除濕機(jī)在消失模白模烘房中的應(yīng)用研究

楊喜剛

（蘇州江南意造建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

消失模生產(chǎn)在國(guó)內(nèi)的使用越來(lái)越廣，采用發(fā)泡塑料做成與產(chǎn)品相同的白色模型，通常稱為白模。由于白模生產(chǎn)過(guò)程中要使用冷卻水進(jìn)行冷卻，因此生產(chǎn)出來(lái)的白模含有大量水份，需要將水份進(jìn)行烘干處理，白模外涂刷耐火涂料后，也進(jìn)行烘干處理，去除其中的水分，然后將白模埋在干石英砂中，通過(guò)振實(shí)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)造型，在一定條件下澆注液體金屬。在澆注過(guò)程中，發(fā)泡白模被融化而消失，對(duì)其消失的部分填充金屬液體，金屬液體冷卻后，就變成了與白模相同的鑄件產(chǎn)品。白模質(zhì)量的好壞對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量影響達(dá)80%。白模的烘干是白模生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如何使烘干過(guò)程快速高效且保證質(zhì)量，是消失模生產(chǎn)廠家特別關(guān)心的一個(gè)工藝過(guò)程。目前常用的烘干房加熱方式有蒸汽加熱及電加熱方式。在烘干的過(guò)程中，白模中的水分會(huì)隨著烘房溫度的提升而快速蒸發(fā)，烘房中就會(huì)產(chǎn)生大量水蒸氣。水蒸氣的存在，使烘房?jī)?nèi)的溫度不能快速上升，會(huì)造成加熱能量的增加，烘干時(shí)間變長(zhǎng)。因此如何快速除去烘房?jī)?nèi)的水蒸氣，減少烘干過(guò)程中使用的能耗，是烘房設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要內(nèi)容。目前常用的除濕方法主要有升溫通風(fēng)除濕、冷凍除濕、固體吸附除濕、液體吸附除濕、膜法除濕以及聯(lián)合式除濕等。

1 冷凍除濕原理

冷凍除濕是最早利用的一種除濕方式，空氣中的水蒸氣分壓力隨溫度變化而變化，利用冷源將空氣溫度降低到露點(diǎn)溫度，使水蒸氣凝結(jié)為水，降低空氣中的絕對(duì)濕度，空氣就實(shí)現(xiàn)了除濕過(guò)程。冷源可以采用天然冷源，也可以采用人工冷源。采用冷凍機(jī)作為人工冷源的冷凍除濕是目前使用最廣泛的除濕方式。冷凍除濕機(jī)是由制冷系統(tǒng)及送風(fēng)系統(tǒng)組成的除濕設(shè)備。制冷系統(tǒng)采用逆卡諾循環(huán)原理進(jìn)行制冷，由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器等組成。其工作原理為，壓縮機(jī)將制冷劑氣體進(jìn)行壓縮，變成高溫高壓的氣體，然后通過(guò)冷凝器銅管后，在冷凝器翅片的冷卻作用下，變成高壓低溫的氣體，再通過(guò)膨脹閥膨脹，將高壓低溫氣體變成低溫低壓液體后進(jìn)入蒸發(fā)器。制冷劑液體在蒸發(fā)器銅管內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)，由蒸發(fā)器翅片吸收周圍空氣的熱量，制冷劑又變成了低壓氣體進(jìn)入壓縮機(jī)，如此往復(fù)循環(huán)。

送風(fēng)系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器及風(fēng)管。其工作原理為濕空氣由風(fēng)機(jī)通過(guò)風(fēng)管吸入，先經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器換熱翅片，濕空氣溫度由蒸發(fā)器銅管內(nèi)的制冷劑蒸發(fā)吸收熱量，空氣溫度降低到露點(diǎn)溫度，析出其中的水蒸氣，降溫后的空氣再通過(guò)冷凝器換熱翅片，吸收冷凝器銅管內(nèi)制冷劑的熱量，使空氣溫度重新升高，同時(shí)對(duì)冷凝器銅管內(nèi)的制冷劑進(jìn)行降溫冷卻。干燥升溫后的空氣，通過(guò)風(fēng)管重新進(jìn)入烘房?jī)?nèi)進(jìn)行循環(huán)。其工作原理如圖1所示。

圖1 冷凍除濕機(jī)工作原理圖

這個(gè)除濕過(guò)程的焓濕變化如圖2所示，點(diǎn)空氣為烘房?jī)?nèi)的空氣狀態(tài)，通過(guò)除濕機(jī)蒸發(fā)器后，其溫度降低至露點(diǎn)溫度，到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)，析出-的水分，再通過(guò)冷凝器后，其溫度升高到點(diǎn)。經(jīng)過(guò)除濕機(jī)后得到的是溫度高，但含濕量低的空氣正好符合我們烘房的要求。因此除濕機(jī)的應(yīng)用不但降低了烘房?jī)?nèi)空氣中的濕度，同時(shí)還可以加熱空氣，一舉兩得。

圖2 冷凍除濕過(guò)程焓濕圖

2 烘房設(shè)計(jì)計(jì)算

傳統(tǒng)的白模烘房設(shè)計(jì)模式大都采用電加熱或者蒸汽加熱方式來(lái)去除白模內(nèi)的水分，其設(shè)計(jì)原理是以加熱方式來(lái)使被干燥物品內(nèi)的水汽蒸發(fā)，然后向外排除水汽。其設(shè)計(jì)要點(diǎn)是如何使熱風(fēng)均勻分布在烘房?jī)?nèi)，如何方便烘房的搭建等，但都沒(méi)有提供快速除濕的方法。文獻(xiàn)[8]提出了采用冷凍除濕機(jī)的除濕能有效提高白模干燥的生產(chǎn)效率。

無(wú)錫某合金材料公司是一家消失模鑄造企業(yè)，目前公司內(nèi)的白模烘房為一間16 m×8 m的烘房，中間沒(méi)有隔斷。原來(lái)的烘干模式是，當(dāng)有產(chǎn)品需要烘干時(shí)，將物料小車推進(jìn)烘房，開(kāi)啟烘房加熱模式，在大部分時(shí)間其烘房面積利用率較低。同時(shí)，由于需要頻繁進(jìn)出烘房，因此造成烘房?jī)?nèi)熱量損失，單位產(chǎn)能能耗高。烘房采用的是蒸汽盤管直接加熱烘干模式，沒(méi)有風(fēng)機(jī)進(jìn)行熱風(fēng)循環(huán)，完全靠盤管的輻射加熱，加熱時(shí)間長(zhǎng)；烘房?jī)?nèi)溫度不均，導(dǎo)致白模烘干速率不一致，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生很大影響；烘房?jī)?nèi)沒(méi)有除濕設(shè)備，完全靠門縫間隙進(jìn)行水蒸氣的排除，烘房?jī)?nèi)長(zhǎng)期處于高濕狀態(tài)，烘干時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，通常需要24 h烘干一批物料。目前計(jì)劃擴(kuò)大產(chǎn)能，從年產(chǎn)量6000 t提升到10000 t，原來(lái)烘房的生產(chǎn)效率已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)產(chǎn)能的需求，需要對(duì)原有烘房進(jìn)行改造。

烘房區(qū)域共長(zhǎng)16 m，寬8 m，安裝高度為3 m，為了節(jié)省能源，當(dāng)產(chǎn)能較低時(shí)，只需要一半的烘房空間，因此將整個(gè)烘房區(qū)域設(shè)計(jì)為2間，中間用隔熱板材進(jìn)行分隔。每間烘房尺寸為8 m×8 m×3 m。每間烘房獨(dú)立使用一套除濕機(jī)，一套蒸汽加熱設(shè)備，方便2間烘房的獨(dú)立操作。由于除濕及加熱都需要循環(huán)風(fēng)來(lái)對(duì)烘房?jī)?nèi)空氣進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)時(shí)將2套循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)合在一起，采用一套循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的數(shù)據(jù)及對(duì)烘房的要求進(jìn)行了如下的設(shè)計(jì)計(jì)算。

按目前烘干產(chǎn)能需求最多的爐條白模計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際稱重，85pcs的濕爐條白模質(zhì)量為2150 g，烘干后的質(zhì)量為1555 g，含水量為595 g，每片白模含水量如公式（1）所示。

烘干后的每片白模質(zhì)量如公式（2）所示。

目前每天產(chǎn)量為澆注80爐，每爐需要85片爐條，每天共需要6800片爐條，擴(kuò)產(chǎn)后產(chǎn)能按160爐計(jì)算，共需要13600片爐條。烘房?jī)?nèi)可以放置16輛小車，每輛小車有14層，每層可以放置28片爐條，每車有爐條14×28=392片,烘房?jī)?nèi)一共可以同時(shí)烘干396×16=6272片爐條，改造后要求每次烘干時(shí)間控制在3 h內(nèi)。

設(shè)計(jì)計(jì)算如下。

白?？偤繛?2727g=43904g≈44kg，考慮澆冒口等其他需要一起烘干的物品，以及進(jìn)入烘房的小車上會(huì)帶有水分，其含水量按總量的10%計(jì)，實(shí)際含水量為441.1=48.4 kg。

所需要的除濕機(jī)的處理能力為48.43=16.1kg/h=16.1L/h，考慮到除濕機(jī)運(yùn)行工況與理論工況的差異，對(duì)除濕機(jī)增加一定余量，選取20L/h的除濕機(jī)。

白模質(zhì)量為627218.3g=114777.6g≈115kg，加上10%的澆冒口等其他物料質(zhì)量，實(shí)際質(zhì)量為115kg1.1=126.5kg。

所需熱量計(jì)算，按冬天最不利情況，室內(nèi)環(huán)境溫度15 ℃計(jì)，烘房設(shè)計(jì)溫度55 ℃，溫差為Δ=55-15=40℃。

加熱房間內(nèi)空氣所需要的熱量：由于門縫漏風(fēng)及排濕風(fēng)機(jī)在開(kāi)始運(yùn)行時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)，3 h按換氣10 次計(jì)算，烘房?jī)?nèi)需要加熱的空氣體積為=（883）10=1920m，空氣比熱容取=1.01 kJ/（kg·℃），空氣密度取ρ=1.2 kg/m，如公式（3）所示。

加熱小車所需熱量：小車16 輛，按30 kg/輛計(jì)算，鋼材比熱容=0.46 kJ/（kg·℃），如公式（4）所示。

加熱水及水分蒸發(fā)所需要的汽化潛熱：55 ℃時(shí)的汽化潛熱約為=2400 kJ/kg，水的比熱容為=4.18 kJ/（kg·℃），如公式（5）所示。

加熱白模爐條所需要的熱量，白模比熱容=1.3 kJ/（kg·℃），如公式（6）所示。

加熱室內(nèi)物品總的所需熱量為，如公式（7）所示。

考慮墻體及地面?zhèn)鳠?，按上述熱量?0%計(jì)算，所需總熱量如公式（8）所示。

所需加熱功率為

取30 kW的加熱器。

3 烘房設(shè)計(jì)方案

烘房采用夾芯巖棉板作為墻體板與屋面板，風(fēng)管采用鍍鋅鋼板外包保溫材料，安裝在烘房屋面板上部，循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)采用下出上回的氣流組織形式，從蒸汽加熱器出來(lái)的主風(fēng)管從房頂上分成三根支管下來(lái)，在每根支管上安裝有上、中、下3個(gè)出風(fēng)口，每個(gè)出風(fēng)口都有手動(dòng)調(diào)節(jié)閥及導(dǎo)風(fēng)百葉，這樣可以對(duì)每個(gè)風(fēng)口的風(fēng)量及風(fēng)向進(jìn)行調(diào)整，保證烘房?jī)?nèi)溫度的均勻。在出風(fēng)口對(duì)面的屋頂上開(kāi)4個(gè)回風(fēng)口，并將其會(huì)合到回風(fēng)管進(jìn)入除濕機(jī)。經(jīng)過(guò)除濕機(jī)除濕后，從除濕機(jī)出風(fēng)口再連接到蒸汽盤管的進(jìn)風(fēng)口，使空氣得到加熱，形成循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)。其方案如圖3所示。

圖3 烘房設(shè)計(jì)方案圖

烘房?jī)?nèi)設(shè)置多個(gè)溫度傳感器來(lái)檢測(cè)烘房?jī)?nèi)溫度的均勻性。加熱器采用蒸汽盤管，除濕機(jī)采用管道式高溫除濕機(jī)，循環(huán)風(fēng)機(jī)與除濕風(fēng)機(jī)合用一臺(tái)風(fēng)機(jī)。當(dāng)烘房開(kāi)啟時(shí)，循環(huán)風(fēng)機(jī)就啟動(dòng)并持續(xù)運(yùn)行到烘房運(yùn)行結(jié)束。蒸汽管道采用無(wú)縫鋼管，蒸汽閥門采用模擬量調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制閥門，控制系統(tǒng)采用西門子PLC，利用PID算法調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度。當(dāng)烘房初始運(yùn)行時(shí)，為了防止系統(tǒng)溫度上升緩慢及溫度波動(dòng)大，將蒸汽閥門開(kāi)度設(shè)定在一個(gè)相對(duì)中間的位置。當(dāng)烘房?jī)?nèi)溫度達(dá)到一定數(shù)值后，根據(jù)設(shè)定溫度與烘房?jī)?nèi)實(shí)際溫度的差，按設(shè)定的PID值來(lái)調(diào)節(jié)蒸汽閥門的開(kāi)度，以使烘房?jī)?nèi)溫度保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

烘房使用的是耐55 ℃的高溫管道式除濕機(jī)，但由于除濕機(jī)的壓縮機(jī)內(nèi)置在除濕機(jī)整個(gè)機(jī)箱內(nèi)，考慮夏季運(yùn)行工況，車間內(nèi)溫度高，因此除濕機(jī)機(jī)箱內(nèi)的熱量比較難散發(fā)到周圍空氣中。同時(shí)由于機(jī)箱內(nèi)有高溫空氣經(jīng)過(guò)，會(huì)進(jìn)一步提升機(jī)箱內(nèi)的溫度，因此會(huì)造成壓縮機(jī)過(guò)熱保護(hù)，除濕機(jī)停止工作，起不到除濕效果。針對(duì)夏季運(yùn)行工況的不利條件，將除濕機(jī)壓縮機(jī)移到機(jī)箱外部，使壓縮機(jī)直接與空氣接觸，壓縮機(jī)的溫度可以直接散發(fā)至空氣中，避免由于壓縮機(jī)過(guò)熱而造成除濕機(jī)停止運(yùn)行。通過(guò)壓縮機(jī)外置改造，消除了夏天壓縮機(jī)過(guò)熱保護(hù)造成的停機(jī)隱患。

烘房剛開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，由于物料含濕量大，在蒸汽盤管加熱作用下，物料內(nèi)水分快速蒸發(fā)，烘房?jī)?nèi)空氣很容易達(dá)到飽和狀態(tài)，減緩了物料內(nèi)水份的進(jìn)一步蒸發(fā)。同時(shí)，水分汽化吸收大量熱量，使烘房?jī)?nèi)空氣溫度提升速度慢，烘干效率降低。為了避免此種情況發(fā)生，在循環(huán)風(fēng)管道系統(tǒng)上增加了一個(gè)電動(dòng)控制閥及一臺(tái)排濕風(fēng)機(jī)。在設(shè)備剛啟動(dòng)時(shí)，檢測(cè)到烘房?jī)?nèi)濕度達(dá)到一定數(shù)值后，打開(kāi)電動(dòng)控制閥，開(kāi)啟排濕風(fēng)機(jī)，使室內(nèi)的濕氣快速排到室外。當(dāng)濕度滿足一定條件或者運(yùn)行一定時(shí)間后，關(guān)閉電動(dòng)閥門及排濕風(fēng)機(jī)，減少外部空氣的補(bǔ)充，以節(jié)約蒸汽加熱量。其控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)圖

4 結(jié)語(yǔ)

管道除濕機(jī)在烘房?jī)?nèi)的應(yīng)用，可同時(shí)對(duì)烘房進(jìn)行隔斷，使原來(lái)的1間大烘房分隔成了2間小烘房，烘干時(shí)間從原來(lái)的24 h縮短至3 h，不但減少了單位產(chǎn)能的能耗，同時(shí)也有效提高了烘房烘干效率，在不增加烘房面積的情況下，為產(chǎn)能的提升打下了基礎(chǔ)。在選擇除濕機(jī)時(shí)，需要考慮除濕機(jī)的適用范圍。常規(guī)的除濕機(jī)工作溫度一般在5 ℃~38 ℃，而烘房生產(chǎn)工藝通常要求運(yùn)行在55 ℃，常規(guī)除濕機(jī)不能滿足生產(chǎn)要求，因此需要選擇耐高溫除濕機(jī)，其使用溫度為38 ℃~55 ℃。為了避免夏天工況除濕機(jī)壓縮機(jī)過(guò)熱情況的發(fā)生，將除濕機(jī)壓縮機(jī)移到機(jī)箱外部，使壓縮機(jī)有一個(gè)良好的降溫空間，改造過(guò)后的除濕機(jī)能更好地滿足夏天工況的使用要求。