新型家用冷冻除湿机研究设计

2022-06-24满林香

科学技术创新 2022年18期

满林香

（北海职业学院机电工程系,广西北海 536000）

现有家用冷冻除湿机机械部分主要由压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器构成[1-3],除湿过程基于蒸汽压缩式制冷循环,其工作原理如图1 所示。由压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器构成的制冷循环为空气冷却提供条件,当空气流过蒸发器时,空气被冷却,空气中的水蒸气达到其分压所对应的饱和温度后会逐渐冷凝为液态,并以水珠的形式在蒸发器表面析出,从而实现除湿。其特点是结构简单、紧凑,但整体技术含量不高,节能方面还有提升空间。

图1 家用冷冻除湿机工作原理图

为响应国家碳达峰碳中和号召,提升家用冷冻除湿机的性能,本文基于现有家用冷冻除湿机的结构,设计了具有气液分离结构和具有回热结构的两类新型家用冷冻除湿机。

1 具有气液分离结构的冷冻除湿机

一种带气液分离结构的冷冻除湿机的结构如图2 所示,其结构由压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器、单筒气液分离器组成。本文所介绍的带气液分离结构的冷冻除湿机与常规家用冷冻除湿机的主要区别是,在蒸发器和冷凝器之间的空气流道中增设了一个气液分离器,用于分离从蒸发器出来的空气中携带的小水滴。

图2 带气液分离结构的冷冻除湿机结构一

本文所述的气液分离器本质上是一种旋风分离器,并在其基础上对分离器进、出口做了一定的过渡曲面处理。旋风分离器是一种简单、高效的分离装置,常用于气固、气液分离,压力损失较小,其工作原理如图3 所示[4-8]。旋风分离器的分离区由圆柱段和圆锥段构成,携带固体或液体的气体从旋风分离器入口进入旋风分离器后,沿着旋风分离器壁面在分离区外侧做向下做旋转运动,分离区外侧的气流在向下运动过程中,其中一部分气流通过内外上、下气流之间的分界面汇入内侧向上气流,当分离区外侧气流到达分离区底部后,沿着分离区内侧向上做旋转运动,与分离区外侧通过内外上、下气流之间的分界面流入分离区内侧的气流汇合后从旋风分离器出口排出。由于携带固体颗粒或液滴的气流在旋风分离区内做高速旋转运动,因此大部分固体颗粒或液滴的离心力能克服气流的阻力,向旋风分离区的壁面移动,并在外侧向下气流和自身重力作用下向旋风分离器的底部汇集,最终经旋风分离器底部的排灰口或排液口排出。

图3 旋风分离工作原理

回到图2,带气液分离器的冷冻除湿机包括制冷循环和空气除湿两个部分。其中制冷循环部分工作过程与常规家用冷冻除湿机一致。空气除湿部分由冷冻除湿机蒸发器、气液分离器、冷凝器、排水管、接水盘构成。空气从冷冻除湿机吸气口进入后,流经蒸发器,空气被冷却温度降低,空气中的水蒸气被冷却,部分水蒸气被进一步冷凝并在蒸发器铜管和翅片上析出,由于蒸发器中风速较大、空间狭窄,附着在铜管和翅片上的水珠一部分会被气流吹散混入空气中,并被空气携带出蒸发器。携带小水滴的空气进入气液分离器,小水滴被从空气中分离出来,分离水滴后的空气从气液分离器顶部的排气管排出,分离出来的水滴则通过气液分离器底部的排液口流入冷冻除湿机底部的接水盘。从气液分离器顶部排出的空气流入冷凝器,在冷凝器中吸热升温后,经冷冻除湿机排气口排入到室内空气中。而在蒸发器中凝结、并汇集到蒸发器底部的水,沿着排水管向下流入接水盘。

为匹配旋风分离器进出口截面,需减小换热器迎风截面积。但减小换热器迎风截面积会使换热工况恶化,为保证换热效果,换热器沿着空气流动方向的尺寸需要相应增加。

从图2 中也可看出,采用单筒气液分离器结构的冷冻除湿机,由于气液分离器高度较大,导致冷冻除湿机整体尺寸偏大。为克服上述问题,将单筒的气液分离器改进为双筒的气液分离器,如图4 所示,经计算和设计,在保持蒸发器迎风面积和风速、旋风分离器进口风速和总风量不变的情况下,采用双筒气液分离器,气液分离器的高度可减少约30%。并且双筒气液分离器的筒体直径比单筒气液分离器的筒体直径小,在相同进口风速情况下,液滴具有更大的离心力,因此在一定范围内小直径的旋风分离器具有更强的气液分离能力,但相应的进出口压力损失会增加。后续如果需要进一步缩小带气液分离器冷冻除湿机的尺寸,可考虑进一步增加旋风分离器的个数、减小旋风分离器的尺寸,并优化设计气液分离器进、出口流道及重新布局冷冻除湿机各部件的位置。

图4 带气液分离结构的冷冻除湿机结构二

2 具有回热结构的冷冻除湿机

由于普通的冷冻除湿机从蒸发器出来的低温空气一般直接排向温度较高的冷凝器,用于吸收冷凝器中制冷剂的热量,从能量损失的角度来看这种方式比较浪费。如果能回收蒸发器出来的冷空气的冷量,并将该部分冷量用于冷却流入蒸发器的空气,同时从空气中引入一股湿空气到冷凝器改善换热,再加上适当设置参数,则可显著提升冷冻除湿机的单位功率除湿量,从而实现节能。

一种具有回热结构的冷冻除湿机的结构如图5 所示,其结构由制冷循环、回热循环、空气除湿三部分组成。

图5 带回热结构的冷冻除湿机结构一

其中制冷循环部分工作过程与常规冷冻除湿机相同。

回热循环部分由液泵、冷却器、回热器、回热管路构成,内部充注液相换热工质。由于换热介质在循环过程中保持单相、液态,整个回热循环回路高度差不大、换热工质密度差不大、换热工质流速较快,因此回热循环回路的方向对换热效果影响不大。液泵驱动回热循环中工质流动,当换热工质流过回热器时,换热工质被从蒸发器出来的空气冷却,换热工质放热,温度降低,当换热工质流过冷却器时,换热工质被冷冻除湿机吸气口流过来的空气加热,换热工质吸热,温度升高。

空气除湿部分由冷却器、蒸发器、回热器、气流通道、冷凝器、排水管、接水箱、风机构成。空气从冷冻除湿机吸气口进入后,先进入冷却器,在冷却器中空气被冷却,空气中的水蒸气被预冷到接近饱和状态。被预冷后的空气从冷却器出来后进入蒸发器,空气中的水蒸气逐渐冷凝,并在蒸发器表面上析出,水滴滴落到蒸发器底部,然后沿着排水管流入接水箱。在蒸发器除湿后的低温空气进入回热器。被回热器回收冷量后的空气温度升高,如果还用这部分空气去冷凝器换热,冷凝器的工作状况会恶化,为避免这种情况发生,在回热器与冷凝器之间增设一个三通气流通道,从除湿机外引入一股空气,汇合后流入冷凝器,最后经风扇、冷冻除湿机排气口排回室内。三通气流通道室内空气进口处可设置流量调节机构,用于调节和控制室内空气进风量大小。

如图6 所示,为带回热结构的冷冻除湿机另一种形式,与图5 所述带回热结构的冷冻除湿机结构一的区别在于三通气流通道的结构和整机的布局稍有差异。带回热结构的冷冻除湿机结构二中气流通道主流道中心线是一根直线,带回热结构的冷冻除湿机结构一中主气流通道中心线为夹角90°的圆弧。