滿(mǎn)林香

（北海職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系,廣西 北海 536000）

現(xiàn)有家用冷凍除濕機(jī)機(jī)械部分主要由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流元件、蒸發(fā)器構(gòu)成[1-3],除濕過(guò)程基于蒸汽壓縮式制冷循環(huán),其工作原理如圖1 所示。由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流元件、蒸發(fā)器構(gòu)成的制冷循環(huán)為空氣冷卻提供條件,當(dāng)空氣流過(guò)蒸發(fā)器時(shí),空氣被冷卻,空氣中的水蒸氣達(dá)到其分壓所對(duì)應(yīng)的飽和溫度后會(huì)逐漸冷凝為液態(tài),并以水珠的形式在蒸發(fā)器表面析出,從而實(shí)現(xiàn)除濕。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊,但整體技術(shù)含量不高,節(jié)能方面還有提升空間。

圖1 家用冷凍除濕機(jī)工作原理圖

為響應(yīng)國(guó)家碳達(dá)峰碳中和號(hào)召,提升家用冷凍除濕機(jī)的性能,本文基于現(xiàn)有家用冷凍除濕機(jī)的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了具有氣液分離結(jié)構(gòu)和具有回?zé)峤Y(jié)構(gòu)的兩類(lèi)新型家用冷凍除濕機(jī)。

1 具有氣液分離結(jié)構(gòu)的冷凍除濕機(jī)

一種帶氣液分離結(jié)構(gòu)的冷凍除濕機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示,其結(jié)構(gòu)由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流元件、蒸發(fā)器、單筒氣液分離器組成。本文所介紹的帶氣液分離結(jié)構(gòu)的冷凍除濕機(jī)與常規(guī)家用冷凍除濕機(jī)的主要區(qū)別是,在蒸發(fā)器和冷凝器之間的空氣流道中增設(shè)了一個(gè)氣液分離器,用于分離從蒸發(fā)器出來(lái)的空氣中攜帶的小水滴。

圖2 帶氣液分離結(jié)構(gòu)的冷凍除濕機(jī)結(jié)構(gòu)一

本文所述的氣液分離器本質(zhì)上是一種旋風(fēng)分離器,并在其基礎(chǔ)上對(duì)分離器進(jìn)、出口做了一定的過(guò)渡曲面處理。旋風(fēng)分離器是一種簡(jiǎn)單、高效的分離裝置,常用于氣固、氣液分離,壓力損失較小,其工作原理如圖3 所示[4-8]。旋風(fēng)分離器的分離區(qū)由圓柱段和圓錐段構(gòu)成,攜帶固體或液體的氣體從旋風(fēng)分離器入口進(jìn)入旋風(fēng)分離器后,沿著旋風(fēng)分離器壁面在分離區(qū)外側(cè)做向下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),分離區(qū)外側(cè)的氣流在向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,其中一部分氣流通過(guò)內(nèi)外上、下氣流之間的分界面匯入內(nèi)側(cè)向上氣流,當(dāng)分離區(qū)外側(cè)氣流到達(dá)分離區(qū)底部后,沿著分離區(qū)內(nèi)側(cè)向上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),與分離區(qū)外側(cè)通過(guò)內(nèi)外上、下氣流之間的分界面流入分離區(qū)內(nèi)側(cè)的氣流匯合后從旋風(fēng)分離器出口排出。由于攜帶固體顆?；蛞旱蔚臍饬髟谛L(fēng)分離區(qū)內(nèi)做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),因此大部分固體顆?；蛞旱蔚碾x心力能克服氣流的阻力,向旋風(fēng)分離區(qū)的壁面移動(dòng),并在外側(cè)向下氣流和自身重力作用下向旋風(fēng)分離器的底部匯集,最終經(jīng)旋風(fēng)分離器底部的排灰口或排液口排出。

圖3 旋風(fēng)分離工作原理

回到圖2,帶氣液分離器的冷凍除濕機(jī)包括制冷循環(huán)和空氣除濕兩個(gè)部分。其中制冷循環(huán)部分工作過(guò)程與常規(guī)家用冷凍除濕機(jī)一致?？諝獬凉癫糠钟衫鋬龀凉駲C(jī)蒸發(fā)器、氣液分離器、冷凝器、排水管、接水盤(pán)構(gòu)成?？諝鈴睦鋬龀凉駲C(jī)吸氣口進(jìn)入后,流經(jīng)蒸發(fā)器,空氣被冷卻溫度降低,空氣中的水蒸氣被冷卻,部分水蒸氣被進(jìn)一步冷凝并在蒸發(fā)器銅管和翅片上析出,由于蒸發(fā)器中風(fēng)速較大、空間狹窄,附著在銅管和翅片上的水珠一部分會(huì)被氣流吹散混入空氣中,并被空氣攜帶出蒸發(fā)器。攜帶小水滴的空氣進(jìn)入氣液分離器,小水滴被從空氣中分離出來(lái),分離水滴后的空氣從氣液分離器頂部的排氣管排出,分離出來(lái)的水滴則通過(guò)氣液分離器底部的排液口流入冷凍除濕機(jī)底部的接水盤(pán)。從氣液分離器頂部排出的空氣流入冷凝器,在冷凝器中吸熱升溫后,經(jīng)冷凍除濕機(jī)排氣口排入到室內(nèi)空氣中。而在蒸發(fā)器中凝結(jié)、并匯集到蒸發(fā)器底部的水,沿著排水管向下流入接水盤(pán)。

為匹配旋風(fēng)分離器進(jìn)出口截面,需減小換熱器迎風(fēng)截面積。但減小換熱器迎風(fēng)截面積會(huì)使換熱工況惡化,為保證換熱效果,換熱器沿著空氣流動(dòng)方向的尺寸需要相應(yīng)增加。

從圖2 中也可看出,采用單筒氣液分離器結(jié)構(gòu)的冷凍除濕機(jī),由于氣液分離器高度較大,導(dǎo)致冷凍除濕機(jī)整體尺寸偏大。為克服上述問(wèn)題,將單筒的氣液分離器改進(jìn)為雙筒的氣液分離器,如圖4 所示,經(jīng)計(jì)算和設(shè)計(jì),在保持蒸發(fā)器迎風(fēng)面積和風(fēng)速、旋風(fēng)分離器進(jìn)口風(fēng)速和總風(fēng)量不變的情況下,采用雙筒氣液分離器,氣液分離器的高度可減少約30%。并且雙筒氣液分離器的筒體直徑比單筒氣液分離器的筒體直徑小,在相同進(jìn)口風(fēng)速情況下,液滴具有更大的離心力,因此在一定范圍內(nèi)小直徑的旋風(fēng)分離器具有更強(qiáng)的氣液分離能力,但相應(yīng)的進(jìn)出口壓力損失會(huì)增加。后續(xù)如果需要進(jìn)一步縮小帶氣液分離器冷凍除濕機(jī)的尺寸,可考慮進(jìn)一步增加旋風(fēng)分離器的個(gè)數(shù)、減小旋風(fēng)分離器的尺寸,并優(yōu)化設(shè)計(jì)氣液分離器進(jìn)、出口流道及重新布局冷凍除濕機(jī)各部件的位置。

圖4 帶氣液分離結(jié)構(gòu)的冷凍除濕機(jī)結(jié)構(gòu)二

2 具有回?zé)峤Y(jié)構(gòu)的冷凍除濕機(jī)

由于普通的冷凍除濕機(jī)從蒸發(fā)器出來(lái)的低溫空氣一般直接排向溫度較高的冷凝器,用于吸收冷凝器中制冷劑的熱量,從能量損失的角度來(lái)看這種方式比較浪費(fèi)。如果能回收蒸發(fā)器出來(lái)的冷空氣的冷量,并將該部分冷量用于冷卻流入蒸發(fā)器的空氣,同時(shí)從空氣中引入一股濕空氣到冷凝器改善換熱,再加上適當(dāng)設(shè)置參數(shù),則可顯著提升冷凍除濕機(jī)的單位功率除濕量,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

一種具有回?zé)峤Y(jié)構(gòu)的冷凍除濕機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5 所示,其結(jié)構(gòu)由制冷循環(huán)、回?zé)嵫h(huán)、空氣除濕三部分組成。

圖5 帶回?zé)峤Y(jié)構(gòu)的冷凍除濕機(jī)結(jié)構(gòu)一

其中制冷循環(huán)部分工作過(guò)程與常規(guī)冷凍除濕機(jī)相同。

回?zé)嵫h(huán)部分由液泵、冷卻器、回?zé)崞?、回?zé)峁苈窐?gòu)成,內(nèi)部充注液相換熱工質(zhì)。由于換熱介質(zhì)在循環(huán)過(guò)程中保持單相、液態(tài),整個(gè)回?zé)嵫h(huán)回路高度差不大、換熱工質(zhì)密度差不大、換熱工質(zhì)流速較快,因此回?zé)嵫h(huán)回路的方向?qū)Q熱效果影響不大。液泵驅(qū)動(dòng)回?zé)嵫h(huán)中工質(zhì)流動(dòng),當(dāng)換熱工質(zhì)流過(guò)回?zé)崞鲿r(shí),換熱工質(zhì)被從蒸發(fā)器出來(lái)的空氣冷卻,換熱工質(zhì)放熱,溫度降低,當(dāng)換熱工質(zhì)流過(guò)冷卻器時(shí),換熱工質(zhì)被冷凍除濕機(jī)吸氣口流過(guò)來(lái)的空氣加熱,換熱工質(zhì)吸熱,溫度升高。

空氣除濕部分由冷卻器、蒸發(fā)器、回?zé)崞鳌饬魍ǖ?、冷凝器、排水管、接水箱、風(fēng)機(jī)構(gòu)成?？諝鈴睦鋬龀凉駲C(jī)吸氣口進(jìn)入后,先進(jìn)入冷卻器,在冷卻器中空氣被冷卻,空氣中的水蒸氣被預(yù)冷到接近飽和狀態(tài)。被預(yù)冷后的空氣從冷卻器出來(lái)后進(jìn)入蒸發(fā)器,空氣中的水蒸氣逐漸冷凝,并在蒸發(fā)器表面上析出,水滴滴落到蒸發(fā)器底部,然后沿著排水管流入接水箱。在蒸發(fā)器除濕后的低溫空氣進(jìn)入回?zé)崞鳌１换責(zé)崞骰厥绽淞亢蟮目諝鉁囟壬?如果還用這部分空氣去冷凝器換熱,冷凝器的工作狀況會(huì)惡化,為避免這種情況發(fā)生,在回?zé)崞髋c冷凝器之間增設(shè)一個(gè)三通氣流通道,從除濕機(jī)外引入一股空氣,匯合后流入冷凝器,最后經(jīng)風(fēng)扇、冷凍除濕機(jī)排氣口排回室內(nèi)。三通氣流通道室內(nèi)空氣進(jìn)口處可設(shè)置流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),用于調(diào)節(jié)和控制室內(nèi)空氣進(jìn)風(fēng)量大小。

如圖6 所示,為帶回?zé)峤Y(jié)構(gòu)的冷凍除濕機(jī)另一種形式,與圖5 所述帶回?zé)峤Y(jié)構(gòu)的冷凍除濕機(jī)結(jié)構(gòu)一的區(qū)別在于三通氣流通道的結(jié)構(gòu)和整機(jī)的布局稍有差異。帶回?zé)峤Y(jié)構(gòu)的冷凍除濕機(jī)結(jié)構(gòu)二中氣流通道主流道中心線(xiàn)是一根直線(xiàn),帶回?zé)峤Y(jié)構(gòu)的冷凍除濕機(jī)結(jié)構(gòu)一中主氣流通道中心線(xiàn)為夾角90°的圓弧。

圖6 帶回?zé)峤Y(jié)構(gòu)的冷凍除濕機(jī)結(jié)構(gòu)二

3 結(jié)論

本文對(duì)家用冷凍除濕機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究,設(shè)計(jì)了兩種具有氣液分離結(jié)構(gòu)、兩種具有回?zé)峤Y(jié)構(gòu)的新型家用冷凍除濕機(jī)的結(jié)構(gòu),具體結(jié)論如下：

3.1 利用旋風(fēng)分離的原理,設(shè)計(jì)了兩種新型的帶氣液分離結(jié)構(gòu)的家用冷凍除濕機(jī),通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),由于氣液分離器進(jìn)口尺寸的限制,為保證換熱效果,在設(shè)計(jì)過(guò)程中需增加蒸發(fā)器和冷凝器沿氣流方向的尺寸,另外可通過(guò)增加氣液分離器個(gè)數(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)氣液分離器進(jìn)、出口流道結(jié)構(gòu)的方式減小帶氣液分離結(jié)構(gòu)冷凍除濕機(jī)的尺寸。

3.2 通過(guò)增加回?zé)嵫h(huán),設(shè)計(jì)了兩種新型的帶回?zé)峤Y(jié)構(gòu)的家用冷凍除濕機(jī),通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),回?zé)嵫h(huán)的方向?qū)責(zé)嵊绊懖淮?同時(shí)為改善因回?zé)嵫h(huán)導(dǎo)致冷凝器工作狀況惡化,增設(shè)了一個(gè)三通氣流通道,引入冷凍除濕機(jī)外的空氣對(duì)冷凝器換熱進(jìn)行改善。

3.3 在后續(xù)開(kāi)發(fā)中,新型的家用冷凍除濕機(jī)可同時(shí)采用具有氣液分離結(jié)構(gòu)和回?zé)峤Y(jié)構(gòu),二者不沖突。由于樣機(jī)制作和測(cè)試還未完成,還需要一個(gè)較長(zhǎng)過(guò)程來(lái)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化工作。