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          1. 合肥匯一能源科技有限公司
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            人工環境室的雙蒸發器制冷系統

            2020-02-05 0

            為滿足工業生產和科學研究的需要,許多行業需要建造可以控制空氣溫濕度的人工環境室。各種人工環境室對溫濕度的控制要求并不一樣。譬如測定空調性能的焓差室的外側室(用于模擬室外環境的溫濕度),要求較大的溫濕度控制范圍,溫度從-30℃~+55℃,相對濕度從16%~87%.

            看圖1,現有的人工環境室的制冷系統,在人工環境室1內具有一熱交換風道10,本制冷系統包括空調風機11、電加濕裝置12、電加熱裝置13、蒸發器14、膨脹閥15和壓縮冷凝機組16。其中蒸發器14 (大多是直冷式制冷盤管)既用來降溫又用來除濕,電加熱裝置13和電加濕裝置12分別用于彌補冷量負荷和除濕負荷,最終使人工環境室1內的溫濕度達到工況要求,滿足試驗所需。

            微信圖片_20180902221359.jpg

            上述人工環境室的制冷系統中,蒸發器14無法兼顧各種溫濕度工況條件,并會造成能源的浪費。例如,為了滿足低濕度的試驗工況,蒸發器14通常設計為具有較大的除濕量。那么在高濕度的試驗工況時,開啟蒸發器14后由于除濕效果明顯,就需要加大電加濕裝置12的輸出,這就導致了能源浪費。有時,甚至電加濕裝置12全力輸出仍不能平衡蒸發器14的除濕,并且人工環境室的試驗件(如空調機)的運行有時會進一步加大這種矛盾, 致使無法滿足高濕度工況條件。因此最后的設計結果只能求取經濟性和實用性的平衡,導致對于低濕度和高濕度等極端工況是很難滿足的。

            本文介紹一種用于人工環境室的雙蒸發器制冷系統,既可滿足各類試驗工況條件,又能節約能源,很好的解決了上述技術問題。
            該制冷系統,包括壓縮冷凝機組、空氣處理機組(空氣處理機組在人工環境室內),以及安裝在空氣處理機組內、并與同一臺壓縮冷凝機組相連的第一蒸發器和第二蒸發器;第一蒸發器在空氣處理機的回風方向的最前面,占據整個迎風面,翅片片距為8~16mm ; 第二蒸發器在空氣處理機的回風方向上位于第一蒸發器之后,占據迎風面的部分截面,翅片片距為3~6mm ; 兩個蒸發器均為直冷式盤管。
            該制冷系統采用一臺壓縮冷凝機組配合雙蒸發器的結構,雙蒸發器的位置、占迎風面的截面積、片距都不同,從而使第一蒸發器側重于降溫,第二蒸發器側重于除濕。對于不同溫濕度工況要求,雙蒸發器可以開啟任一臺或同時開啟。本系統不僅提高了人工環境室對各種溫濕度工況的控制范圍和控制精度,還可以節約能源。

            微信圖片_20180902221404.jpg

            圖2標記:1-人工環境室;10 -空氣處理機組;11-空調風機; 12-電加濕裝置;13-電加熱裝置;14-蒸發器;15 -膨脹閥;16 -壓縮冷凝機組;241-第一蒸發器;242-第二蒸發器;251-第一膨脹閥; 252-第二膨脹閥;271-第一切換閥;272-第二切換閥。
            本文所述系統的空調風機11、電加濕裝置12、電加熱裝置13均與現有的人工環境室的制冷系統相同。現有的人工環境室的制冷系統中, 由于只有一個蒸發器14,因此只有一個膨脹閥15在蒸發器14的入口管道上。本文系統由于有兩個蒸發器241、 242,所以有兩個膨脹閥271、 272分別在兩個蒸發器241、 242的入口管道上。 
            第一切換閥271,在第一蒸發器241的入口管道上,控制第一蒸發器 241的啟閉;
            第二切換閥272,在第二蒸發器242的入口管道上,控制第二蒸發器 242的啟閉。
                  也可以采用一個三通切換閥(未圖示),該三通切換閥安裝在壓縮冷凝機組16的出口管道、第一蒸發器241 的入口管道、第二蒸發器242的入口管道的三條管道連接處,控制第一蒸 發器241和(或)第二蒸發器242的啟閉。這樣,該三通切換閥就等效于圖2 中的兩個切換閥271、 272,并可取代之。
            本制冷系統控制人工環境室的溫濕度工況,兩個蒸發器釆用不同設計使得它們分別側重降溫和除濕,根據試驗工況的不同通過液路閥門的開關來進行兩個蒸發器的切換。高濕度工況時關掉第二蒸發器,只采用第一蒸發器,此時除濕效果差,換熱量中的顯熱比例得到提高,潛熱比例則相對降低,這樣就減少了電加濕裝置的輸出。低濕度工況時則關掉第一蒸發器,只采用第二 蒸發器,此時除濕效果好,換熱量中的顯熱比例相對降低,潛熱比例相對提高,這樣就減少了電加熱裝置的輸出。而對于環境溫度與蒸發器蒸發壓力接近的工況,則同時打開兩個蒸發器,增大換熱面積,來滿足試驗需要的換熱量。這樣通過兩個蒸發器的切換大大增加了人工環境室試驗工況的 控制范圍,同時也起到了節能的效果。
            下面舉一實例分析說明。
            以測定空調性能的焓差室的外側室為例,做國標規定的最大運行制冷工況,干球溫度為43℃、濕球溫度為26℃的工況。假定壓縮冷凝機組的制冷能力為14kW,空氣處理機的風量為3600kg/h。由于人工環境室內存在熱負荷, 再假定回風狀態為47°C/27. 5°C (此工況的露點溫度為20. 4°C)(為簡化計算假定空氣比熱Cp=1kj/(kg °C))。
            對圖1所示的制冷系統,經過蒸發器14后的空氣溫度為47-14/(1×3600/3600) =33℃,遠大于20. 4°C,可見在14kW的制冷量下,圖1中的蒸發器14無法滿足除濕要求,該系統達不到該環境工況。
            對圖2所示的制冷系統,由于第二蒸發器242只占據空氣處理機10的部分迎風面,那么經過第二蒸發器242的風量也只有一部分(假定一半的風量經過第二蒸發器242)。那么經過第二蒸發器242后的部分空氣溫度為47-14/ (1×1800/3600) =19℃,可見經過第二蒸發器242的部分空氣出風溫度低于露點溫度,第二蒸發器242可以滿足除濕要求,該系統可以達到該環境工況。當然,經過第二蒸發器242的空氣和未經過第二蒸發器242的空氣混合后溫度也約為33°C。
            由以上估算可知,圖1所示的制冷系統無法滿足該工況要求,而圖2所示的制冷系統可以滿足該工況要求。由于人工環境室的循環風量有要求, 不可以隨意減小,對于圖1所示的制冷系統來說,為了達到該工況要求, 只能增大壓縮冷凝機組16的能力。而這樣經過蒸發器14的出風溫度必然降低很多,為達到工況的溫度要求,又需要增大電加熱量來彌補。可見, 圖2所示的制冷系統不僅增大了人工環境室的溫濕度控制范圍,還比圖1所示的制冷系統要節能。
            對于高溫高濕度的工況,圖2所示的制冷系統可以僅啟用第一蒸發器 241,由于第一蒸發器241的翅片間距較大,減小了換熱器在凝露時的翅片效率和濕換熱系數,僅啟用第一蒸發器241時的圖2所示的制冷系統比圖1所示的制冷系統減小了不必要的除濕量,也就減少了電加濕裝置12的輸出, 最終達到了節能的目的。
            綜上,該雙蒸發器制冷系統不僅結構簡單、改造方便,而且增大了人工環境室的溫濕度控制范圍,并能有效節能。
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