一種基于膜法除濕的換氣設(shè)備研究

張自強(qiáng)，曾慶煌，王 宇，呂秀梅，侯 沖

（北京新風(fēng)航天裝備有限公司，北京 100854）

0 引言

貯運(yùn)發(fā)射筒為武器裝備貯存和運(yùn)輸提供良好的工作環(huán)境，通常為密封狀態(tài)，通過充入一定壓力的干燥空氣或惰性氣體，與惡劣的自然環(huán)境隔絕，保障武器裝備在貯存和運(yùn)輸期間良好的存儲環(huán)境，提高武器裝備貯運(yùn)的可靠性和發(fā)射可靠性[1～3]。

衡量武器裝備發(fā)射筒貯運(yùn)環(huán)境的參數(shù)有溫度、濕度、壓力三個指標(biāo)[4]，其中濕度受武器裝備裝填時(shí)廠房環(huán)境的影響較大，且難以控制，而濕度指標(biāo)的變化對武器裝備的絕緣性、密封件的壽命有嚴(yán)重的影響[5]。濕度過高會引起武器裝備絕緣性下降、鋼制零件銹蝕或電子元器件老虎，濕度過低會導(dǎo)致武器裝備橡膠密封件等老化，使用壽命降低。因此，將發(fā)射筒內(nèi)濕度控制在合理范圍內(nèi)是保障武器裝備出廠合格的重要因素[6]。

隨著武器系統(tǒng)升級和可靠性要求不斷提高，發(fā)射筒的使用維護(hù)說明書對筒內(nèi)溫濕度進(jìn)行了量化規(guī)定，明確要求武器裝備的發(fā)射筒在出廠前或部隊(duì)使用時(shí)筒內(nèi)濕度控制在常溫下（20℃）5%RH～15%RH，否則必須對發(fā)射筒進(jìn)行持續(xù)除濕換氣[7]。目前，由于大多數(shù)廠房內(nèi)制氣站沒有專用的除濕過濾模塊，導(dǎo)致氣源濕度較高，除濕效果較差。因此，本文提出一種基于膜法干燥的除濕換氣設(shè)備，首先收集并壓縮空氣以一定壓力輸出給過濾、干燥裝置，最終輸出干燥的空氣，配套自動控制系統(tǒng)和傳感器檢測模塊，設(shè)備可實(shí)現(xiàn)智能化操作。

1 除濕方法及原理研究

1.1 除濕方法

空氣除濕是一門涉及多個學(xué)科的綜合性技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于儀器儀表、生物、環(huán)保、石化、原子能、航空航天等領(lǐng)域。常用的空氣除濕技術(shù)主要有吸附除濕、冷凝除濕、熱泵除濕、膜法除濕[8]。鄧科等[1]人提出采用氯化鈣為防潮劑的主要原料用于發(fā)射箱內(nèi)環(huán)境濕度調(diào)節(jié)，并分析了不同防潮劑的吸濕率及用量，但這種方法需要經(jīng)常更換除濕劑，對與處于氣密封狀態(tài)的發(fā)射筒內(nèi)部除濕適用性不強(qiáng)；David E.Claridge等[9]人提出Claridge-Culp-Liu除濕工藝，通過在膜的另一側(cè)施加部分真空，然后將水蒸氣壓縮到其濕球溫度為0℃時(shí)的飽和壓力，將水蒸氣與流過膜一側(cè)的潮濕空氣分離，進(jìn)而通過水蒸氣冷凝的辦法對空氣除濕，但采用此方法開發(fā)的設(shè)備體積較大、成本較高，不適用于廠房便攜化使用；Liu Jun等[10]人提出了一種理論方法來研究熱泵驅(qū)動的內(nèi)部冷卻液體干燥劑除濕系統(tǒng)，分析了理想最大性能系數(shù)和實(shí)際工況與理想工況之間的關(guān)系，未熱泵除濕系統(tǒng)的開發(fā)提供了新的思路，但這種方法緊停留在理論階段，對于設(shè)備開發(fā)所需要的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、成本構(gòu)成等并不清晰。

結(jié)合武器裝備發(fā)射筒的產(chǎn)品特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用膜法除濕的辦法最為直接、對產(chǎn)品不造成任何損傷且無多余物產(chǎn)出，可快速使發(fā)射筒內(nèi)空氣濕度在規(guī)定的使用范圍內(nèi)。

1.2 除濕原理

除濕換氣設(shè)備首先通過空氣壓縮機(jī)收集并壓縮外界空氣，然后經(jīng)一定的壓力輸出給過濾器去除空氣中的油污和雜質(zhì)，再經(jīng)過膜式干燥器實(shí)現(xiàn)氣水分離，最后在控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，最終以一定的壓力、流量經(jīng)輸出管路輸出干燥空氣。設(shè)備集成了空氣壓縮、膜法干燥、輸出管路、控制系統(tǒng)和人機(jī)交互，且底部設(shè)計(jì)便于移動的萬向輪，整體集成度和使用便捷性較高，且可根據(jù)不同發(fā)射筒的充氣接口進(jìn)行適應(yīng)性匹配，具有較高的通用性。除濕換氣設(shè)備可以滿足總裝車間、部隊(duì)大修廠對于武器裝備發(fā)射筒內(nèi)氣體除濕置換的需求，具有較高的推廣價(jià)值[11,12]。

2 膜法干燥除濕換氣設(shè)備

2.1 設(shè)備概述

除濕換氣設(shè)備由空氣收集系統(tǒng)、膜法干燥裝置、設(shè)備輸出組件、電氣控制系統(tǒng)、固定及支撐機(jī)構(gòu)五部分組成?？諝馐占到y(tǒng)包括空氣輸入管路、無油電機(jī)、壓縮缸、儲氣罐和壓力控制閥，系統(tǒng)在無油電機(jī)和壓縮缸的作用下，外界空氣經(jīng)輸入官路進(jìn)入儲氣罐，并在壓力控制閥的作用下以一定的壓力輸出；過濾干燥裝置包括減壓閥、前置過濾器和膜式干燥器，裝置接收壓力控制閥輸出的高壓氣體，并對氣體減壓和分流，分多路送至前置過濾器進(jìn)行油污和雜質(zhì)濾除，然后在膜式干燥器中實(shí)現(xiàn)空氣和水分子的分離，產(chǎn)生干燥空氣；設(shè)備輸出組件包括比例調(diào)節(jié)閥、多路連通器、電磁截止閥和氣路輸出接口，干燥空氣在輸出組件中進(jìn)行多路分流，實(shí)現(xiàn)多路輸出；電氣控制系統(tǒng)包括人機(jī)交互界面、CPU模塊、編程器、電源模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電氣控制系統(tǒng)接收人機(jī)交互界面的控制指令，由CPU模塊進(jìn)行處理和存儲，經(jīng)編程器轉(zhuǎn)換輸出，最終由執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制設(shè)備輸出組件中的比例調(diào)節(jié)閥、電磁截止閥進(jìn)行輸出壓力、流量和氣路選擇控制；固定及支撐機(jī)構(gòu)包括自鎖式萬向輪、減震機(jī)構(gòu)和設(shè)備外殼，各部分集成在設(shè)備外殼內(nèi)部，并由減震機(jī)構(gòu)降低各組件工作中的振動，實(shí)現(xiàn)設(shè)備降噪處理，底部設(shè)計(jì)自鎖式萬向輪，便于設(shè)備移動。除濕換氣設(shè)備原理框圖如圖1所示。

圖1 除濕設(shè)備原理框圖

當(dāng)用戶進(jìn)行發(fā)射筒除濕換氣時(shí)，打開固定及支撐機(jī)構(gòu)中的自鎖式萬向輪，將設(shè)備移動到存放地點(diǎn)。在電氣控制系統(tǒng)中人機(jī)交互界面啟動空氣收集系統(tǒng)中無油電機(jī)開關(guān)控制鍵，設(shè)定設(shè)備輸出組件中比例調(diào)節(jié)閥的輸出壓力，無油電機(jī)開始啟動，設(shè)備在壓縮缸內(nèi)進(jìn)行空氣收集和壓縮。當(dāng)儲氣罐內(nèi)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值后，壓力控制閥打開，經(jīng)減壓閥泄壓后流入前置過濾器和膜式干燥器，輸出潔凈、干燥的空氣。干燥空氣進(jìn)入設(shè)備輸出組件后經(jīng)比例調(diào)節(jié)閥后以恒定壓力輸入多路連通器。用戶在人機(jī)交互界面中通過氣路選擇鍵控制電磁截止閥進(jìn)行輸出管路的選擇，用于除濕換氣的恒壓、干燥空氣由氣路輸出接口充入發(fā)射筒中，整個過程在人機(jī)交互界面設(shè)定好后無需二次操作，自動實(shí)現(xiàn)發(fā)射筒內(nèi)除濕換氣。

2.2 除濕檢測方法

除濕換氣過程中，發(fā)射筒溫濕度傳感器采集發(fā)射筒內(nèi)空氣溫度和濕度指標(biāo)，由于筒內(nèi)氣體溫度隨廠房室溫而變化，為了避免溫度對濕度判讀誤差的影響，將濕度轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)溫度（20℃）下的相對濕度進(jìn)行衡量。首先計(jì)算絕對濕度值[5]：

其中，ρw為絕對濕度值，單位為g/m3；e為空氣中水蒸汽壓，單位為Pa；Rw為水的氣體常數(shù)，Rw=461.52 J/（Kg·K）；T為當(dāng)前氣體的熱力學(xué)溫度，單位為K。由于干燥空氣經(jīng)膜式干燥器實(shí)現(xiàn)了空氣和水分子的分離，因此當(dāng)前溫度下絕對濕度ρw為一定常數(shù)，因此空氣中水蒸氣壓e為一個定值。

空氣在溫度T下的相對濕度計(jì)算公式：

其中，RHT為當(dāng)前為溫度T下的相對濕度，單位為%；EST為當(dāng)前溫度T下的飽和蒸汽壓，可根據(jù)飽和蒸汽壓與溫度對照表查詢獲得，單位為Pa。

結(jié)合式(1)與式(2)可以得出，任意溫度Ta下的相對濕度RHTa與標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃（即293.15K）下的相對濕度存在如下關(guān)系：

其中，ESTa為任意溫度Ta下的飽和蒸汽壓。

根據(jù)式(3)，可以計(jì)算出任意溫度下對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃的相對濕度，可以避免測試數(shù)據(jù)的誤差，提高發(fā)射筒內(nèi)濕度檢測的準(zhǔn)確度。

2.3 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)是除濕換氣設(shè)備的人機(jī)交互、數(shù)據(jù)存儲和處理、控制指令執(zhí)行的關(guān)鍵部分，根據(jù)用戶設(shè)定的輸出壓力、流量、管路、時(shí)間等信息，執(zhí)行相應(yīng)的控制量。根據(jù)設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)及可靠性要求，選用西門子C2000系列PLC控制系統(tǒng)，包含觸摸屏顯示器、主機(jī)CPU、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電源轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)除濕設(shè)備供電、空氣壓縮機(jī)工作控制、輸出壓力調(diào)節(jié)、輸出管路選擇調(diào)節(jié)、充氣時(shí)間設(shè)定等操作。觸摸屏顯示器為控制系統(tǒng)的人機(jī)交互單元，接收并傳遞用戶的輸入指令；主機(jī)CPU是系統(tǒng)的運(yùn)算存儲單元，將用戶指令進(jìn)行算法轉(zhuǎn)換和存儲；控制器是指令的輸出單元，接收CPU控制指令并輸入給執(zhí)行機(jī)構(gòu)；執(zhí)行結(jié)構(gòu)式控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元，由PLC組件組成，將控制器輸出指令執(zhí)行到負(fù)載上；電源轉(zhuǎn)換器是系統(tǒng)的供電單元，將設(shè)備的AC 220V/50Hz供電電源轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)需要的隔離DC24V直流電壓，增加設(shè)備工作的穩(wěn)定性和可靠性。電氣控制系統(tǒng)接線圖如圖2所示。

圖2 電氣控制系統(tǒng)接線圖

電氣控制系統(tǒng)工作流程：由人機(jī)交互界面選擇開關(guān)機(jī)操作，啟動空氣壓縮機(jī)電機(jī)驅(qū)動壓縮缸工作，將外界空氣過濾后存儲在儲氣瓶內(nèi)，當(dāng)有需要除濕的發(fā)射筒時(shí)，控制系統(tǒng)輸出信號打開電磁截止閥，向發(fā)射筒充入一定壓力的干燥氣體。儲氣瓶內(nèi)氣體經(jīng)過濾、干燥后流經(jīng)減壓法，控制系統(tǒng)對減壓閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)反饋當(dāng)前壓力狀態(tài)，使輸出氣體壓力符合發(fā)射筒預(yù)設(shè)氣壓范圍。若減壓閥故障，氣體會從壓力安全閥溢出，不會將高壓氣體充入發(fā)射筒內(nèi)。在空氣壓縮機(jī)內(nèi)，氣體首先進(jìn)入儲氣瓶，消除活塞式壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓力脈動，并使高溫的氣體冷卻至室溫，此時(shí)將有液態(tài)水出現(xiàn)，空氣壓縮機(jī)內(nèi)的水分離器用離心力將液態(tài)水分離出來并排出，經(jīng)過水分離器的氣體再經(jīng)過逐級過濾的方式將氣體中的雜質(zhì)去除，過濾精度1μm以下，然后再送入空氣過濾器和膜式干燥器進(jìn)行處理。其中儲氣瓶上安裝有壓力開關(guān)來監(jiān)視儲氣瓶的壓力，當(dāng)壓力升至上限時(shí)壓縮機(jī)停機(jī)，當(dāng)壓力低至下限時(shí)，壓縮機(jī)重新開機(jī)，以保證各氣路輸出的壓力穩(wěn)定。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

除濕換氣設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將選用的空氣壓縮機(jī)、過濾干燥裝置、電氣控制系統(tǒng)封閉在一個金屬殼體內(nèi)，各部件與殼體螺栓緊固緊密連接。在殼體左右兩側(cè)，設(shè)計(jì)排風(fēng)風(fēng)扇，有利于空氣壓縮機(jī)工作中的散熱。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙如圖3所示。

圖3 除濕換氣設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還進(jìn)行了減振、輕量化、小型化、維修便利性等考慮，充分利用空氣壓縮機(jī)上部分剩余空間，過濾干燥裝置、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在空氣壓縮機(jī)上方，與金屬殼體固定連接。設(shè)備內(nèi)充氣管路排布整齊，設(shè)計(jì)開合式前殼、上蓋，便于設(shè)備的維修和部件更換。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以某型武器裝備發(fā)射筒為對象開展數(shù)據(jù)積累和性能摸底試驗(yàn)，充氣壓力設(shè)定相對壓力50kPa（絕對壓力151.325kPa）。用環(huán)境檢測器實(shí)時(shí)記錄發(fā)射筒上溫濕壓傳感器采集的發(fā)射筒內(nèi)濕度數(shù)據(jù)，根據(jù)濕度檢測方法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃下的相對濕度，擬合筒內(nèi)濕度變化曲線。設(shè)備外形如圖4所示，濕度變化曲線如圖5所示。

圖4 除濕換氣設(shè)備外形圖

由圖5可以看出，持續(xù)進(jìn)行10小時(shí)除濕換氣試驗(yàn)。除濕結(jié)果顯示，經(jīng)10小時(shí)持續(xù)除濕，發(fā)射筒內(nèi)空氣濕度由65.6%RH（20℃）下降至11.2%RH（20℃），關(guān)閉除濕設(shè)備后，筒內(nèi)濕度最終穩(wěn)定在11.5%RH（20℃），且不再升高。

圖5 除濕濕度變化曲線

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種膜法干燥除濕換氣設(shè)備，基于西門子C2000系列PLC平臺開發(fā)了控制程序及智能算法，可實(shí)現(xiàn)武器裝備發(fā)射筒除濕換氣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在10小時(shí)內(nèi)可將筒內(nèi)濕度由65.6%RH（20℃）下降并穩(wěn)定至11.5%RH（20℃），具有體積小、成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)。