制冷劑和水側(cè)的沿程溫度分布

從圖6中可以看出，在單管長0.5 m內(nèi)，制冷劑呈現(xiàn)過熱狀態(tài)，管長0.5～5 m范圍內(nèi)，制冷劑呈兩相凝結(jié)狀態(tài)，且換熱與水側(cè)相當(dāng)，當(dāng)單管長大于5 m時，制冷劑開始呈現(xiàn)過冷，此后水側(cè)換熱系數(shù)起決定性作用。對于室內(nèi)溫度高于18 ℃的情況下，可以使用溫度在18～25 ℃范圍內(nèi)的冷水，在冷卻盤管中對空氣進行先預(yù)冷。

4.2 風(fēng)冷冷凝器

圖7為風(fēng)冷冷凝器管壁及制冷劑和風(fēng)側(cè)的沿程溫度分布。從圖7中可以看出，在單管長2 m內(nèi)，制冷劑呈現(xiàn)過熱狀態(tài)，管長2～10 m范圍內(nèi)，制冷劑呈兩相凝結(jié)狀態(tài)，當(dāng)單管長大于10 m時，制冷劑開始呈現(xiàn)過冷，此后風(fēng)側(cè)換熱系數(shù)起決定性作用。從蒸發(fā)器出來的空氣溫度較低，進入風(fēng)冷冷凝器進行升溫，風(fēng)冷冷凝器的調(diào)溫范圍在15～37.5 ℃。袁麗等利用除濕后的空氣與新風(fēng)進行換熱，對空氣進行預(yù)冷，達到節(jié)能的目的，但是在調(diào)溫過程中，增加了冷凝器壓力，使壓縮機的功耗增加[10]。

圖7 風(fēng)冷冷凝器管壁及制冷劑和風(fēng)側(cè)的沿程溫度分布

4.3 蒸發(fā)器

圖8為蒸發(fā)器的兩側(cè)流體及管壁的溫度分布。

圖8 蒸發(fā)器的兩側(cè)流體及管壁的溫度分布

從圖8中可以看出，空氣經(jīng)過蒸發(fā)器，在預(yù)冷降溫的基礎(chǔ)上繼續(xù)降溫除濕，通過蒸發(fā)器的空氣溫度變化范圍15～27 ℃。從圖中也可以看出，干度較低的制冷劑進入蒸發(fā)器換熱管后，逐漸受熱氣化，局部沸騰換熱系數(shù)逐步增加，直至制冷劑干度達到80%左右，均屬濕壁區(qū)，通常此區(qū)呈環(huán)狀流。當(dāng)制冷劑干度大于80%，則進入蒸干區(qū)，呈霧狀流，管內(nèi)基本無液膜，局部沸騰換熱系數(shù)急劇降低，接下來制冷劑進入過熱區(qū)，屬于單相流動換熱，其換熱系數(shù)基本保持穩(wěn)定。

5 模擬結(jié)果與分析

5.1 參數(shù)計算

制冷量Qe：

Qe=qma(hcomi′-hcono)

(7)

式中Qe——制冷量qma——輸氣量hcomi′——壓縮機吸氣口比焓hcono——冷凝器出口比焓

性能系數(shù)COP：

COP=Qe/Pe

(8)

式中Pe——壓縮機軸功率

除濕量W：

(9)

式中ρa——空氣密度G——經(jīng)過除濕機的風(fēng)量 Δd——空氣經(jīng)過蒸發(fā)器后，單位質(zhì)量的空氣除濕量

出口空氣的含濕量ds：

(10)

式中d1——蒸發(fā)器前的空氣含濕量

5.2 參數(shù)模擬

在蒸發(fā)器空氣進口干球溫度為27 ℃，相對濕度60%，制冷劑流量0.22 kg/s，制冷劑入口焓值245000 J/kg時對不同進風(fēng)風(fēng)量下進風(fēng)溫度與相對濕度的變化進行模擬，得出對出口參數(shù)的影響曲線，如圖9～16所示。從圖9～12可以看出，隨著進風(fēng)干球溫度增加，制冷量與除濕量均增加，出風(fēng)口的含濕量也相應(yīng)增加。隨著進風(fēng)量降低，制冷量增長幅度明顯的降低。另外進風(fēng)量較低時，COP會有所下降。

圖9 不同風(fēng)量下進風(fēng)干球溫度對制冷量的影響

圖10 不同風(fēng)量下進風(fēng)干球溫度對COP的影響

圖11 不同風(fēng)量下進風(fēng)干球溫度對出風(fēng)含濕量的影響

圖12 不同風(fēng)量下進風(fēng)干球溫度對除濕量的影響

圖13 不同風(fēng)量下進風(fēng)相對濕度對制冷量的影響

圖14 不同風(fēng)量下進風(fēng)相對濕度對COP的影響

圖15 不同風(fēng)量下進風(fēng)相對濕度對出風(fēng)含濕量的影響

圖16 不同風(fēng)量下進風(fēng)相對濕度對除濕量的影響

從圖13～16中可以看出，當(dāng)進風(fēng)相對濕度增加，除濕量增加，制冷量在風(fēng)量較大時，隨著進風(fēng)相對濕度的增加而增加，而風(fēng)量較小時，則出現(xiàn)制冷量下降的趨勢。COP也有相應(yīng)的下降趨勢。

從模擬試驗結(jié)果可以得出，在一定的范圍內(nèi)，此優(yōu)化方案具有可行性。

6 結(jié)語

[1] 莊克鵬，繆小平，彭福勝.調(diào)溫除濕機性能試驗平臺設(shè)計[J].制冷與空調(diào)，2009，9(1)：53-56.

[2] 韓旭，李永，茅靳豐.并聯(lián)型調(diào)溫除濕機制冷劑調(diào)節(jié)優(yōu)化方案策略及實驗研究[J].制冷學(xué)報，2012，33(1)：35-40.

[3] 林來豫，龐憲卿，趙永順.地下工程專用恒溫除濕機的研制[J].流體機械，2005，33(9)：51-54.

[4] 譚輝平，陳穎.一種具有除濕功能的新型熱泵熱水器的設(shè)計[J].流體機械，2008，36(6)：83-85.

[5] 楊瑱，邵雙全，劉永利，等.毛細管內(nèi)表面粗糙度對除濕機性能影響的試驗研究[J].流體機械，2011，39(1)：65-68.

[6] 鄧玉艷.除濕機除霜設(shè)計與實驗研究[J].流體機械，2007，35(2)：58-60.

[7] 朱培根，楊盛旭.國防工程空氣調(diào)節(jié)[M].南京：解放軍理工大學(xué)，2007.

[8] 任守宇，劉紀華，焉麗霞，等.一機雙系統(tǒng)新型戶式新風(fēng)除濕機[P].中國: 200510043763.5，2005.11.23.

[9] 朱培根，王建勛，朱志平，等.熱管在調(diào)溫除濕機中的應(yīng)用研究[J].暖通空調(diào)，2006，36(2)：56-59.

[10] 袁麗，耿世彬，范良凱，等.節(jié)能型冷凍除濕機研究開發(fā)[C].第5屆全國建筑環(huán)境與設(shè)備技術(shù)交流大會文集，2013：164-168.

[11] 劉曉華，江億，張濤，等.溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[12] 江億，謝曉云，劉曉華，等.濕空氣熱濕轉(zhuǎn)換過程的熱學(xué)原理[J].暖通空調(diào)，2011，41(3)：51-64.

[13] 過增元，梁新剛，朱宏曄，等.——描述物體傳遞熱量能力的物理量[J].自然科學(xué)進展，2006，16(10):1288-1296.

[14] 董源，過增元.從熱質(zhì)理論到能質(zhì)理論[J].工程熱物理學(xué)報，2012，33(3):465-468.

[15] 江億，劉曉華，謝曉云，等.室內(nèi)熱濕環(huán)境營造系統(tǒng)的熱學(xué)分析框架[J].暖通空調(diào)，2011，41(3):1-12.

[16] 梁亞英，柳建華，張慧星，等.可移動式小型液體除濕空調(diào)裝置的研制[J].流體機械，2015，43(1)：68-71.

[17] 趙景玉，黃英，趙石軍.大型管殼式換熱器的設(shè)計與制造[J].壓力容器，2015，32(3)：36-44.

[18] 孫中琦，王雅立，馬真，等.多糖類納米可食性保鮮膜的研究進展[J].包裝與食品機械，2015，33(2)：54-58.

[19] 趙秀玲.羅漢果生理活性成分研究進展[J].包裝與食品機械，2015，33(3)：54-57.

[20] 袁博，許學(xué)斌，陳倉社.雙管板換熱器管板平均金屬溫度的一種計算方法[J].化工設(shè)備與管道，2016，53(4)：12-16.

[21] 羊雷.地下工程調(diào)溫除濕機準穩(wěn)態(tài)仿真與優(yōu)化研究[D].南京：解放軍理工大學(xué)，2011.

作者簡介：魏睆(1991-)，女，在讀碩士研究生，主要從事地下工程節(jié)能的研究，通訊地址：210007 江蘇南京市秦淮區(qū)海港巷1號解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院軍事環(huán)境工程教研中心，E-mail: wh20110629@163.com。

Study on Energy Saving Optimization Scheme and Performance Simulation of Dehumidifier with Temperature Controlin Underground Engineering

WEI Huan1,MIAO Xiao-ping1,ZHANG Yi1,WEI Zi-jie1,YANG Lei2,SHAO Guang-ming1

(1.PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,China；2.Eastern Theater Army Engineering Research and Design Institute,Nanjing 210016,China)

Based on the conversion principle of heat entranspy and moisture entranspy,the performance of current dehumidifier with temperature control was analyzed,energy saving optimization scheme was proposed.This scheme added a cooling coil before the evaporator in dehumidifier with temperature control.It is possible to precool moist air before dehumidifying along the line close to saturation and achieve the goal of energy saving.Through the simulation result of dehumidifier with temperature control system,we got a useful temperature range of cooling water in cooling coil is 18～25℃ and tempering temperature range is 15～37.5℃ in system model of dehumidifier with temperature control.

underground engineering;dehumidifier with temperature control;entranspy analysis;energy saving;simulation

陳孚江(1979-)，男，講師，碩士生導(dǎo)師，博士，主要從事制冷空調(diào)設(shè)備研發(fā)及系統(tǒng)優(yōu)化等方面的研究，通訊地址：213016 江蘇常州市鐘樓區(qū)白云路常州大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系，E-mail:673027023@qq.com。

1005-0329(2017)03-0075-06

2016-07-25

2016-09-30

TH138.7;TU834.9

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.016