一種基于單片機(jī)控制的多毛細(xì)管船舶空調(diào)除濕系統(tǒng)的研究

劉娟，段麗華

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院 電氣工程系，遼寧 葫蘆島 125005）

0 引言

人體在濕度為 60%～70%的空氣環(huán)境中最為舒適，高于70%的濕度，人體舒適度就會(huì)下降。隨著人們生活水平的日益提高，和對(duì)高品質(zhì)人居環(huán)境的需求，大多數(shù)空調(diào)都已經(jīng)配備了除濕功能，能夠滿足一般的溫濕度控制要求，然而由于海上濕度相對(duì)正常情況要大好多，同時(shí)，又由于遠(yuǎn)洋船舶通常在全球海域內(nèi)航行。當(dāng)船舶從北半球越過(guò)赤道至南半球、或者從南半球至北半球的航行過(guò)程中，外界氣溫可能在+50～+30℃℃的范圍內(nèi)劇烈變化，雖然空調(diào)制冷本身就具有除濕功能，但是在海洋這個(gè)濕度非比一般大的環(huán)境里，普通的空調(diào)的除濕效果不能保證其船艙內(nèi)的濕度控制要求。并且在南方地區(qū)的陰雨季節(jié)，溫度并不高，這時(shí)假如用普通空調(diào)來(lái)除濕，吹出的是涼風(fēng)，越除濕會(huì)越冷，給人的感覺(jué)會(huì)相當(dāng)不愉快。雖然有的船舶也同時(shí)配有除濕機(jī)，但對(duì)除濕機(jī)而言，環(huán)境溫度低于15℃時(shí)，附著于蒸發(fā)器表面的水滴會(huì)結(jié)冰而使除濕效果減弱，若環(huán)境溫度超過(guò)40℃以上時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)壓力會(huì)增高而使壓縮機(jī)過(guò)載，此時(shí)過(guò)載掩護(hù)器要堵截線路，否則壓縮機(jī)電念頭會(huì)毀損。為了讓船員有個(gè)更好，更舒適的工作和生活環(huán)境，必須專門針對(duì)遠(yuǎn)航船舶空調(diào)濕度控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。本論文就針對(duì)此種情況，設(shè)計(jì)一套基于單片機(jī)控制的多毛細(xì)管轉(zhuǎn)換空調(diào)濕度控制的系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案

1.1 空調(diào)制冷原理簡(jiǎn)介[1]

現(xiàn)代船舶空調(diào)主要采用集中式、半集中式，有的也采用分體式。就除濕方式來(lái)說(shuō)，有制冷模式和獨(dú)立除濕模式兩種。但無(wú)論哪種空調(diào)，無(wú)論采用哪種控制方式，其制冷過(guò)程都如圖1所示：

空調(diào)的制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流毛細(xì)管、蒸發(fā)器組成，并由銅管將這四個(gè)元件相連接組成一個(gè)系統(tǒng)。首先將系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑蒸氣吸入汽缸，并由壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮提高壓力再排出氣缸，促使制冷劑在系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)；接著蒸氣狀態(tài)的制冷劑在冷凝器中把所吸收的熱量排放出系統(tǒng)凝結(jié)為液體；液體制冷劑經(jīng)過(guò)節(jié)流毛細(xì)管降低到蒸發(fā)壓力后，進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中氣化吸熱制冷完成整個(gè)制冷過(guò)程。

空調(diào)的除濕過(guò)程為：空調(diào)進(jìn)風(fēng)在節(jié)流毛細(xì)管及蒸發(fā)器處被冷卻，當(dāng)二者的表面溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，進(jìn)風(fēng)中的水分就會(huì)凝聚下來(lái)，這樣出風(fēng)濕度就會(huì)降低，達(dá)到去濕的目的。也就是說(shuō)，空調(diào)的去濕是在節(jié)流毛細(xì)管和蒸發(fā)器上完成的，如果我們能對(duì)這兩部分進(jìn)行一下改造，那么就能很好的對(duì)空調(diào)的除濕功能進(jìn)行控制。

圖1 空調(diào)制冷過(guò)程示意圖

1.2 電磁閥結(jié)構(gòu)和工作原理介紹[3]

電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開(kāi)有通氣孔，每個(gè)孔都通向不同的管路，腔中間是閥芯，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥芯就會(huì)被吸引到哪邊，通過(guò)控制閥芯的移動(dòng)來(lái)檔住或漏出不同的出氣孔，而進(jìn)氣孔是常開(kāi)的，本文就是應(yīng)用這一點(diǎn)來(lái)改變制冷劑的流向。

以三位五通電磁閥為例，三位五通電磁閥顧名思義，三個(gè)工作位置，五個(gè)口。三個(gè)位置是指電磁閥的閥芯有三個(gè)位置。三位電磁閥都是有兩個(gè)線圈的。我們暫且稱之為A和B線圈。AB都不通電的時(shí)候閥芯是一個(gè)位置，A通電時(shí)閥芯會(huì)動(dòng)作，這是第二個(gè)位置，A斷電，B通電的時(shí)候閥芯的位置是第三個(gè)位置。所以一共三個(gè)位置。五通就是指五個(gè)口，一個(gè)進(jìn)氣口，兩個(gè)氣缸口，兩個(gè)排氣口（這兩個(gè)也可以并成一個(gè)）。

1.3 毛細(xì)管的結(jié)構(gòu)和作用[4]

毛細(xì)管如圖2所示，一般是銅制的，管內(nèi)直徑在1 mm以下，連接于冷凝器與蒸發(fā)器之間，起到節(jié)流降低壓縮機(jī)送來(lái)的高壓液化制冷劑的壓力的作用。制冷系統(tǒng)中制冷劑流量隨毛細(xì)管長(zhǎng)度的增加而減少，隨毛細(xì)管直徑的增大而增加。改變毛細(xì)管長(zhǎng)度和直徑，也就改變了供給蒸發(fā)器的制冷劑流量，空調(diào)的工作狀態(tài)將產(chǎn)生變化。

圖2 毛細(xì)管實(shí)物圖

1.4 電磁閥對(duì)多路毛細(xì)管的控制[2]

從前文我們已經(jīng)得知，空調(diào)的除濕主要集中在節(jié)流毛細(xì)管和蒸發(fā)器上，我們?cè)谶@兩個(gè)器件上做一些改進(jìn)，那么就能進(jìn)一步提高空調(diào)的除濕能力。蒸發(fā)器改造起來(lái)相對(duì)難度較大，那么我們就在節(jié)流毛細(xì)管上做些改造，具體的改進(jìn)方法如圖3所示。

圖3 多節(jié)流毛細(xì)管的空調(diào)制冷過(guò)程示意圖

如前文所述，改變毛細(xì)管長(zhǎng)度和直徑，也就改變了供給蒸發(fā)器的制冷劑流量，空調(diào)的工作狀態(tài)將產(chǎn)生變化，除濕效果也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化?；谶@種理論，我們?cè)诶淠骱凸?jié)流器之間加裝一個(gè)多位電磁閥（圖中以三位為例），節(jié)流毛細(xì)管的數(shù)量也由一根增至多根（數(shù)量與電磁閥是位數(shù)相匹配），每一個(gè)的長(zhǎng)短和直徑都不同，然后我們應(yīng)用單片機(jī)控制電磁閥的磁鐵線圈通斷電，從而控制閥芯所在的位置，就能控制在冷凝器出來(lái)的制冷劑到底流向哪個(gè)節(jié)流毛細(xì)管，即本設(shè)計(jì)是通過(guò)電磁閥控制多路節(jié)流毛細(xì)管，再根據(jù)毛細(xì)管的不同來(lái)調(diào)節(jié)空調(diào)的去濕能力。

1.5 單片機(jī)對(duì)空調(diào)除濕系統(tǒng)的控制[5]

單片機(jī)通過(guò)對(duì)電磁閥的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)空調(diào)除濕系統(tǒng)的控制，控制原理圖如圖4所示。

利用濕度傳感器將室內(nèi)濕度信號(hào)采集到單片機(jī)內(nèi)部，單片機(jī)再控制電磁閥的通斷方向來(lái)改變節(jié)流毛細(xì)管路，再經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器等器件到達(dá)室內(nèi)，節(jié)流毛細(xì)管不同，除濕能力也就不同。單片機(jī)控制流程圖如圖5所示。

1.6 單片機(jī)對(duì)空調(diào)溫度的控制

要想除濕，空調(diào)溫度必須降到空氣露點(diǎn)溫度以下，這時(shí)除濕以后的出風(fēng)溫度必然低于人居溫度要求，就要對(duì)其進(jìn)行加熱。

圖4 基于單片機(jī)控制的空調(diào)除濕系統(tǒng)原理圖

如圖4所示，蒸發(fā)器后要安裝一電熱器，單片機(jī)除了采集濕度信號(hào)，同樣也通過(guò)溫度傳感器采集溫度信號(hào)，當(dāng)出風(fēng)通過(guò)蒸發(fā)器（表面低溫）析出冷凝水后再由電熱器件加熱到合適的溫度，單片機(jī)對(duì)電熱器的控制流程圖見(jiàn)圖5。

圖5 單片機(jī)控制的空調(diào)除濕系統(tǒng)流程圖

2 結(jié)束語(yǔ)

雖然本論文是以外界氣溫在+50～+30℃℃的范圍內(nèi)劇烈變化為背景來(lái)探討的，但是，這并不是說(shuō)本系統(tǒng)只適合這種情況下，它一樣具有普通空調(diào)的其他功能。對(duì)于其他情況，比如加熱并去濕等一樣可以實(shí)現(xiàn)，這只不過(guò)是對(duì)毛細(xì)管和電熱器控制程度的不同而已，這里不再做過(guò)多說(shuō)明。

現(xiàn)代船舶空調(diào)裝置在嚴(yán)酷的海況和多變的氣候條件下，應(yīng)用本系統(tǒng)，不僅僅實(shí)現(xiàn)溫度的控制，而且因?yàn)楣?jié)流毛細(xì)管路的多路使得空調(diào)能在很大程度根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)濕度。采用單片機(jī)控制，簡(jiǎn)單、方便、成本低，也就是說(shuō)，本系統(tǒng)具有節(jié)能、高精度的技術(shù)特征和優(yōu)良調(diào)節(jié)的性能，這將是今后船舶空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電子化控制、節(jié)能和高效除濕的主要技術(shù)措施。

[1] 梁曉宇. 空調(diào)器和除濕器的除濕原理. 基礎(chǔ)學(xué)堂.

[2] 劉華, 許謙. 空調(diào)獨(dú)立除濕原理及實(shí)現(xiàn)方法. 江蘇:太倉(cāng)冷氣機(jī)廠, 2009.

[3] 厲和鳳, 徐建華. 船舶空調(diào)中的溫濕度控制. 浙江水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報(bào), 1998.

[4] 李震, 江億, 陳曉陽(yáng), 劉曉華. 溶液除濕空調(diào)及熱濕獨(dú)立處理空調(diào)系統(tǒng). 暖通空調(diào)HV&AC, 2003, 33（6）.

[5] 陳安揚(yáng). 船舶空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)新思路. 低溫送風(fēng). 船舶工程, 2003 , 25（5）.