除湿机在消失模白模烘房中的应用研究

杨喜刚

（苏州江南意造建筑设计有限公司，江苏 苏州 215000）

0 引言

消失模生产在国内的使用越来越广，采用发泡塑料做成与产品相同的白色模型，通常称为白模。由于白模生产过程中要使用冷却水进行冷却，因此生产出来的白模含有大量水份，需要将水份进行烘干处理，白模外涂刷耐火涂料后，也进行烘干处理，去除其中的水分，然后将白模埋在干石英砂中，通过振实台进行振动造型，在一定条件下浇注液体金属。在浇注过程中，发泡白模被融化而消失，对其消失的部分填充金属液体，金属液体冷却后，就变成了与白模相同的铸件产品。白模质量的好坏对最终产品的质量影响达80%。白模的烘干是白模生产过程中的关键环节，如何使烘干过程快速高效且保证质量，是消失模生产厂家特别关心的一个工艺过程。目前常用的烘干房加热方式有蒸汽加热及电加热方式。在烘干的过程中，白模中的水分会随着烘房温度的提升而快速蒸发，烘房中就会产生大量水蒸气。水蒸气的存在，使烘房内的温度不能快速上升，会造成加热能量的增加，烘干时间变长。因此如何快速除去烘房内的水蒸气，减少烘干过程中使用的能耗，是烘房设计中需要考虑的一个重要内容。目前常用的除湿方法主要有升温通风除湿、冷冻除湿、固体吸附除湿、液体吸附除湿、膜法除湿以及联合式除湿等。

1 冷冻除湿原理

冷冻除湿是最早利用的一种除湿方式，空气中的水蒸气分压力随温度变化而变化，利用冷源将空气温度降低到露点温度，使水蒸气凝结为水，降低空气中的绝对湿度，空气就实现了除湿过程。冷源可以采用天然冷源，也可以采用人工冷源。采用冷冻机作为人工冷源的冷冻除湿是目前使用最广泛的除湿方式。冷冻除湿机是由制冷系统及送风系统组成的除湿设备。制冷系统采用逆卡诺循环原理进行制冷，由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等组成。其工作原理为，压缩机将制冷剂气体进行压缩，变成高温高压的气体，然后通过冷凝器铜管后，在冷凝器翅片的冷却作用下，变成高压低温的气体，再通过膨胀阀膨胀，将高压低温气体变成低温低压液体后进入蒸发器。制冷剂液体在蒸发器铜管内进行蒸发，由蒸发器翅片吸收周围空气的热量，制冷剂又变成了低压气体进入压缩机，如此往复循环。

送风系统包括风机、蒸发器、冷凝器及风管。其工作原理为湿空气由风机通过风管吸入，先经过蒸发器换热翅片，湿空气温度由蒸发器铜管内的制冷剂蒸发吸收热量，空气温度降低到露点温度，析出其中的水蒸气，降温后的空气再通过冷凝器换热翅片，吸收冷凝器铜管内制冷剂的热量，使空气温度重新升高，同时对冷凝器铜管内的制冷剂进行降温冷却。干燥升温后的空气，通过风管重新进入烘房内进行循环。其工作原理如图1所示。

图1 冷冻除湿机工作原理图

这个除湿过程的焓湿变化如图2所示，点空气为烘房内的空气状态，通过除湿机蒸发器后，其温度降低至露点温度，到达状态点，析出-的水分，再通过冷凝器后，其温度升高到点。经过除湿机后得到的是温度高，但含湿量低的空气正好符合我们烘房的要求。因此除湿机的应用不但降低了烘房内空气中的湿度，同时还可以加热空气，一举两得。

图2 冷冻除湿过程焓湿图

2 烘房设计计算

传统的白模烘房设计模式大都采用电加热或者蒸汽加热方式来去除白模内的水分，其设计原理是以加热方式来使被干燥物品内的水汽蒸发，然后向外排除水汽。其设计要点是如何使热风均匀分布在烘房内，如何方便烘房的搭建等，但都没有提供快速除湿的方法。文献[8]提出了采用冷冻除湿机的除湿能有效提高白模干燥的生产效率。

无锡某合金材料公司是一家消失模铸造企业，目前公司内的白模烘房为一间16 m×8 m的烘房，中间没有隔断。原来的烘干模式是，当有产品需要烘干时，将物料小车推进烘房，开启烘房加热模式，在大部分时间其烘房面积利用率较低。同时，由于需要频繁进出烘房，因此造成烘房内热量损失，单位产能能耗高。烘房采用的是蒸汽盘管直接加热烘干模式，没有风机进行热风循环，完全靠盘管的辐射加热，加热时间长；烘房内温度不均，导致白模烘干速率不一致，对产品质量产生很大影响；烘房内没有除湿设备，完全靠门缝间隙进行水蒸气的排除，烘房内长期处于高湿状态，烘干时间长，生产效率低，通常需要24 h烘干一批物料。目前计划扩大产能，从年产量6000 t提升到10000 t，原来烘房的生产效率已经不能满足生产产能的需求，需要对原有烘房进行改造。

烘房区域共长16 m，宽8 m，安装高度为3 m，为了节省能源，当产能较低时，只需要一半的烘房空间，因此将整个烘房区域设计为2间，中间用隔热板材进行分隔。每间烘房尺寸为8 m×8 m×3 m。每间烘房独立使用一套除湿机，一套蒸汽加热设备，方便2间烘房的独立操作。由于除湿及加热都需要循环风来对烘房内空气进行处理，设计时将2套循环风系统合在一起，采用一套循环风系统。根据现场提供的数据及对烘房的要求进行了如下的设计计算。

按目前烘干产能需求最多的炉条白模计算，根据现场实际称重，85pcs的湿炉条白模质量为2150 g，烘干后的质量为1555 g，含水量为595 g，每片白模含水量如公式（1）所示。

烘干后的每片白模质量如公式（2）所示。

目前每天产量为浇注80炉，每炉需要85片炉条，每天共需要6800片炉条，扩产后产能按160炉计算，共需要13600片炉条。烘房内可以放置16辆小车，每辆小车有14层，每层可以放置28片炉条，每车有炉条14×28=392片,烘房内一共可以同时烘干396×16=6272片炉条，改造后要求每次烘干时间控制在3 h内。

设计计算如下。

白模总含水量为62727g=43904g≈44kg，考虑浇冒口等其他需要一起烘干的物品，以及进入烘房的小车上会带有水分，其含水量按总量的10%计，实际含水量为441.1=48.4 kg。

所需要的除湿机的处理能力为48.43=16.1kg/h=16.1L/h，考虑到除湿机运行工况与理论工况的差异，对除湿机增加一定余量，选取20L/h的除湿机。

白模质量为627218.3g=114777.6g≈115kg，加上10%的浇冒口等其他物料质量，实际质量为115kg1.1=126.5kg。

所需热量计算，按冬天最不利情况，室内环境温度15 ℃计，烘房设计温度55 ℃，温差为Δ=55-15=40℃。

加热房间内空气所需要的热量：由于门缝漏风及排湿风机在开始运行时的运转，3 h按换气10 次计算，烘房内需要加热的空气体积为=（883）10=1920m，空气比热容取=1.01 kJ/（kg·℃），空气密度取ρ=1.2 kg/m，如公式（3）所示。

加热小车所需热量：小车16 辆，按30 kg/辆计算，钢材比热容=0.46 kJ/（kg·℃），如公式（4）所示。

加热水及水分蒸发所需要的汽化潜热：55 ℃时的汽化潜热约为=2400 kJ/kg，水的比热容为=4.18 kJ/（kg·℃），如公式（5）所示。

加热白模炉条所需要的热量，白模比热容=1.3 kJ/（kg·℃），如公式（6）所示。

加热室内物品总的所需热量为，如公式（7）所示。

考虑墙体及地面传热，按上述热量的20%计算，所需总热量如公式（8）所示。

所需加热功率为

取30 kW的加热器。

3 烘房设计方案

烘房采用夹芯岩棉板作为墙体板与屋面板，风管采用镀锌钢板外包保温材料，安装在烘房屋面板上部，循环风系统采用下出上回的气流组织形式，从蒸汽加热器出来的主风管从房顶上分成三根支管下来，在每根支管上安装有上、中、下3个出风口，每个出风口都有手动调节阀及导风百叶，这样可以对每个风口的风量及风向进行调整，保证烘房内温度的均匀。在出风口对面的屋顶上开4个回风口，并将其会合到回风管进入除湿机。经过除湿机除湿后，从除湿机出风口再连接到蒸汽盘管的进风口，使空气得到加热，形成循环风系统。其方案如图3所示。

图3 烘房设计方案图

烘房内设置多个温度传感器来检测烘房内温度的均匀性。加热器采用蒸汽盘管，除湿机采用管道式高温除湿机，循环风机与除湿风机合用一台风机。当烘房开启时，循环风机就启动并持续运行到烘房运行结束。蒸汽管道采用无缝钢管，蒸汽阀门采用模拟量调节的自动控制阀门，控制系统采用西门子PLC，利用PID算法调节阀门开度。当烘房初始运行时，为了防止系统温度上升缓慢及温度波动大，将蒸汽阀门开度设定在一个相对中间的位置。当烘房内温度达到一定数值后，根据设定温度与烘房内实际温度的差，按设定的PID值来调节蒸汽阀门的开度，以使烘房内温度保持在一个稳定的范围内。

烘房使用的是耐55 ℃的高温管道式除湿机，但由于除湿机的压缩机内置在除湿机整个机箱内，考虑夏季运行工况，车间内温度高，因此除湿机机箱内的热量比较难散发到周围空气中。同时由于机箱内有高温空气经过，会进一步提升机箱内的温度，因此会造成压缩机过热保护，除湿机停止工作，起不到除湿效果。针对夏季运行工况的不利条件，将除湿机压缩机移到机箱外部，使压缩机直接与空气接触，压缩机的温度可以直接散发至空气中，避免由于压缩机过热而造成除湿机停止运行。通过压缩机外置改造，消除了夏天压缩机过热保护造成的停机隐患。

烘房刚开始启动时，由于物料含湿量大，在蒸汽盘管加热作用下，物料内水分快速蒸发，烘房内空气很容易达到饱和状态，减缓了物料内水份的进一步蒸发。同时，水分汽化吸收大量热量，使烘房内空气温度提升速度慢，烘干效率降低。为了避免此种情况发生，在循环风管道系统上增加了一个电动控制阀及一台排湿风机。在设备刚启动时，检测到烘房内湿度达到一定数值后，打开电动控制阀，开启排湿风机，使室内的湿气快速排到室外。当湿度满足一定条件或者运行一定时间后，关闭电动阀门及排湿风机，减少外部空气的补充，以节约蒸汽加热量。其控制系统如图4所示。

图4 控制系统图

4 结语

管道除湿机在烘房内的应用，可同时对烘房进行隔断，使原来的1间大烘房分隔成了2间小烘房，烘干时间从原来的24 h缩短至3 h，不但减少了单位产能的能耗，同时也有效提高了烘房烘干效率，在不增加烘房面积的情况下，为产能的提升打下了基础。在选择除湿机时，需要考虑除湿机的适用范围。常规的除湿机工作温度一般在5 ℃~38 ℃，而烘房生产工艺通常要求运行在55 ℃，常规除湿机不能满足生产要求，因此需要选择耐高温除湿机，其使用温度为38 ℃~55 ℃。为了避免夏天工况除湿机压缩机过热情况的发生，将除湿机压缩机移到机箱外部，使压缩机有一个良好的降温空间，改造过后的除湿机能更好地满足夏天工况的使用要求。