轉(zhuǎn)輪與冷卻除濕組合式空調(diào)系統(tǒng)變工況穩(wěn)態(tài)性能模擬分析
1前言
用以表征空氣中含水量的濕度和溫度一樣，在我們的生活環(huán)境中是無(wú)時(shí)不在的。它不但影響人們的生活環(huán)境，而且對(duì)物質(zhì)的保存和工業(yè)生產(chǎn)中某些加工工藝過(guò)程，以及在低濕條件下運(yùn)行的儀器儀表，都有密切影響。特別是在一些濕度要求嚴(yán)格的廠房和倉(cāng)庫(kù)，以及鋰電池生產(chǎn)，聚酯切片，防腐，防潮等對(duì)空氣有低濕要求的場(chǎng)合，更需要有低濕度的空調(diào)環(huán)境保證。
目前，空氣除濕主要有四種方法，即通風(fēng)除濕、冷卻除濕、液體吸濕劑除濕和固體吸附劑除濕。在空調(diào)除濕工程中，冷卻除濕和固體吸附除濕是主要手段。冷卻除濕在一般條件下除濕效果好，性能穩(wěn)定且能耗較低，目前應(yīng)用比較廣泛。但對(duì)低濕要求的空氣處理過(guò)程，勢(shì)必使表面溫度降得很低，當(dāng)表面溫度低于零度，冷卻盤(pán)管容易結(jié)霜，除濕能力下降，能耗增加，甚至于無(wú)法正常工作，很不經(jīng)濟(jì)。而應(yīng)用固態(tài)吸附原理的轉(zhuǎn)輪式除濕機(jī)，不受露點(diǎn)影響，且除濕量大，特別適用于低溫低濕條件下應(yīng)用，但由于再生耗熱量大，使這類除濕機(jī)能耗偏高。
轉(zhuǎn)輪除濕與冷卻除濕各有所長(zhǎng)，如果能優(yōu)化組合，互補(bǔ)所短，將會(huì)更好的發(fā)揮其效能。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有學(xué)者關(guān)注這種轉(zhuǎn)輪除濕與冷卻除濕相結(jié)合的組合式除濕空調(diào)系統(tǒng)，有的轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的生產(chǎn)廠家已進(jìn)行了這種改進(jìn)，如DST公司的DE型轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)。但是如何使它的結(jié)構(gòu)更趨合理，運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)，還需要進(jìn)行不斷的研究與改進(jìn)。
2轉(zhuǎn)輪與冷卻組合式除濕空調(diào)系統(tǒng)及其特性
2.1轉(zhuǎn)輪與冷卻組合式除濕空調(diào)系統(tǒng)
轉(zhuǎn)輪與冷卻組合式除濕空調(diào)系統(tǒng)，就是將具有冷熱交換的冷卻除濕循環(huán)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)輪除濕相結(jié)合，利用制冷系統(tǒng)的吸熱除濕進(jìn)行前期除濕，而利用轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)進(jìn)行深度除濕，同時(shí)利用冷凝器的放熱來(lái)加熱再生空氣。
圖1所示為轉(zhuǎn)輪與冷卻組合式除濕空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。圖2為該除濕系統(tǒng)在焓－濕圖中空氣除濕過(guò)程，狀態(tài)1的混合空氣進(jìn)入冷卻除濕機(jī)，經(jīng)1降溫減濕至狀態(tài)點(diǎn)2，然后進(jìn)入轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)絕熱（等焓）去濕至3狀態(tài)，溫度高于除濕機(jī)入口的干燥熱空氣，由2等濕冷卻至送風(fēng)狀態(tài)4。在再生空氣側(cè)，一定數(shù)量的室外空氣W，首先經(jīng)冷卻除濕機(jī)的冷凝器預(yù)熱至狀態(tài)點(diǎn)5，回收冷卻循環(huán)系統(tǒng)除濕和降溫過(guò)程所排出的熱量，然后進(jìn)入再生加熱器加熱至所需的再生溫度，再生轉(zhuǎn)輪固體吸濕劑后排放到大氣中。
2.2轉(zhuǎn)輪和冷卻組合式除濕空調(diào)系統(tǒng)與冷卻除濕空調(diào)系統(tǒng)的比較
冷卻除濕在一定的范圍內(nèi)除濕效果好，且性能穩(wěn)定，但當(dāng)要求濕度較低時(shí)，蒸發(fā)溫度很低，除濕能力下降，此時(shí)選用轉(zhuǎn)輪與冷卻組合式除濕空調(diào)系統(tǒng)，可以達(dá)到很好的效果。
如圖2所示，某空調(diào)房間要求的室內(nèi)空氣狀態(tài)為N，根據(jù)熱濕比ε線，求得所要求的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)為4。如果采用冷卻除濕空調(diào)系統(tǒng)，則狀態(tài)1的空氣需要經(jīng)冷卻除濕至點(diǎn)2’，然后經(jīng)冷凝器加熱至4點(diǎn)送出；如果采用組合式除濕空調(diào)系統(tǒng)，狀態(tài)1的空氣先冷卻除濕至狀態(tài)點(diǎn)2，然后經(jīng)轉(zhuǎn)輪除濕至點(diǎn)3，再等濕降溫至4點(diǎn)送出。從圖上可以看出，2點(diǎn)干球溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2’點(diǎn)，即組合式空調(diào)系統(tǒng)中的冷卻除濕蒸發(fā)溫度高于冷卻除濕機(jī)中的蒸發(fā)溫度，當(dāng)4點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度低于0℃時(shí)，采用冷卻除濕空調(diào)系統(tǒng)容易使表面結(jié)霜，而組合式空調(diào)系統(tǒng)卻不受露點(diǎn)溫度限制，可以根據(jù)需要選擇合適的蒸發(fā)溫度，避免了由于蒸發(fā)溫度降低而引起的種種不利情況，所以，當(dāng)送風(fēng)狀態(tài)的露點(diǎn)溫度低于0℃時(shí)，采用轉(zhuǎn)輪與冷卻組合式空調(diào)系統(tǒng)比單一的冷卻除濕系統(tǒng)要優(yōu)越的多。
2.3轉(zhuǎn)輪與冷卻組合式除濕空調(diào)系統(tǒng)特性
1、冷卻除濕作為前期除濕，突出了冷卻除濕機(jī)高露點(diǎn)工況下能耗低且冷卻盤(pán)管不易結(jié)霜的優(yōu)點(diǎn)。
2、用轉(zhuǎn)輪除濕進(jìn)行深度除濕，突出了轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)低溫低濕條件下，不受露點(diǎn)限制且除濕量大的優(yōu)點(diǎn)。
3、用冷卻除濕循環(huán)系統(tǒng)冷凝器放熱來(lái)加熱再生空氣，充分利用系統(tǒng)內(nèi)部熱能，克服了轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生耗熱量大的缺點(diǎn)，最終達(dá)到節(jié)能目的。
4、可以利用太陽(yáng)能、工業(yè)廢熱等低溫?zé)嵩醋鳛樵偕訜釤嵩矗瑴p輕了對(duì)電力的依賴，并節(jié)約了大量的能源。
3轉(zhuǎn)輪與冷卻組合式除濕空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立
我們知道，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究除濕機(jī)的性能，不失為一研究的方法。但由于影響性能的因素較多，這項(xiàng)工作不僅費(fèi)時(shí)，費(fèi)力，而且受客觀條件的限制，使得有些實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行，給深入研究帶來(lái)很多困難。隨著計(jì)算機(jī)在制冷領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)除濕機(jī)性能進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬可以很好的解決這一矛盾，在給定的設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行工況下，模擬計(jì)算可以得出系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的情況，獲得大量模擬數(shù)據(jù)，對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)分析，所以性能模擬是除濕機(jī)性能研究，優(yōu)化不可缺少的方法之一。
本文通過(guò)建立適用于轉(zhuǎn)輪除濕與冷卻除濕組合式空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型，以VISUALBASIC為編程環(huán)境，設(shè)計(jì)一個(gè)基于WIN98/NT操作平臺(tái)的轉(zhuǎn)輪除濕與冷卻除濕相組合式空調(diào)系統(tǒng)性能模擬計(jì)算程序，以獲得機(jī)組在不同工況下運(yùn)行時(shí)性能系數(shù)的變化規(guī)律。具體措施如下：
1、根據(jù)制冷劑氣相區(qū)狀態(tài)方程、飽和蒸汽壓方程、飽和液體密度方程建立了以制冷劑R22為工質(zhì)的制冷除濕循環(huán)數(shù)學(xué)模型，利用濕空氣的熱力性質(zhì)計(jì)算公式建立了濕空氣處理過(guò)程數(shù)學(xué)模型，以獲得系統(tǒng)熱力計(jì)算過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)。
2、為了突出問(wèn)題的主要方面，簡(jiǎn)化計(jì)算，在建立系統(tǒng)各部件模型的過(guò)程中作了必要的假設(shè)。本課題的數(shù)學(xué)模型包括：轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)模型，模型，冷凝器模型，模型，再生加熱器模型，節(jié)流閥模型等。
3、模擬計(jì)算程序采用模塊化設(shè)計(jì)方法，各模塊之間既統(tǒng)一構(gòu)成一個(gè)整體，同時(shí)又相互獨(dú)立，各模塊可以獨(dú)立調(diào)用。
數(shù)學(xué)模型計(jì)算程序框圖見(jiàn)圖3、圖4。
4轉(zhuǎn)輪與冷卻組合式除濕空調(diào)系統(tǒng)模擬結(jié)果分析
4.1室外空氣溫度對(duì)該除濕系統(tǒng)的影響
室外空氣溫度25～35℃，室外空氣含濕量22.g/kg，處理空氣風(fēng)量2500m3/h，再生空氣風(fēng)量2500m3/h。通過(guò)模擬計(jì)算得出，該除濕系統(tǒng)的除濕量隨環(huán)境溫度的提高而降低，除濕能耗比SPC（能耗量/除濕量；能耗量包括冷卻除濕和等濕冷卻制冷系統(tǒng)耗功、風(fēng)機(jī)耗功、再生加熱耗能，除濕量包括冷卻除濕量、轉(zhuǎn)輪除濕量）則隨著環(huán)境溫度的提高而有所提高。其變化趨勢(shì)如圖5所示。
4.2室外空氣含濕量對(duì)該除濕系統(tǒng)的影響
室外空氣含濕量20～30g/kg，室外空氣溫度35℃，處理空氣風(fēng)量2500m3/h，再生空氣風(fēng)量2500m3/h。除濕系統(tǒng)的除濕量和SPC隨室外空氣的含濕量的變化規(guī)律如圖6所示
4.3處理空氣送風(fēng)量對(duì)該除濕系統(tǒng)的影響
處理空氣送風(fēng)量2000～4500m3/h，室外空氣溫度35℃，室外空氣含濕量22g/kg，再生空氣風(fēng)量2500m3/h。除濕系統(tǒng)的除濕量隨處理風(fēng)量的增大而提高，如圖7所示。而SPC隨處理空氣量的增大而出現(xiàn)起初減小而后增加的變化，在處理風(fēng)量變化的過(guò)程中出現(xiàn)最小值，如圖所示。隨著風(fēng)量的增加，冷卻除濕機(jī)蒸發(fā)壓力升高，的單位功耗減小，制冷劑流量增大，而耗功為制冷劑流量和單位功耗的乘積，在風(fēng)量變化初期，制冷劑流量的增加小于單位耗功的減小，所以剛開(kāi)始除濕能耗比是減小的，但當(dāng)風(fēng)量增大到3000m3/h后，制冷劑流量的增加大于單位耗功的減小，且阻力對(duì)制冷系統(tǒng)性能的影響增加，同時(shí)風(fēng)量的增加引起了風(fēng)機(jī)的功率上升，以致整個(gè)機(jī)組的總能耗也上升，當(dāng)上升的幅度超過(guò)了除濕量的增加時(shí)，除濕能耗比SPC開(kāi)始增大。
5結(jié)論
1、在低濕環(huán)境條件下，采用轉(zhuǎn)輪與冷卻組合式除濕空調(diào)系統(tǒng)具有冷卻除濕機(jī)不可比擬的優(yōu)越性。它可以避免冷卻除濕機(jī)在低蒸發(fā)溫度下盤(pán)管容易結(jié)霜的缺點(diǎn)，同時(shí)又充分利用系統(tǒng)內(nèi)部熱能，克服了轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生耗熱量大的缺點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了冷卻除濕與轉(zhuǎn)輪除濕的有機(jī)結(jié)合。
2、應(yīng)用模擬程序，對(duì)轉(zhuǎn)輪與冷卻組合式除濕空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)在不同室外溫度、含濕量和風(fēng)量下，其除濕量和除濕能耗比的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，所得結(jié)果為該系統(tǒng)的進(jìn)一步研究及優(yōu)化運(yùn)行提供參考。
參考文獻(xiàn)
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