基于斯特林制冷的恒濕獨立展柜動態(tài)特性研究

汪寧 ，林煜琛 ，張學軍*

（1-浙江大學制冷與低溫研究所，浙江杭州 310027；2-浙江省制冷與低溫技術(shù)重點實驗室，浙江杭州 310027）

0 引言

由于缺乏有效的文物環(huán)境保護方法，許多文物自發(fā)掘以來逐漸受破壞損毀[1-3]，造成難以估量的損失[4]?？梢?，博物館文物保存環(huán)境的控制系統(tǒng)亟需優(yōu)化。多方面的研究表明，空氣相對濕度對文物的生物、化學和物理作用產(chǎn)生直接影響[5-6]，因此，合適的濕度環(huán)境對于文物的保存和展覽至關(guān)重要。

目前，獨立展柜主要采用小型獨立恒濕處理系統(tǒng)營造恒濕環(huán)境，其中運用最廣泛的除濕技術(shù)是冷卻除濕，適用范圍廣、除濕效果好且成本低。但是若采用傳統(tǒng)的制冷機作為冷卻除濕冷源，存在維護復雜、制冷劑不環(huán)保和耗電量大的不足[7-8]。目前研究主要針對采用新型制冷技術(shù)作為除濕冷源，如半導體制冷、擴散吸收式制冷等制冷技術(shù)，其中研究最多的是半導體制冷。加拿大某公司早在1984 年生產(chǎn)了第一臺半導體恒濕控制系統(tǒng)，并在皇家安大略博物館首次使用。VIáN等[9]通過模擬和實驗研究發(fā)現(xiàn)，相對常規(guī)壓縮制冷系統(tǒng)，采用兩級半導體制冷實現(xiàn)冷卻除濕的應(yīng)用前景更好。鄭愛平[10]基于半導體制冷設(shè)計了一種展柜，很好地保存了華盛頓總統(tǒng)的委任狀。國內(nèi)某博物館[11]采用小型恒濕機為小型桌柜提供穩(wěn)定恒濕環(huán)境，并通過正壓無回風的送風方式。該恒濕機系統(tǒng)利用空氣與水箱中的水進行熱質(zhì)交換達到恒濕要求，水溫由制冷系統(tǒng)和加熱器控制。劉樹林等[12]結(jié)合半導體制冷和單片機控制技術(shù)，為文物展柜設(shè)計了一種空氣處理裝置，該裝置可實現(xiàn)空氣過濾、加濕和除濕功能。實驗結(jié)果表明，針對70 m3的展柜，在外環(huán)境相對濕度大于60%時，該系統(tǒng)可在一小時內(nèi)實現(xiàn)相對濕度0.6%的下降。韓耀明[13]通過實驗研究分析了在恒溫恒濕小空間內(nèi)對半導體制冷除濕的影響因素，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化提高了除濕效率。田茹等[14]介紹了一種新型恒溫恒濕箱，通過改變半導體輸入功率，精確實現(xiàn)了加熱、制冷和除濕功能。楊小玲等[15]設(shè)計了一個基于半導體制冷的控濕系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)相對濕度維持在60%～90%范圍內(nèi)，并且相對濕度的精度為±3%。陳香玉[16]設(shè)計了基于半導體制冷結(jié)合離子風扇的文物展柜恒濕系統(tǒng)，并通過理論及實驗研究了展柜的恒濕特性。王恒旭[17]針對基于擴散吸收式制冷的恒濕展柜控制系統(tǒng)開展了實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)展柜相對濕度連續(xù)可控在40%～75%，且波動值能控制在2%。該系統(tǒng)對于制冷機的結(jié)構(gòu)布置有要求，大規(guī)模生產(chǎn)存在一定的限制。綜上所述，目前獨立展柜的除濕主要以半導體制冷為冷源，但該方式存在制冷量較低[18-19]，僅適合用于體積較小的展柜文物保存的不足。另外，半導體制冷技術(shù)熱端散熱要求較高[20-22]，耗電較大，一定程度上限制了該技術(shù)的應(yīng)用。

針對目前采用半導體等制冷技術(shù)作為除濕冷源存在的不足，基于斯特林制冷機制冷量大，制冷效率高、制冷劑環(huán)保、運行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點[23-24]，本文設(shè)計搭建了一臺基于斯特林制冷的恒濕獨立展柜裝置，并在不同工況下開展實驗，探究其恒濕的動態(tài)特性。

1 實驗概述

1.1 裝置設(shè)計

為滿足小型文物獨立展柜的適用性要求，所設(shè)計的恒濕裝置需在具備空氣恒濕調(diào)節(jié)性能的基礎(chǔ)上，同時滿足結(jié)構(gòu)緊湊且體積小巧，搬運便利。本文設(shè)計的恒濕獨立展柜設(shè)備主要由斯特林制冷機、加熱棒、風機、水箱換熱器和展柜等部件組成，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。

圖1 恒濕獨立展柜設(shè)計

系統(tǒng)的恒濕通過控制制冷機和加熱棒來控制，具體原理如下：除濕時，制冷機對水箱內(nèi)水進行降溫，流經(jīng)的空氣與降溫后的水進行換熱，空氣溫度被降低，低于露點溫度時即發(fā)生冷凝，從而達到除濕目的。系統(tǒng)的加濕原理即通過加熱棒加熱提高水溫，進而提高水面的水蒸氣分壓力，加快水面水蒸氣的蒸發(fā)，從而實現(xiàn)空氣流經(jīng)水面被加濕。

1.2 設(shè)備選型

恒濕獨立展柜通過制冷機實現(xiàn)除濕功能，對于系統(tǒng)所用的斯特林制冷機，需同時滿足以下三個階段的制冷量需求：1）啟動階段，在除濕前一定時間內(nèi)，制冷機需將水箱換熱器內(nèi)水溫冷卻至空氣露點溫度以下，為系統(tǒng)除濕做準備；2）除濕階段，從展柜開始除濕至穩(wěn)定過程中，一定時間內(nèi)需將展柜內(nèi)初始相對濕度處理到目標值；3）恒濕階段，系統(tǒng)維持在穩(wěn)定狀態(tài)時，需補償展柜對外環(huán)境的漏濕。

三階段的制冷量需求計算如式(1)～式(4)所示：

啟動階段：

除濕階段：

恒濕階段：

式中，Q為制冷量，W；ρair和ρwater分別為空氣和水的密度，kg/m3；Vwater為水箱的體積，m3；水箱的長寬高尺寸為217 mm×18 mm×78 mm；c為水的比容，J/(kg·℃)，取4 200 J/(kg·℃）；t1、t2為分別為初始水溫和終態(tài)水溫，℃；τ為時間，s；Vcabinet為展柜內(nèi)空氣體積，m3；i1和i2分別為展柜內(nèi)空氣初始和目標焓值，kJ/kga；m為展柜外部向內(nèi)泄漏的水分質(zhì)量，kg/s；di和do為展柜內(nèi)外空氣含濕量，g/(kg 干空氣)；n為展柜的換氣率，d-1，取48 d-1；r為水的潛熱，取2 260 kJ/kg。

在系統(tǒng)的啟動階段，設(shè)定制冷機需在10 min內(nèi)將水溫從20 ℃降至7 ℃，同時考慮到水箱漏熱，給定冗余量1.2。在除濕階段，取夏季極端工況計算最大所需制冷量，假定展柜外環(huán)境溫濕度分別為20 ℃和90%，展柜內(nèi)初始溫濕度與展柜外保持一致，展柜內(nèi)目標溫濕度為20 ℃和40%，設(shè)置系統(tǒng)須在10 min 內(nèi)將展柜內(nèi)初始濕度除濕到目標相對濕度。綜上分析計算，為滿足展柜高效率除濕要求，所選制冷機的制冷量需同時滿足啟動階段、除濕階段和穩(wěn)定階段展柜的除濕要求。依據(jù)計算，三個階段中設(shè)備所需的制冷量最大需34 W，因此，本實驗選取華自由活塞式斯特林制冷機作為除濕冷源。

為保證展柜恒濕性能，選擇防水型風機，最大流速可達到0.8 m3/min，可滿足展柜的循環(huán)風量需求。本實驗采用的測量設(shè)備分別是溫濕度傳感器和鉑電阻溫度計，其中展柜內(nèi)溫濕度測量將傳感器置于展柜中央，模擬博物館中文物存放的位置，外環(huán)境溫濕度測量將傳感器放在距離展柜20 cm 處。

1.3 裝置搭建

根據(jù)設(shè)計的恒濕獨立展柜系統(tǒng)，搭建實驗臺，如圖2 所示，整體實驗裝置主要包括獨立展柜和恒濕機裝置。獨立展柜上部分為透明玻璃結(jié)構(gòu)，長寬高尺寸為600 mm×600 mm×1 000 mm，厚度為10 mm，文物展覽區(qū)一般位于展柜底面的中心位置。為了避免循環(huán)空氣串流，展柜空氣系統(tǒng)的送回風口分別布置在展柜底面的對角線上；獨立展柜的下部分為恒濕機設(shè)備的安裝空間，為節(jié)省安裝空間，方便實驗布置及觀察，將恒濕機裝置分別布置在由亞克力有機玻璃板制成的上下兩層空間內(nèi)，整體裝置布置整齊，結(jié)構(gòu)緊湊。

圖2 獨立展柜整體結(jié)構(gòu)

恒濕機裝置主要由控制器、傳感器、制冷機和水箱換熱器組成，其中制冷機與水箱換熱器連接，置于亞克力板的下層空間，如圖3(b)所示，水箱為不銹鋼材質(zhì)，外面覆蓋保溫棉以減少漏熱，水箱進出口分別采用風管與展柜連接進行空氣循環(huán)；恒濕機裝置的其他部分置于亞克力板的上層，主要包括兩個分別測量展柜內(nèi)外溫濕度的傳感器、測量水溫的鉑電阻、PLC 的CPU 與輸入模塊EM231、電源等部分。各部件間的連線通過軋帶固定在亞克力板預(yù)留的間縫里。

圖3 恒濕機結(jié)構(gòu)

1.4 誤差分析

實驗誤差主要源于隨機誤差和系統(tǒng)誤差，其中本實驗的系統(tǒng)誤差主要體現(xiàn)在儀器誤差，考慮到系統(tǒng)的連接組合造成儀器間誤差相互作用影響實驗，根據(jù)Root-Sum-Square 方法[25]對儀器總測量誤差進行分析，以溫濕度傳感器為例進行分析。

該傳感器溫度和相對濕度測量的不確定度：

式中，R為相對濕度，%。

數(shù)據(jù)采集儀的電流信號與測試的溫濕度成線性關(guān)系，其測得溫濕度不確定度為0.08 %。因此，本實驗系統(tǒng)溫濕度的總不確定度分別為：

溫度不確定度：

相對濕度不確定：

式中，δG為數(shù)據(jù)采集儀的不確定度。

隨機誤差指在測試條件保持一致情況下，對同一物理量的多次等精度測量時，不確定因素干擾產(chǎn)生的測量誤差。該誤差存在隨機性，服從統(tǒng)計學規(guī)律。本實驗基于貝塞爾法[26]對傳感器測量進行誤差分析，同樣以溫濕度傳感器為例，取某一實驗工況環(huán)境，保持測試環(huán)境不變，固定傳感器位置，每5 min 測一次數(shù)據(jù)，共計16 次，對測量的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，計算16 次測量的平均值和偏差j，根據(jù)下式分別求出溫濕度的標準偏差為0.1 ℃和1.4%。

因此，測試結(jié)果為：

依據(jù)上式，本實驗工況在置信度為99.7%時，溫度和相對濕度的隨機誤差分別為(13.3±0.3) ℃和(49.9±4.2)%。通過上述計算分析可得，本文實驗裝置所用儀器的系統(tǒng)誤差和隨機誤差均在可接受范圍內(nèi)，說明了數(shù)據(jù)測量采集的有效性。

1.5 控制策略

實驗中，PLC 控制器共有2 個輸出信號，包括一個模擬量輸出和一個數(shù)字量輸出，分別用于控制斯特林制冷機和加熱棒。同時為實時監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)，采用Agilent 數(shù)據(jù)采集儀對實驗數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測與保存，整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。在布置恒濕獨立展柜實驗裝置的實驗室內(nèi)，分別布置有大型空氣處理機組和柜式空調(diào)機，用于為實驗營造不同的展柜外環(huán)境。該空氣處理機組是基于雙回路表冷器的溫濕度解耦獨立控制空調(diào)系統(tǒng)[27]，可實現(xiàn)對室內(nèi)空氣的加熱/降溫、加濕/除濕功能，并且整體能耗較低。柜式空調(diào)機可用于實現(xiàn)展柜外環(huán)境的溫濕度在設(shè)定值上下呈規(guī)律性變化，以模擬獨立展柜實際應(yīng)用環(huán)境變化，為后續(xù)實驗開展提供需要的工況調(diào)節(jié)。

圖4 恒濕展柜實驗裝置

由于恒濕控制的數(shù)學模型較為復雜，整個控制系統(tǒng)采用PID 方法實現(xiàn)。確定濕度控制方案時，考慮到斯特林制冷機使用效率和壽命，開機后的制冷機需10 min 內(nèi)逐漸升高輸入功率。由于空氣加濕（除濕）過程的起點是以水面溫度高于（低于）空氣露點溫度為界限，因此，為提高加濕（除濕）效率，控制風機在水面溫度高于（低于）空氣露點溫度時開啟。綜合上述控制思路，確定具體控濕策略，如圖5 所示。由圖5 可知：根據(jù)反饋值計算相對濕度誤差，判斷誤差小于0.5%時系統(tǒng)進入初始狀態(tài)，為保護制冷機，根據(jù)計時的時長，如果系統(tǒng)開機時間小于5 min，賦給制冷機輸出控制信號AQW0 的值為1 000，如果時間在5～10 min 內(nèi)，給AQW0 賦值3 000，如果時間大于10 min，即可直接進入PID 運算，根據(jù)計算結(jié)果賦值A(chǔ)QW0。當相對濕度誤差大于0.5%時，系統(tǒng)進入加濕狀態(tài)，通過PID 計算輸出控制加熱棒對水箱升溫，實現(xiàn)空氣加濕。

圖5 恒濕控制流程

2 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)上述控制策略，對展柜恒濕控制進行多次調(diào)試，最終確定斯特林制冷機的PID 參數(shù)分別為-10、10 和0.08；加熱棒控制PID 參數(shù)為20、10 和0.08。接下來將基于調(diào)試的參數(shù)對除濕和加濕兩種工況下分別開展實驗研究，實驗中根據(jù)上述控制策略切換運行加熱棒和制冷機實現(xiàn)恒濕，下文的除濕工況和加濕工況主要指在整體恒濕控制中除濕或加濕過程為主。

2.1 除濕工況

根據(jù)上述控制策略和PID 參數(shù)，在除濕工況下對展柜恒濕特性開展研究，控制展柜外初始溫濕度分別為20.6 ℃和70.4%，展柜內(nèi)初始溫濕度為21.2 ℃和71.9%，相對濕度設(shè)為60%，過程中改變展柜外環(huán)境，調(diào)節(jié)過程中溫濕度變化如圖6所示。由圖6 可知：展柜內(nèi)相對濕度約在45 min達到目標值，之后在目標值上下浮動，波動范圍在±0.8%內(nèi)，對應(yīng)水溫在10 ℃。當外界相對濕度從約64%陡升到約78%時，展柜內(nèi)相對濕度隨外界變化上升，上升幅度約達4%，但系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)節(jié)，約50 min 后重新達到目標值，對應(yīng)最低水溫約3.7 ℃。之后在外界高濕環(huán)境下，展柜內(nèi)相對濕度保持在目標值附近波動。當展柜外相對濕度從70%上升到約80%再下降至55%時，展柜內(nèi)相對濕度也存在較小的先上升再下降的幅度，但均在較短的時間內(nèi)達到穩(wěn)定，并在外界較低相對濕度環(huán)境下，保持穩(wěn)定。在系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中，展柜內(nèi)溫度變化不大，主要隨展柜外溫度變化趨勢變化。因此在展柜外環(huán)境變化時，采用上述控制方式和調(diào)節(jié)參數(shù)可較好實現(xiàn)展柜內(nèi)恒濕。

圖6 除濕整定過程中溫濕度變化

進一步開展實驗，觀察全天候高濕工況下，展柜內(nèi)的除濕效果，實驗中保持展柜外環(huán)境相對濕度在74%～80%變化，展柜內(nèi)相對濕度目標值為60%，觀察自系統(tǒng)開啟后700 min 內(nèi)的溫濕度變化情況，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 展柜外高濕工況下控濕效果

由圖7 可知：在高濕工況下，系統(tǒng)在50 min內(nèi)達到穩(wěn)定，波動范圍在±1%以內(nèi)，穩(wěn)定狀態(tài)下保持系統(tǒng)持續(xù)工作狀態(tài)，展柜內(nèi)相對濕度不受展柜外環(huán)境變化影響，水溫保持在約7 ℃；并且，發(fā)現(xiàn)當外界溫度存在+2 ℃波動時，展柜內(nèi)溫度保持18 ℃穩(wěn)定，這是由于斯特林制冷量大，在除濕過程中，系統(tǒng)對展柜內(nèi)溫度進行小幅降溫，減弱了展柜外小幅升溫的影響。

為進一步探究系統(tǒng)在除濕狀態(tài)下展柜內(nèi)溫度變化情況，控制展柜外溫度保持穩(wěn)定，開啟系統(tǒng)的除濕狀態(tài)，觀察展柜內(nèi)氣溫及水溫變化，結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可知：展柜外的空氣溫度穩(wěn)定不變，系統(tǒng)對展柜進行除濕時，展柜內(nèi)相對濕度從75%降到62%，對應(yīng)水溫從約12 ℃降至0 ℃。展柜內(nèi)空氣溫度隨水溫下降，降幅約1 ℃，這主要是因為斯特林制冷機的制冷量較大，除濕的同時可承擔部分的展柜熱負荷，用于減緩外界環(huán)境波動的影響。

圖8 除濕工況參數(shù)變化（展柜外氣溫不變）

為研究在除濕過程中，系統(tǒng)對外界溫度波動影響的延緩程度，保持展柜外環(huán)境溫度上升，觀察除濕過程中展柜內(nèi)空氣的溫度變化，結(jié)果如圖9所示。由圖9 可知：系統(tǒng)對展柜進行除濕時，展柜內(nèi)相對濕度從62%降到50%，對應(yīng)穩(wěn)定時水溫約2 ℃，此時展柜外的空氣溫度持續(xù)上升，升幅約為2 ℃，但展柜內(nèi)空氣溫度呈先上升再下降再上升狀態(tài)，這是因為系統(tǒng)開啟狀態(tài)時，水溫高于展柜內(nèi)空氣的干球溫度，空氣被加熱，當水面溫度低于空氣干球溫度后，展柜內(nèi)空氣逐漸降溫，由于受展柜外升溫的影響，內(nèi)部氣溫逐漸升高，但升幅相對較小，在觀察周期內(nèi)升幅小于0.5 ℃。因此，可以得出，系統(tǒng)在除濕工況時，可實現(xiàn)對展柜內(nèi)空氣的小幅度降溫，一定程度上可減緩展柜升溫的影響。

圖9 除濕工況參數(shù)變化（柜外氣溫變化）

基于上述實驗結(jié)果，結(jié)合文獻[15, 17]，選取與本文工況相近的實驗，對比采用斯特林制冷機、半導體制冷機和擴散吸收式制冷機對展柜的除濕效果，對比結(jié)果如表1 所示。由表1 可知：采用斯特林制冷為冷源，達到穩(wěn)定后波動范圍最小，擴散吸收式制冷次之，半導體制冷最低，日波動范圍不超過5%，均在文物展柜波動范圍標準內(nèi)。并且，對比展柜體積和冷源尺寸可以發(fā)現(xiàn)，若換算成相等展柜體積，原半導體尺寸體積需增加為原來的3 倍，而斯特林的尺寸相對另外兩種冷源緊湊較多。因此，斯特林制冷用于獨立展柜除濕具備結(jié)構(gòu)緊湊、控制精準的優(yōu)點。

表1 不同冷源除濕效果對比

2.2 加濕工況

基于上述的控制策略及調(diào)試參數(shù)，針對目標加濕工況開展實驗，實驗中控制展柜外相對濕度在30%～57%波動，且變化較大，設(shè)置展柜內(nèi)目標相對濕度為60%，調(diào)節(jié)過程中溫濕度變化如圖10所示。

圖10 加濕整定過程中溫濕度變化

由圖10 可知：在系統(tǒng)控濕作用下，展柜內(nèi)相對濕度約在時間為40 min 時達到穩(wěn)定，穩(wěn)定后在59.4%～60.2%波動，水溫約在11～14 ℃波動。另外，在實驗期間，展柜外相對濕度存在兩次較大的變化，但展柜內(nèi)相對濕度并沒有受到影響，說明系統(tǒng)的加濕效率高，不受展柜外變化影響，這是因為加熱棒的加熱效率相對較高。

進一步開展實驗，觀察低濕工況下，展柜內(nèi)的加濕效果，實驗中保持展柜外環(huán)境相對濕度穩(wěn)定在60%，展柜內(nèi)相對濕度目標值為80%，觀察自系統(tǒng)開啟后200 min 內(nèi)的溫濕度變化情況，結(jié)果如圖11 所示。由圖11 可知：展柜外溫濕度在較小波動范圍內(nèi)，水溫從約6 ℃升到20 ℃時，對應(yīng)展柜內(nèi)相對濕度從約60%升到目標值78.5%，并在接下來的3 h 內(nèi)保持穩(wěn)定，波動范圍在±0.8%內(nèi)。另外，可以發(fā)現(xiàn)，當展柜外溫度保持不變時，展柜內(nèi)溫度存在約1 ℃的增幅，這是因為加濕過程水溫上升，高于展柜內(nèi)空氣的溫度時，空氣流過水箱與水面進行了熱交換，引起了小幅升溫。

圖11 展柜外低濕工況下控濕效果

3 結(jié)論

本文針對基于斯特林制冷的恒濕獨立展柜裝置開展了實驗研究，基于設(shè)計搭建的實驗臺，采用PID 切換控制加熱棒和制冷機實現(xiàn)展柜恒濕，分析了在除濕和加濕工況下展柜的動態(tài)特性，得到如下結(jié)論：

1）除濕工況下，展柜外環(huán)境變化分別在劇烈和平穩(wěn)兩種情況時，展柜均能在較短時間內(nèi)達到穩(wěn)定，波動范圍均在±1%以內(nèi)；對比相似工況下以半導體制冷和擴散吸收式制冷為冷源的恒濕展柜特性，發(fā)現(xiàn)以斯特林制冷為除濕冷源，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸最小，且穩(wěn)定時波動范圍為±1%，相對最?。?/p>

2）在除濕過程中，發(fā)現(xiàn)展柜內(nèi)空氣溫度存在1 ℃溫降，可用于延緩抵消展柜外溫升對展柜造成的影響；

3）加濕工況下，展柜內(nèi)相對濕度受展柜外環(huán)境影響較小，加濕效率相對較高，穩(wěn)定時波動范圍在±0.8%內(nèi)。