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

韓 旭 李 永 茅靳豐

(解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院 南京 210007)

調(diào)溫除濕機利用蒸發(fā)器為空氣降溫除濕，并可回收冷凝熱來調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度，已廣泛應(yīng)用于倉庫、機房及各類地下工程中。調(diào)溫除濕機一般采用雙冷凝器方案，其中一個冷凝器為水冷冷凝器(或蒸發(fā)式冷凝器)，用于排除余熱；另一個冷凝器為風(fēng)冷再熱冷凝器。冷凝器有串聯(lián)和并聯(lián)兩種模式。

2001年，吳茂杰、劉鳳田等人[1]在測試某調(diào)溫除濕機性能時，發(fā)現(xiàn)串連型調(diào)溫除濕機存在調(diào)溫盲區(qū)問題。2006年，朱志平、王克勇、程寶義[2]等人申請了無盲區(qū)調(diào)溫除濕機專利，提出雙冷凝器并聯(lián)模式。冷凝器并聯(lián)具有阻力小，回收預(yù)熱方便，克服了串聯(lián)存在的調(diào)溫盲區(qū)、控制較為復(fù)雜、制冷劑行程長、壓縮機功耗較大等問題，可實現(xiàn)送風(fēng)溫度連續(xù)(或分級)調(diào)節(jié)，是除濕機發(fā)展研究的重要方向。

然而，并聯(lián)型調(diào)溫除濕機在調(diào)溫除濕模式和冷凍除濕模式之間轉(zhuǎn)換時常出現(xiàn)冷凝器中制冷劑分配不平衡現(xiàn)象，可導(dǎo)致調(diào)溫除濕能效下降，甚至停機。此外，并聯(lián)型調(diào)溫除濕機在由冷凍除濕模式向調(diào)溫除濕模式轉(zhuǎn)換時，往往由于前一階段制冷劑積存，導(dǎo)致無法轉(zhuǎn)換。通過分析以上問題，提出了幾種改進和優(yōu)化策略，并對各個策略的優(yōu)缺點做了探討，特別分析了雙蒸發(fā)器運行的模式，并搭建實驗臺測試了雙蒸發(fā)器模式運行的可行性及其性能。

1 機組的不足及原因

并聯(lián)型調(diào)溫除濕系統(tǒng)如圖1所示，由壓縮機、并聯(lián)的蒸發(fā)式冷凝器和風(fēng)冷冷凝器、儲液器、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器以及三通比例調(diào)節(jié)閥(以下簡稱：調(diào)節(jié)閥)等組成，通過調(diào)節(jié)閥控制流經(jīng)兩個冷凝器的制冷劑流量，達到調(diào)溫目的。

雙冷凝器并聯(lián)模式如圖2所示，兩冷凝器I、II通過調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)并聯(lián)，為防止制冷劑回流，在連接儲液器III前增加了兩個單向閥。當(dāng)兩個冷凝器內(nèi)壓力平衡時，即pk1=pk2＞pk，制冷劑可自由進出。

圖1 并聯(lián)型調(diào)溫除濕機系統(tǒng)圖Fig.1 The system of parallel condensers temperature control dehumidi fi er

圖2 制冷劑經(jīng)過三通閥進入兩冷凝器的模型圖Fig.2 The model of refrigerant cross into two condensers by 3-way control valve

當(dāng)機組運行調(diào)溫模式，需控制調(diào)節(jié)閥的開度(一般在40%～80%的線性區(qū)間)。無論開度偏向其中任何一個，制冷劑在兩個冷凝器內(nèi)的流量分配將產(chǎn)生變化，冷凝器容積為一固定值，因此兩冷凝器內(nèi)壓力將產(chǎn)生變化，原有平衡被打破，假設(shè)pk1＞pk2，則pk＞pk2，因此，冷凝器II中制冷劑則無法全部流出，出現(xiàn)制冷劑積存。積存越多，則參與制冷循環(huán)的制冷劑量越少，效率則越低，甚至出現(xiàn)停機故障。

當(dāng)機組運行于冷凍除濕模式，則再熱冷凝器側(cè)完全關(guān)閉，再熱冷凝器側(cè)一直處于低溫低壓環(huán)境中，其內(nèi)部壓力遠遠低于壓縮機側(cè)壓力，則可能導(dǎo)致：第一制冷系統(tǒng)內(nèi)部壓力平衡會被打破，可能會造成很大的壓力波動，壓縮機可能會因吸氣壓力過低而停機保護；第二制冷劑慢慢滲入，致使機組效率下降[4]。第三除濕機長期運行于冷凍除濕模式，系統(tǒng)也將因制冷劑則不斷積存，導(dǎo)致在再熱冷凝器無法周期工作，失去了調(diào)溫除濕的功能，即無法運行調(diào)溫除濕模式。

2 傳統(tǒng)的改良策略分析

2.1 大量填充制冷劑

為削弱制冷劑大量積存導(dǎo)致制冷劑不足而引起壓縮機低壓停機保護問題，文獻[4]采取了大量充注制冷劑的方法，并選擇容積合適的儲液器以適應(yīng)機組變工況運行的需要，從而確保制冷系統(tǒng)形成穩(wěn)定的蒸發(fā)壓力和吸氣壓力。

大量充注制冷劑使得積存于水冷(蒸發(fā)式)冷凝器側(cè)的制冷劑量增多，以減小其內(nèi)部有效空間(即參與制冷循環(huán)的制冷劑所需空間)，提高冷凝溫度，而使得參與循環(huán)的制冷劑量不會太少，改變壓力較低的冷凝器的有效容積，從而在經(jīng)過一段時間之后，使得兩冷凝器內(nèi)制冷劑壓力相等。

采用大量填充制冷劑的方法，可有效解決系統(tǒng)停機問題。然而需增加儲液裝置，一方面造成成本的大量增加；另一方面其并沒有從根本上解決制冷劑死循環(huán)問題，從而使得機組的制冷除濕效果并不理想。

2.2 制冷劑抽吸

為了使得在升溫除濕向冷凍除濕轉(zhuǎn)變時，減少制冷劑在風(fēng)冷冷凝器中的積存，有人提出了制冷劑抽吸的方法。其方法是在再熱冷凝器下游至壓縮機側(cè)增加旁通閥，當(dāng)調(diào)溫除濕機由升溫除濕模式轉(zhuǎn)換為冷凍除濕模式時，打開旁通閥，使制冷劑被部分吸入低溫低壓的蒸發(fā)器中，以減少在風(fēng)冷冷凝器中的積聚量。

然而采取這種模式，存在兩個問題：一是旁通閥打開及關(guān)閉的時機問題。因大量冷凝成液態(tài)的制冷劑未經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)即被吸入壓縮機，若啟閉時機把握不當(dāng)，很容易引起壓縮機因吸液而導(dǎo)致沖缸；另一方面，則是旁通閥的不斷啟閉可能導(dǎo)致制冷系統(tǒng)不能正常運行不斷地啟閉將影響該電磁閥的壽命。

2.3 冷凝器串聯(lián)模式

圖3 雙冷凝器混聯(lián)方案Fig.3 The scheme of two parallel condensers

雙冷凝器串聯(lián)模式的改進方案[5]見圖3。通過調(diào)節(jié)流經(jīng)再熱冷凝器的制冷劑流量及水冷冷凝器的循環(huán)水量以實現(xiàn)調(diào)溫除濕的目的。該方案可以消除調(diào)溫盲區(qū)，但同樣存在控制較為復(fù)雜、制冷劑行程長，壓縮機功耗較大等缺點。

2.4 冷凝器并聯(lián)模式

文獻[6][7]提出采用電磁閥取代制冷劑流量三通調(diào)節(jié)閥，從而解決制冷劑不平衡問題。如圖4所示。通過兩個閥的通斷組合，可以實現(xiàn)三種不同模式的轉(zhuǎn)換：再熱閥開，升溫除濕；排熱閥開，降溫除濕；兩閥均開，準(zhǔn)調(diào)溫除濕。即送風(fēng)存在三個狀態(tài)點(如圖5所示)：高溫點1、機械露點3以及跟兩冷凝器體積相關(guān)的中間狀態(tài)點2(或2'，2'')，其只能在三個狀態(tài)點調(diào)節(jié)，多稱其為“準(zhǔn)調(diào)溫除濕”模式。

王恕清等人在文獻[8]中詳細講述了該方案的出發(fā)點及優(yōu)勢。然而該方案因只有三個送風(fēng)狀態(tài)點，不適用于對送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)要求較高的場合。

圖4 雙電磁閥的“準(zhǔn)調(diào)溫除濕”模式Fig.4 The "quasi-dehumidi fi cation thermostat" mode of double solenoid valve

圖5 “準(zhǔn)調(diào)溫除濕”模式的送風(fēng)狀態(tài)點Fig.5 The air state point of "quasi-dehumidi fi cation thermostat" mode

3 雙蒸發(fā)器模式的提出

為了防止除濕機長期運行于冷凍除濕模式，系統(tǒng)將因制冷劑積存而無法正常運行。課題組提出在運行冷凍除濕模式時(即停止使用再熱冷凝器)，將再熱冷凝器轉(zhuǎn)化為蒸發(fā)器使用，采用雙蒸發(fā)器的模式。即：如圖6所示，當(dāng)機組運行冷凍除濕模式是，調(diào)節(jié)閥再熱冷凝器側(cè)完全關(guān)閉，打開電磁閥16，使得再熱冷凝器可作為蒸發(fā)器參與系統(tǒng)運行，則制冷劑積存問題可完全解決，從而避免了壓力波動的停機問題；當(dāng)機組運行調(diào)溫模式時，關(guān)閉電磁閥16，打開再熱冷凝器側(cè)閥門，則可正常運行調(diào)溫模式，從而改變了傳統(tǒng)并聯(lián)型調(diào)溫除濕機的模式轉(zhuǎn)換而不能正常運行問題。

圖6 改進的雙冷凝器并聯(lián)型調(diào)溫除濕系統(tǒng)圖Fig.6 The improved system of parallel condensers temperature control dehumidi fi er

4 雙蒸發(fā)器的實驗研究

4.1 主要部件選型

為驗證該模式的可靠性，研制了依據(jù)圖6模式的調(diào)溫除濕機組，主要部件如下：

壓縮機選用谷輪VR144KS-TFP-522，制冷量為35.3KW，輸入功率10.1KW，能效比為3.58，制冷劑為R22。

機組的室內(nèi)換熱器采用蛇形管，是空氣-制冷劑的翅片管式換熱器。其中管束正三角形排布，換熱管材料為紫銅，翅片材料為鋁，其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，蒸發(fā)器與風(fēng)冷冷凝器換熱面積比為1:1.5。

表1 換熱器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位:mm)Tab.1 The basic structural parameters of the heat exchanger(Unit: mm)

室外冷凝器采用大連億斯德的VC-10型蒸發(fā)式冷凝器；其參數(shù)如表2所示。調(diào)節(jié)閥選用西門子M3FB20LX/A型。

表2 VC-10型蒸發(fā)式冷凝器詳細參數(shù)Tab.2 Detailed parameters of VC-10evaporative condenser

4.2 實驗條件和過程

《除濕機》(GB/T 19411—2003)中規(guī)定室內(nèi)側(cè)名義工況為干球溫度27℃，濕球溫度21.2℃，室外側(cè)干球溫度35℃，濕球溫度24℃，實驗即按照以上參數(shù)作為室內(nèi)外測試參數(shù)。三通閥設(shè)置為排熱冷凝器側(cè)全開。關(guān)閉電磁閥16，系統(tǒng)運行于單蒸發(fā)器冷凍除濕模式，打開16，則換熱器2轉(zhuǎn)變?yōu)檎舭l(fā)器2，系統(tǒng)運行于雙蒸發(fā)器模式。

4.2.1 測量工具

溫度的測量采用德國TEMP14(多點溫度測量儀)，用于測量進排風(fēng)溫度和水冷冷凝器進出水溫，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 TEMP14多點溫度測量儀參數(shù)Tab.3 The parameters of TEMP14 multi-point temperature measuring instrument

壓力測量采用1～16通道SY系列U盤儲存多路壓力記錄儀(北京)，用于測量冷凝器和蒸發(fā)器的制冷劑壓強變化，參數(shù)見表4。

表4 SY系列多路壓力記錄儀Tab.4 The SY multi-channel pressure recorder

流量傳感器用JYLUGB系列智能型渦街流量計，其是一種精密流量測量儀表，在壓縮機出口及蒸發(fā)式冷凝器入口處分別設(shè)置一個制冷劑流量測量裝置，以測試制冷劑總流量及蒸發(fā)式冷凝器側(cè)制冷劑分配流量變化值[9]，參數(shù)見表5。

表5 JYLUGB智能型渦街流量計參數(shù)Tab.5 The parameters of intelligent vortex fl ow meter

4.2.2 制冷量與能效比計算

1)制冷量

除濕機機組的制冷量測定是采用室內(nèi)側(cè)焓差法，被測機組安裝在風(fēng)量測量裝置之前，由風(fēng)量測量裝置測量空氣流量，再通過測定除濕機機組進口與蒸發(fā)器出口空氣的干、濕球溫度，計算出兩者的焓差，從而得到機組的制冷量。被測機組的制冷量計算公式如式(1)：

式中：Q0—制冷量，kW；Gi—風(fēng)量測量裝置測得的風(fēng)量，m3/s；h1—機組進口處空氣的焓值，kJ/kg；h2—蒸發(fā)器出口處空氣的焓值，kJ/kg；dn—蒸發(fā)器出口處空氣的含濕量，kg/kg；ρn'—蒸發(fā)器出口處空氣的密度，kg/m3。

2)能效比

機組能效比計算式為

式中：P—除濕機運行時消耗的總功率，kW。

4.2.3 除濕量與單位功率除濕量

1)除濕量的測定

在進行除濕量測定過程中，除濕機應(yīng)不少于1h的運行，工況穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。每隔10min記錄一次以下數(shù)據(jù)：

①進風(fēng)干球溫度，℃；②進風(fēng)濕球溫度，℃；③輸入總功率，kW；④輸入電流，A；⑤電壓，V；⑥電源頻率，Hz。

直至連續(xù)7次的記錄數(shù)據(jù)的誤差在規(guī)定的范圍內(nèi)，取記錄數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為計算值，并將收集的凝結(jié)水稱重，按式(3)和(4)計算除濕量。

式中：W—名義工況下的實測除濕量，kg/h；W1—實驗持續(xù)時間內(nèi)收集的凝結(jié)水量，kg；T—實驗記錄持續(xù)時間，h；t—除濕機進風(fēng)平均干球溫度，℃；φ—相對濕度，%。

相對濕度按下式計算：

式中：φ1—實測相對濕度，按實測干球溫度平均值；B—實驗期間大氣壓，kPa。

2)單位功率除濕量

根據(jù)機組名義工況下的除濕量和輸入功率，其單位輸入功率除濕量[SMER，kg/(h.kW)]計算公式如式(5)：

式中：W—除濕機除濕量，kg/h。

4.3 實驗結(jié)果分析

1) 系統(tǒng)制冷劑壓力的變化

圖7 不同模式下系統(tǒng)壓力與閥門關(guān)系圖Fig.7 The relation between pressure and valve of different mode

從圖7可知系統(tǒng)制冷劑壓力在不同模式下隨閥門開度變化而變化：在并聯(lián)型單蒸發(fā)器模式下，在閥門開度為30%～80%時，水冷冷凝器側(cè)壓力一直上升，但在80%～100%階段卻急劇下降，這是由于再熱冷凝器側(cè)閥門關(guān)閉，導(dǎo)致參加循環(huán)的制冷劑不斷減少，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的壓力急劇下降。系統(tǒng)壓力的不穩(wěn)定波動往往造成停機事故。

采用大量填充制冷劑的方法可以增加參與循環(huán)的制冷劑量從而可以避免壓力的突降，圖中在80%～100%階段水冷冷凝器側(cè)制冷劑壓力有一定的上升。

采用雙蒸發(fā)器的模式，在80%～100%階段將再熱冷凝器轉(zhuǎn)換為蒸發(fā)器，使得所有制冷劑參與系統(tǒng)循環(huán)，避免了制冷劑的積存，從而穩(wěn)定了系統(tǒng)壓力，解決了因壓力波動停機的事故。

2)機組模式的連續(xù)調(diào)節(jié)運行

為了檢驗機組是否能夠在雙蒸發(fā)器模式(冷凍除濕模式)和調(diào)溫除濕模式下連續(xù)轉(zhuǎn)換運行。將閥門開度從100%到10%逐步調(diào)節(jié)，并對出風(fēng)的溫度進行了測試，如圖8所示。

圖8 送風(fēng)參數(shù)隨閥門開度變化圖Fig.8 The change of air parameters with valve

從圖8中可知，采用雙蒸發(fā)器時，送風(fēng)干濕球溫度比100%開度單蒸發(fā)器時分別低1℃、0.5℃。當(dāng)閥門開度在30%～80%范圍內(nèi)變化時，送風(fēng)參數(shù)與閥門開度變化幾乎成線性，即調(diào)溫除濕模式正常。因此采用雙蒸發(fā)模式并不影響機組運行模式的變化。

3) 能效比和除濕量

圖9 除濕量隨閥門變化圖Fig.9 The change of dehumidi fi cation with valve

圖10 機組能效比隨閥門變化圖Fig.10 The change of EER with valve

從圖9可以看出采用單蒸發(fā)器模式在閥門開度10%～30%和80%～100%間除濕量維持在21～22kg/h范圍內(nèi)。當(dāng)閥門開度為45%時，除濕量突降到只有17 kg/h。這是由于當(dāng)閥門開度在45%左右時，引起了制冷劑系統(tǒng)壓力的不平衡波動，進入蒸發(fā)器的制冷劑減少而造成；當(dāng)閥門開度由45%調(diào)至50%時，又突然升高到24.45kg/h的最大值，這是由于冷凝器側(cè)制冷劑閥門開度變小，使得流入蒸發(fā)器的制冷劑流量相對增大，使得除濕量突增；當(dāng)閥門開度在60%以后，由于制冷劑在冷凝器中不斷積存，使得整體除濕量下降。

當(dāng)閥門在100%開度，運行雙蒸發(fā)器模式時，與100%開度單蒸發(fā)器模式相比，除濕量高2kg/h(圖9中紅點處)，與閥門開度為50%～65%時除濕量相當(dāng)，基本達到了除濕量最大的水平，這說明了采用雙蒸發(fā)器模式可以很好地解決并聯(lián)型調(diào)溫除濕機由調(diào)溫除濕模式向冷凍除濕模式轉(zhuǎn)變的不足。

從圖10可以看出，在單蒸發(fā)器模式下，能效比在閥門開度為45%時達到了最大，而此時的除濕量為最小值，這是因為此時的因總輸入功率也從11.2kW下降至8.67kW，引起了能效比的相對較大。

從圖10可以看出采用雙蒸發(fā)器模式在開度100%時其能效比約為3.3，比并聯(lián)型調(diào)溫除濕機的單蒸發(fā)器在開度100%能效比2.8要優(yōu)越18%。

圖11對比了制冷劑流量調(diào)節(jié)閥開度100%時，雙蒸發(fā)器模式與單蒸發(fā)器模式下，系統(tǒng)的各項參數(shù)。與單蒸發(fā)器100%模式相比，采用雙蒸發(fā)器模式時，送風(fēng)干濕球溫度分別低1℃、0.5℃，除濕量高2kg/h，單位功率除濕量則大0.1kg/(kW.h)，制冷量高出單蒸發(fā)器模式4kW左右?？梢钥闯?，采用雙蒸發(fā)器模式時，制冷劑積存現(xiàn)象基本消除，系統(tǒng)效果較單蒸發(fā)器模式要好。

圖11 冷凍除濕模式下雙蒸發(fā)器與單蒸發(fā)器情況下實驗結(jié)果對比Fig.11 The comparation between dual-evaporator and single evaporator under the dehumidi fi cation mode

5 結(jié)論

調(diào)溫除濕機在地下工程中有著廣泛的應(yīng)用，由于雙冷凝器在機組不同模式轉(zhuǎn)換時需要通過調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)制冷劑流量，特別是在由冷凍除濕模式向調(diào)溫除濕模式轉(zhuǎn)換的過程中往往造成系統(tǒng)制冷劑壓力波動大，停機事故。通過比較各種策略和實驗研究得到如下結(jié)論：

1)雙蒸發(fā)模式可避免系統(tǒng)制冷劑壓力波動，可解決停機事故。

2)采用雙蒸發(fā)模式，機組可以連續(xù)在調(diào)溫除濕和冷凍除濕模式之間轉(zhuǎn)換，避免了單蒸發(fā)模式不能向調(diào)溫除濕模式轉(zhuǎn)變的不足。

3)該模式的能效比和除濕效果均優(yōu)于單蒸發(fā)器模式。雙蒸發(fā)器模式的研究對并聯(lián)型調(diào)溫除濕機組優(yōu)化和推廣應(yīng)用具有一定意義。

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