擴(kuò)散吸收式恒濕文物展柜實(shí)驗(yàn)研究

王恒旭 張學(xué)軍 鄭幼明 段兵兵

(1浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027) (2浙江省博物館 杭州 310007)

擴(kuò)散吸收式恒濕文物展柜實(shí)驗(yàn)研究

王恒旭1張學(xué)軍1鄭幼明2段兵兵1

(1浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027) (2浙江省博物館 杭州 310007)

結(jié)合擴(kuò)散吸收式制冷系統(tǒng)噪音小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和搭建了一臺(tái)新型的擴(kuò)散吸收式恒濕文物展柜。制冷循環(huán)系統(tǒng)的蒸發(fā)器置于水中，利用空氣與冷卻水的直接接觸來除濕，同時(shí)實(shí)現(xiàn)冷凝水的收集，結(jié)構(gòu)緊湊、便于控制。結(jié)合PLC控制系統(tǒng)對(duì)該系統(tǒng)的控濕能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)，該系統(tǒng)具有較好的控濕能力，在各種工況下均能將文物展柜內(nèi)環(huán)境的相對(duì)濕度的波動(dòng)控制在2.5%以內(nèi)，可滿足博物館獨(dú)立展柜的文物展陳恒濕環(huán)境的需求。

擴(kuò)散吸收式 恒濕 文物展柜

1 引 言

文物是中國歷史和文化的重要載體，保護(hù)珍貴的歷史文物對(duì)于傳承和發(fā)揚(yáng)中華傳統(tǒng)文化有著重大意義。文物保存對(duì)環(huán)境的溫濕度要求很高，博物館必須為其提供穩(wěn)定的恒溫恒濕環(huán)境。在博物館實(shí)際運(yùn)營過程中，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期的展覽效果，部分文物往往根據(jù)類別和文物特點(diǎn)采用獨(dú)立展柜。獨(dú)立展柜熱濕負(fù)荷較小，布置分散、靈活，因此不適合用大型集中式空調(diào)機(jī)組來對(duì)空氣進(jìn)行處理。此外，根據(jù)《博物館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定[1]，不同藏品的相對(duì)濕度推薦值也不相同，因而更適合用獨(dú)立的展柜系統(tǒng)來提供恒溫恒濕環(huán)境。

出于對(duì)文物保護(hù)的需要，展柜內(nèi)空氣的流速要求較緩慢。而在送風(fēng)溫差不容許太大的情況下，利用送風(fēng)來處理展柜內(nèi)熱(冷)負(fù)荷比較困難，因此展柜的溫度控制通常由間接控制展廳溫度來完成，而獨(dú)立展柜空氣處理系統(tǒng)只控制柜內(nèi)空氣濕度。

目前，恒濕文物展柜主要分為兩種，可按除濕方式分為機(jī)械式調(diào)節(jié)和非機(jī)械式調(diào)節(jié)。機(jī)械式調(diào)節(jié)展柜采用制冷系統(tǒng)來除濕，其中采用壓縮機(jī)制冷的展柜由于噪聲較大，不宜在博物館展廳中大量安裝；另外比較常用的是采用半導(dǎo)體制冷的展柜[2]，空氣流過半導(dǎo)體制冷芯片的冷端被降溫除濕，通過開關(guān)芯片來控制除濕量。非機(jī)械式調(diào)節(jié)一般在展柜內(nèi)放置吸收劑或吸附材料控制空氣濕度。德國 Hamburg 展柜設(shè)置雙層玻璃，在玻璃夾層中循環(huán)流動(dòng)恒溫空氣控制溫度，柜內(nèi)放有調(diào)濕劑控制相對(duì)濕度[3]。美國Field Museum of Natural History(Chicago)設(shè)計(jì)了一種裝置，由鼓風(fēng)機(jī)、熱交換器、硅膠水源和排水系統(tǒng)等設(shè)備組成的裝置調(diào)節(jié)展柜內(nèi)相對(duì)濕度[4]。然而，這些系統(tǒng)在一定程度上存在維護(hù)成本較高，能耗較大，控制精度不高等缺陷。

擴(kuò)散吸收式制冷系統(tǒng)最初于1920年由瑞典皇家理工學(xué)院學(xué)生Platen和Munters[5]提出。該制冷系統(tǒng)使用3種工質(zhì)：水作為吸收劑，氨作為制冷劑，氫氣作為擴(kuò)散劑，是自循環(huán)吸收系統(tǒng)的一個(gè)類別。系統(tǒng)無任何運(yùn)轉(zhuǎn)部件和閥門，具有無振動(dòng)、無噪音、運(yùn)行穩(wěn)定可靠以及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)[6]。同時(shí)其制冷量較小，與獨(dú)立展柜的熱濕負(fù)荷相當(dāng)。目前，針對(duì)擴(kuò)散吸收式制冷系統(tǒng)的理論及實(shí)驗(yàn)研究已十分成熟[7-8]，并成功應(yīng)用于商業(yè)開發(fā)，特別是小型的可攜帶式冰箱上。浙江大學(xué)等[9]申請(qǐng)了“基于擴(kuò)散吸收式制冷的恒溫恒濕系統(tǒng)”的發(fā)明專利并獲授權(quán)，將擴(kuò)散吸收式制冷與濕度控制方法結(jié)合起來，應(yīng)用于獨(dú)立的文物展柜中。為此，本研究設(shè)計(jì)并搭建了一臺(tái)恒濕文物展柜，并對(duì)系統(tǒng)的控濕性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，以期可滿足博物館獨(dú)立展柜的文物展陳恒濕環(huán)境的需求。

2 系統(tǒng)制冷量計(jì)算

一般而言，博物館所用存放文物的小型展柜空間在0.2 m3到2 m3之間。為避免展柜內(nèi)空氣遇到較冷的送風(fēng)空氣而凝露，設(shè)計(jì)中采用送風(fēng)溫差不大于7℃，換氣次數(shù)小于2次進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。文物展柜內(nèi)的空氣狀態(tài)點(diǎn)處于16—22 ℃、40%—65%范圍內(nèi)，系統(tǒng)采用全回風(fēng)露點(diǎn)送風(fēng)方式。根據(jù)式(1)—(3)得，展柜最大冷負(fù)荷為15 W。

(1)

hN=1.01tN+(2 500+1.84tN)dN/1 000

(2)

ho=1.01to+(2 500+1.84to)do/1 000

(3)

式中：Q為冷負(fù)荷，W；為質(zhì)量流量，kg/s；d為空氣的含濕量，g/kg；h為空氣的焓，kJ/kg；t為溫度，℃。其中，下標(biāo)N為展柜內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)；O為送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。

本文選用了某公司所開發(fā)的擴(kuò)散吸收式制冷機(jī)芯。機(jī)芯的工作原理如圖1所示[10]：制冷循環(huán)以氨作制冷劑，水作為吸收劑，氦作擴(kuò)散劑，其制冷過程是使蒸發(fā)器中的液氨在低分壓下蒸發(fā)向氦氣中擴(kuò)散，產(chǎn)生NH3-He混合氣。氨氣在吸收器中被水吸收成氨水，進(jìn)入發(fā)生器中被加熱釋放出氨氣。氨氣經(jīng)冷凝器冷卻成液氨，液氨再進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)，從而形成一次次的吸熱、放熱反應(yīng)。

圖1 恒濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of DAR system

采用熱平衡法對(duì)系統(tǒng)的制冷量進(jìn)行了測量，如圖2所示。將電熱絲均勻纏繞于蒸發(fā)管上，并用保溫棉隔熱保溫。待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后對(duì)其進(jìn)行加熱，改變電熱絲的加熱功率，控制系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度。實(shí)驗(yàn)測得，當(dāng)發(fā)生器的加熱功率為75 W，機(jī)芯充注壓力為1.5 MPa，蒸發(fā)溫度為6.2 ℃時(shí)，可產(chǎn)生約20 W的制冷量，能夠滿足展柜空間的濕負(fù)荷需求。

圖2 熱平衡法示意圖[11]Fig.2 Schematic diagram of measurement of cooling capacity using thermal balance

本文搭建了除濕實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了試運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用擴(kuò)散吸收式制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器作為直接蒸發(fā)冷卻器，對(duì)展柜內(nèi)空氣進(jìn)行除濕。實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)展柜內(nèi)外的溫濕度變化如圖3所示，系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，展柜內(nèi)濕度下降很快，在45 min后達(dá)到最低值，此時(shí)展柜內(nèi)相對(duì)濕度為22%。然后開始緩慢回升，約3小時(shí)后達(dá)到穩(wěn)定。穩(wěn)定時(shí)，展柜內(nèi)相對(duì)濕度約為29.5%。因此，采用該型號(hào)的擴(kuò)散吸收式制冷系統(tǒng)作為恒濕系統(tǒng)的冷源具備可行性。

圖3 試運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中展柜內(nèi)外溫濕度變化Fig.3 Variation of temperature and humidity inside and outside showcase during trial operation experiment

3 實(shí)驗(yàn)裝置

結(jié)合擴(kuò)散吸收式制冷系統(tǒng)熱啟動(dòng)時(shí)間較長，蒸發(fā)溫度較不穩(wěn)定的特點(diǎn)以及恒濕展柜對(duì)除濕和加濕的功能需求，本系統(tǒng)以水為中間載冷劑，采用與水直接接觸的方式對(duì)空氣進(jìn)行除濕和加濕處理，一方面縮短了空氣處理回路的長度，減小了送風(fēng)阻力；另一方面，冷凝水可直接用于加濕，而不需要排出，從而使空氣處理系統(tǒng)的體積和結(jié)構(gòu)更加緊湊。

因此，綜上所述的橫斷面研究認(rèn)為非老齡化的人群抑郁癥狀與血清CXCL8的關(guān)系仍不清楚，更深入的研究應(yīng)擴(kuò)大研究人群，做一些青年人相關(guān)的前瞻性研究。

3.1 空氣處理系統(tǒng)

如圖4所示，空氣處理室被隔熱板分為兩個(gè)小室，擴(kuò)散吸收式循環(huán)的蒸發(fā)器放置于右側(cè)小室的水中，當(dāng)展柜內(nèi)空氣濕度高于設(shè)定值時(shí)，制冷系統(tǒng)工作使水溫低于空氣露點(diǎn)，空氣在經(jīng)過水面時(shí)被冷卻除濕；加熱管放置于另一小室的水中，當(dāng)展柜內(nèi)空氣濕度低于設(shè)定值時(shí)，加熱管開始工作，使水蒸發(fā)速率加快，達(dá)到加濕的目的。除濕室內(nèi)設(shè)有一個(gè)水溫傳感器，用于監(jiān)測和控制水溫。實(shí)驗(yàn)展柜采用無框玻璃結(jié)構(gòu)，四周進(jìn)行密封處理以增強(qiáng)展柜的密閉性，控制外界與展柜之間的泄漏量。

圖4 恒濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Schematic diagram of constant humidity system

3.2 控制系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中采用西門子S7-200可編程控制器控制恒濕系統(tǒng)的運(yùn)行，展柜內(nèi)外分別放置一臺(tái)溫濕度傳感器，輸出的溫濕度信號(hào)作為PLC的輸入，PLC輸出信號(hào)用于控制制冷系統(tǒng)、加熱管及風(fēng)機(jī)。水溫傳感器采用PT100溫度傳感器。系統(tǒng)的基本控制策略如圖5所示：PLC根據(jù)濕度設(shè)定值、展柜內(nèi)實(shí)時(shí)濕度及環(huán)境濕度判斷工作模式，通過設(shè)定目標(biāo)值計(jì)算出需要的水溫，再與實(shí)時(shí)水溫進(jìn)行比較，控制制冷機(jī)、加熱管和風(fēng)機(jī)的啟停。為防止水箱內(nèi)的水結(jié)冰損壞蒸發(fā)管，水溫設(shè)有低溫保護(hù)。實(shí)驗(yàn)所采用的展柜及恒濕實(shí)物系統(tǒng)如圖6所示。

圖5 控制策略Fig.5 Control strategy of constant humidity system

圖6 實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.6 Figure of constant humidity system with showcase

其中，露點(diǎn)溫度按下面方法計(jì)算：

tsat=-35.28 896-2.0 322lnpv+1.17 025(lnpv)2

(1)

(2)

lnpv，sat=c1/t+c2+c3t+c4t2+c5t4+c6lnt

(3)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 單一工況下實(shí)驗(yàn)及分析

系統(tǒng)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境參數(shù)如表1所示。圖7給出了在高濕工況下，系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)，展柜內(nèi)外溫濕度及水溫的變化情況。從圖7中可見，在水溫高于展柜內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度時(shí)，由于風(fēng)機(jī)并未開啟，展柜內(nèi)相對(duì)濕度不變；當(dāng)水溫低于露點(diǎn)溫度時(shí)，風(fēng)機(jī)開啟，展柜內(nèi)相對(duì)濕度有小幅減小，當(dāng)水溫低于一定值后，展柜內(nèi)相對(duì)濕度開始迅速降低，此時(shí)由于展柜內(nèi)空氣對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度也隨之降低，因而隨著水溫的繼續(xù)下降，展柜內(nèi)空氣相對(duì)濕度的變化速率并未受到較大的影響，并最終達(dá)到穩(wěn)定。

表1 系統(tǒng)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境參數(shù)Table 1 Systematic parameters and environment parameters under experiment

圖7 高濕工況下展柜內(nèi)外溫濕度及水溫變化Fig.7 Variation of temperature and humidity inside and outside showcase and water temperature in humid environment

穩(wěn)定狀態(tài)下，制冷系統(tǒng)保持開啟狀態(tài)，風(fēng)機(jī)間斷開啟以維持展柜內(nèi)的相對(duì)濕度，實(shí)驗(yàn)中相對(duì)濕度值變化范圍為49.4%—51.7%；此時(shí)，水溫保持在7.2 ℃左右，展柜內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度為10.2 ℃。

圖8給出了在低濕工況下，系統(tǒng)在達(dá)到穩(wěn)定后，展柜內(nèi)外溫濕度及水溫的變化情況。從圖8中可見，展柜內(nèi)相對(duì)濕度值變化范圍為49.8%—51.4%。由于展柜密閉性良好，水箱內(nèi)水分的自然蒸發(fā)作用會(huì)引起展柜內(nèi)的相對(duì)濕度增加，因此，在實(shí)驗(yàn)過程中擴(kuò)散吸收式制冷系統(tǒng)仍保持開啟狀態(tài)，且除濕室內(nèi)的水溫維持在7 ℃左右。

圖8 低濕工況下展柜內(nèi)外溫濕度及水溫變化Fig.8 Variation of temperature and humidity inside and outside showcase and water temperature in arid environment

結(jié)合高濕工況和低濕工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：(1)采用擴(kuò)散吸收式制冷和直接接觸式的換熱結(jié)構(gòu)除濕能力良好，能夠快速地將展柜內(nèi)空氣的相對(duì)濕度處理到設(shè)定范圍；(2)采用控制水溫的方式能夠較好地控制系統(tǒng)的除濕量，由于在除濕過程中，展柜內(nèi)空氣的相對(duì)濕度下降引起其露點(diǎn)溫度隨之下降，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行以獲得更低的水溫，以保證除濕過程能連續(xù)地進(jìn)行；(3)在系統(tǒng)密閉性良好的情況下，水分的自然蒸發(fā)作用會(huì)影響展柜內(nèi)的空氣濕度，因此在加濕工況下制冷系統(tǒng)仍需保持開啟狀態(tài)，以應(yīng)對(duì)展柜內(nèi)空氣相對(duì)濕度加大的情況。

4.2 全天候變工況運(yùn)行實(shí)驗(yàn)及分析

為探究系統(tǒng)在全天候變工況下對(duì)展柜相對(duì)濕度的控制性能，本文將實(shí)驗(yàn)裝置放置于自然環(huán)境中進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)外界環(huán)境溫度由26 ℃下降至18 ℃,再回升至26 ℃，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)，展柜內(nèi)外溫濕度及水溫的變化情況如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)外界環(huán)境溫度變化時(shí)，展柜內(nèi)的相對(duì)濕度基本保持在48.0%—51.7%，說明系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境溫度變化對(duì)展柜相對(duì)濕度造成的干擾具有較快的響應(yīng)，能夠滿足博物館文物展出時(shí)日常運(yùn)行的需要，但控制精度仍有待提高。

圖9 全天變工況下展柜內(nèi)外溫濕度及水溫變化Fig.9 Variation of temperature and humidity inside and outside showcase and water temperature under varying condition

5 結(jié) 論

結(jié)合擴(kuò)散吸收式制冷系統(tǒng)無振動(dòng)、無噪聲和運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，采用直接接觸式換熱的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和搭建了一臺(tái)簡單緊湊的用于獨(dú)立展柜的機(jī)械式恒濕機(jī)，并結(jié)合PLC控制系統(tǒng)對(duì)其控濕能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：

(1)在不同工況下，該擴(kuò)散吸收式恒濕機(jī)均能夠快速地將展柜內(nèi)空氣的相對(duì)濕度處理到設(shè)定范圍，并維持展柜內(nèi)相對(duì)濕度的長期穩(wěn)定；

(2)控制水箱內(nèi)水的溫度是控制除濕速率和除濕量的關(guān)鍵，展柜內(nèi)空氣相對(duì)濕度的變化受到水溫變化的直接影響，采用控制水溫的方式能夠較好地控制系統(tǒng)的除濕量。

(3)在全天候變工況下，該系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境溫度變化對(duì)展柜相對(duì)濕度造成的干擾具有較快的響應(yīng)，相對(duì)濕度波動(dòng)控制在2.5%以內(nèi)，能夠滿足博物館文物展出時(shí)日常運(yùn)行的需要。

1 華東建筑設(shè)計(jì)院.JGJ66-91博物館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1991.

East China Architectural Design & Research Institute.JGJ66-91Standard of museum architecture design[S]. Beijing：China Architecture & Building Press，1991.

2 馬維理.無線組網(wǎng)文物展柜恒濕機(jī)[P].中國，200910064734, 2009.09.16.

Ma Weili. Constant humidity machine for relic showcase with wireless network device[P]. China, 200910064734, 2009. 09. 16.

3 Soren Svare,Rita Lyng Petersen. Climate-conditioned display case for lorich’s map of the elbe in the hamburg public records office[J]. Museum Management and Curatorship, 1999, 18(2): 193-204.

4 Ault J, Klein S A, Rendindl D T. Indoor environmental control: Review of current recommendations and survey of conditions at the chicago field museum[J]. AHSRAE Transactions. 2001, 107.

5 Platen B C V, Munters C. Refrigerator[P]. U.S. 1685764, 1928.

6 Dominik Schall, Simon Hirzel. Thermal cooling using low-temperature waste heat: a cost-effective way for industrial companies to improve energy efficiency [J]. Energy Efficiency, 2012, 5(4): 547-569.

7 Maiya M P. Studies on gas circuit of diffusion absorption refrigerator[C].In 21st IIR international congress of refrigeration. DC. USA. 2003.

8 Srikhirin P, Aphornratana S. Investigation of a diffusion absorption refrigerator[J].Applied Thermal Engineering, 2002, 22(11): 1181-1193.

9 張學(xué)軍，沈根法，鄭幼明，等.基于擴(kuò)散吸收式制冷的恒溫恒濕系統(tǒng)[P].中國，201010524027.2.2011.03.16.

Zhang Xuejun, Shen Genfa, Zheng Youming, et al. Constant temperature and humidity system based on diffusion absorption refrigeration system[P]. China, 201010524027. 2. 2011. 03. 16.

10 曹園樹，李華山，龍 臻，等. 擴(kuò)散吸收式制冷技術(shù)進(jìn)展[J]. 新能源進(jìn)展, 2014(1):63-69.

Cao Yuanshu, Li Huashan, Long Zhen,et al. A review on diffusion absorption refrigeration technology[J]. Advances in New and Renewable Energy, 2014 (1):63-69.

11 陸蕾穎, 張 華, 劉占杰，等. 一種擴(kuò)散吸收式制冷系統(tǒng)的性能實(shí)驗(yàn)[J]. 低溫與超導(dǎo), 2007(1):79-83.

Lu Leiying, Zhang Hua, Liu Zhanjie, et al. Experiment of diffusion-absorption refrigeration system[J], Cryogenics & Superconductivity, 2007 (1): 79-83.

12 趙榮義. 空氣調(diào)節(jié)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004：154-155.

Zhao Rongyi. Air-conditioning[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2004: 154-155.

Experimental study on constant humidity relic showcase based on diffusion absorption refrigeration system

Wang Hengxu1Zhang Xuejun1Zheng Youming2Duan Binbin1

(1Institute of Refrigeration and Cryogenics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China) (2Zhejiang Provincial Museum, Hangzhou 310027, China)

A constant humidity relic showcase is developed based on the diffusion absorption refrigeration system, which is noiseless and compact. In this system, the evaporator of the refrigeration system is located under the water, which is cooled and used to dehumidify the air flowing above. Meanwhile, the condensate water is collected. Experiment study on the performance of the system is conducted using a PLC control system. The results shows that the system can wellcontrol the fluctuation ofthe relative humidity of the air inside the show case within 2.5 percent,meeting the demands of the constant humidity environment for showcases in museum.

diffusion absorption refrigeration; constant humidity; relic showcase

2015-11-20；

2016-02-18

浙江省文物局文物保護(hù)科技項(xiàng)目資助。

王恒旭，男，23歲，碩士研究生。

TB657

A

1000-6516(2016)01-0032-05