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优秀资料 kgh 除湿机 设计 优秀 资料

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2 0 0 6 年第 3 4 卷第 4 期 流体机械 7 l 文章编号： l 0 0 5 0 3 2 9 ( 2 0 0 6 ) 0 4 O 0 r 7 l 0 4 空气循环制冷与除湿装置研究 刘宝霞 。 徐让书 ( 沈阳航空工业学院， 辽宁沈阳1 1 0 0 3 4 ) 摘要： 为满足某特种电子设备强制通风冷却的要求， 提出了一种空气循环制冷与除湿方案， 进行 了热力分析、 计算、 装置试制和试验， 结果证明： 计算正确， 结构布置合理， 各部件性能参数匹配， 方案可行。 关键词： 空气循环制冷； 除湿； 温度 ； 压力 中图分类号i T B 6 5 7 文献标识码： A R e s e a r c h O i l t h e u i p me n t o f A i r C y c l e R e f r i g e r a ti o n a n d D e h u mi d e fi c a l l o n L I U B a o - x i a ，X U R a n g - s h u ( S h e n y a n g I n s t i t u t e o f A e r o n a u t i c a l E n g i n e e r i n g ， S h e n y a n g 1 1 0 0 34，C h i n a ) Al er t SA n a i r c y c l e r e f r i g e r a t i o n a n d d e h u mi d i fi c a t i o n e q u i p me n t h a s b e e n d e s i g n e d t o f u l fi l t h e n e e d o f a e r a t i o n c 0 0 o f a n e l e c t r o n f a c i l i t yI t sthe r m o d y n a mi c s c a p a b i l i t y h a s b e e n a n a l y s e d a n d p a r a me t e r s h a v e b e e n c a l c u l a t e dT h e e q u i p me n t i sp r o d u c ed a n d the f e a s i b i l i ty is t est i fi ed Th e r e s u l t s s h o w t h a t the c a l c u l a t ed p a r a me t e a n d the s t r u c t u r e a r r a n g e me n t o r e c o r r e c t ，and t h e p e r f o r - ma n c es o f the comp o n e n ts o r e ma t c l i n g Ke y wo r d s ： a ir c y c l e ref r i g e r a t i o n ；d e h u mi d i fi c a t i o n；t e mp e r a t u r e ；p r e s s u r e 符 号 卜温度 ， K P 压 力 。 k P a d 空气含湿量， g l 【 g 饱和含湿量， g k g 一冷凝水量， g l 【 g 丌 压缩机、 压气机压缩比 涡轮膨胀比 仉压缩机、 压气机绝热效率 涡轮绝热效率 珈换热器换热效率 水蒸气饱和分压力 ， k P a 换热器 、 冷凝器压降 ， k P a 尸 一水分离器压降， k P a 通风管道压降， k P a 一水分离器分水效率 通风管道隔热效率 等熵指数 ， =1 4 空气质量热容 ， k J ( k g K ) ， =l k j ( 1 【 g K) 收稿 日期 ： 2 0 0 5 一l O l 7 修稿 日期 ： 2 0 0 5 一l 2 2 2 C 水蒸气质量热容， k J ( 1 【 g K ) ， =1 8 4 10 ( 1 【 g ) C 液态水质量热容， k J ( 1 【 g K) ， c 舢= 4 1 9 10 ( 1 【 g o C) r水的凝结潜热， U k g ， r =2 5 0 0 k J k g q 空气质量流量， k g s |Il 热焓 ， U k g Q 1 0 空气在电子设备箱内吸收的热量 ， I O s Q 厂两次分水带走的热量， I O s 压缩空气输入的能量 ， I O s 1 前言 空气制冷机是以空气 为工质 ， 利用压缩空气 在膨胀机中等熵膨胀并对外界作功， 从而获得低 温气流来制取冷量 ， 实现人工制冷的机器 - l J 。与 在蒸气制冷设备 中， 利用液态工质在不同压力下 相变实现制冷的原理完全不 同， 它是基于压缩空 气的节流效应来实现制冷的。与蒸气制冷设备相 维普资讯 7 2 F L UI D MAC HI NE R Y Vo 1 3 4， N o 4， 2 0 0 6 比， 具有以下优点【 2 J ： ( 1 ) 设备体积小、 重量轻、 结构简单， 气密性要 求低， 制造、 运行和维护成本低； ( 2 ) 对有除湿要求 的场合 ， 易于实现水气 的分 离。在潮湿的环境下 ， 空气膨胀降温后 ， 如果温度 低于露点温度 ， 就会产生凝结水 ， 温度越低 ， 凝结 水量就会越多 ； ( 3 ) 对环境无污染 ， 不存在制冷剂 的购买、 运 输 、 保存等工作以及 由此引发的一系列问题 。 针对某特种电子设备强制通风冷却和除湿的 要求 ， 采用空气制冷的基本原理 ， 提出了一种开式 升压式空气循 环制冷与除湿 的设计方案 ， 并对该 方案进行了理论分析 、 主要参数 的计算 以及装置 的试制和试验验证。 2 试验装置及工作过程 空气循环制冷与除湿装置的主要部件为空气 压缩机 、 升压式膨胀机 、 空气换热器( 两级 ) 、 水分 离器( 两级 ) 、 冷凝器和通风管道等 ， 工作过程包括 制冷过程、 增压换热过程和除湿过程。工作流程 如图 l 所示 。 -g 6 1 5 酸 l 膨 4 l 二 级 水 分 离 器 百 T - 一 圆 电子设备1 0 I 大 气 图 1 工作 流程，下意 2 1 制冷过 程 空气循环制冷是基于压缩空气 的节 流效应 ， 在升压式膨胀机 内完成 的。升压式膨胀机由膨胀 部分 、 负载部分和联接机构组成。如图 1 所示 ， 膨 胀部分采用径 流式 向心涡轮 ， 负载部分采用离心 式压气机。空气进入涡轮膨胀降温时对外作功， 内能减少， 与涡轮 同轴的压气机将吸收这部分膨 胀功而成为负载。升压式膨胀机的特点是流经压 气机和涡轮的是同一股气流 ， 因而利用压气机来 升高进入涡轮前的空气压力 ， 可以提高 系统 的性 能系数。 2 2增压 换热 过程 系统的制冷效果取决于膨胀机 的膨胀 比， 即 涡轮前后的压差 ， 膨胀 比越大 ， 制冷效果越好 。为 实现增压采用全无 油活塞式空气压缩机作气源 ， 由电动机驱动。空气压缩机将环境空气吸入压缩 后 ， 排入一级换热器换热降温( 点 1 ) ； 然后空气进 入升压式膨胀机的压气机进行第二次增压 ， 增压 后再进入二级换热器换热降温。一 、 二级换热器 的冷边采用轴流风机吸收外界大气实现热交换。 2 3除 湿过程 为实现系统除湿 ， 装置设有两级机械式水分 离器 ， 一级设在涡轮的入 口， 另一级设在冷凝器的 冷边出口， 进入冷凝器热边的空气经冷边冷却后 ， 降至露点温度以下， 由一级水分离器分水， 然后进 入涡轮膨胀降温， 降温后的低温空气经冷凝器冷 边进入二级水分离器 ， 除湿后经通风管道进入电 子设备箱吸热后排人大气 。 传统的除湿方式是在涡轮出口处设置水分离 器进行除湿， 但是由于涡轮的高速旋转， 冷凝水随 空气一 同被旋转 成细小 的雾状颗粒 ， 很难进行分 离。另外， 一旦涡轮温度降至零下， 就会结冰， 堵 塞管道 ， 使涡轮无法正常运转 3。因此 ， 将一级水 分离器设置在涡轮入 口， 然后 在除湿前设置冷凝 器， 用涡轮出口的冷空气来降低其入 口空气的温 度， 使其降至露点温度以下， 此时冷凝水的水珠较 大 ， 易于分离 ， 涡轮入 口温度越低 ， 凝结的水就越 多， 除湿效率就越高， 同时也可以解决涡轮出口冷 凝水结冰堵塞管道 的问题。 3 热力分析与计算 给定参数 ： =3 0 3 K， Po= l Ol 3k Pa， do=2 6 g k g， 7 r y l=0 8， 7 r v 2=1 6， l：0 8， 2=0 7， =0 7 5， 珊 l=0 8， =0 7 5， ,S a O Ul =2 0 k Pa ， P 2= l Ok P a， P 3=2 0k Pa ， 尸 门=3 0 k P a ， A P ， 2 =2 k P a ， 尸 c =3 k P a ， 伽 =0 9 ， =0 7 ， =0 9 8 ， q ：0 2 k g s 系统出口参数要求 ： T o P 2 P 1 ) 3 1 1 温度和压力的变化 ( 1 ) 状态点 1 ： P l = l y I P o ( 1 ) T l =t o 1 +( 丌 一1 ) rb 1 ( 2 ) ( 2 ) 状 态点 2 ： P 2 =Pl A P x l ( 3 ) T 2 =T l 一珊l ( l 一 ) ( 4 ) ( 3 ) 状态点 3 ： P 3 = t 2 P 2 ( 5 ) =7 2 1 + ( 璀 一 1 ) rb 2 ( 6 ) ( 4 ) 状态点 4 ： P 4 =P 3 一A P u 2 ( 7 ) T 4 = 一 ( T 3 一 ) ( 8 ) ( 5 ) 状态点 5 ： P s =P 4 一A P u 3 ( 9 ) 只有 低于该点露点温度 ， 才能使空气中的 水凝结， 理想的状态是饱和含湿量为零 。设此 时空气 中有 9 0 的水凝结 ， 则 以5 =d o ( 1 9 0 ) ( 1 O ) 又 0 6 2 2 ( 1 1 ) 由式( 1 0 ) ， ( 1 1 ) 可求出 P 6 5 。 查空气饱和状态参数表得 t ， 即 T5= t s+2 7 3 ( 6 ) 状态点 6 ： P 6 =P s 一P n ( 1 2 ) = ( 7 ) 状态点 7 ： P 7 =P l 0 +AP u 3 + + P G ( 1 3 ) t =P 6 P 7 ( 1 4 ) = 1 一 ( 1 一丌 ( k - 1 ) k ) ( 1 5 ) ( 8 ) 状 态点 8 ： P 8 =P 7 一A P u 3 ( 1 6 ) 冷凝器 热边放 出的热量 等于冷边 吸收 的热 量 ， 即 ( n T 5 ) = ( 一 ) ( 1 7 ) 所 以T 8 =T 4 一 +乃 ( 1 8 ) ( 9 ) 状态点 9 ： P 9 =P s AP f z ( 1 9 ) 7 9= r 8 ( 1 o ) 状态点 1 0 ： P l o =P 9 一 ) G ( 2 0 ) T l o =1 9 r i o( 2 1 ) 上述算式忽略了管道的压降和热损失， 与实 际过程稍有区别 ， 从温熵 图上看 ， 实际循环按 0 1 一2 一3 一4 一5 一6 ， 一7 一8 一9 ， 一1 0 一0的 过程进行， 实际温降为 。 3 1 2 含湿量和内能的变化 ( 1 ) 状态点 5 ： 和 乃 是 在假设 的状 态下计算 的， 以此 为 依据来设计冷凝器 ， 其换热效率 ： 伽 =( 一 ) ( 一 ) ( 2 2 ) 但由于气流 的快速流动 ， 短时间内水蒸气 不 可能全部凝结成液态 的水 ， 设凝结效率 =0 8 ， 则去除的冷凝水为 ： =( d o 一以5 ) ( 2 3 ) d s =d o d ， 5 ( 2 4 ) 去除的水带走的热量 ： A h s = ( r + 5 ) 一 5 ( 2 5 ) 式中前一项为水蒸气凝结放 出的热量， 后一 项为液态水的显热 。 ( 2 ) 状态点 8 ： 由 t 8 =T 8 2 7 3 ， 查 空气饱 和状 态参数 表得 P 6 8 ， 由 以8 = 0 6 2 2 P 6 8 ( P 8 一P 6 8 ) 求得 8 ， 同理可 得 ： =( 出 一 8 ) ( 2 6 ) d 8 =d , 8 +( d 5 一d 8 ) ( 1 一 2 ) ( 2 7 ) 3 h 8 = ( r + 8 ) 一略 8 ( 2 8 ) ( 3 ) 状态点 1 0 ： d lo =d o 一如 一咖 ( 2 9 ) 由 t l o =T l o 一2 7 3 ， 查空气饱 和状态参数表得 P 6 l o ， 由 以l o = 0 6 2 2 P 6 l o ( P l o P b l o ) 求得 以l o 。 3 2 参数计算 维普资讯 7 4 F I J U卫 D MACH ERY Vo 1 3 4， No 4， 2 0 0 6 将给定参数代入上述各式中， 分别计算出每 个状态点的温度 、 压力 、 含湿量 ， 计算结果见表 1 。 表 1 主要参数计算结果与试验数据对照表 温度 压力 P 含湿量 d 状态点 ( K) ( k P a ) ( g k g ) 计算值 测试值 计算值 测试值 计算值 测试值 0 3 0 3 3 0 3 1 0 1 1 0 1 2 6 2 6 1 4 4 3 44 9 3 0 o 3 1 0 2 6 2 6 2 3 3 1 3 3 3 2 8 0 2 9 0 2 6 2 6 3 3 9 9 4 0 8 4 4 8 4 5 0 2 6 2 6 4 3 2 7 3 3 3 4 3 8 4 4 0 2 6 2 6 5 2 9 1 2 c l5 4 1 8 4 2 o 9 1 9 6 2 9 l 2 9 4 3 0 8 3 1 0 9 1 9 7 2 4 7 2 4 8 1 4 0 1 4 0 9 1 9 8 2 8 3 2 8 0 1 3 5 1 3 5 6 7 5 9 9 2 8 3 2 8 0 1 3 3 1 3 3 6 7 5 9 l 0 2 8 9 2 8 8 l 3 0 l 3 0 6 7 5 9 依据上述计算结果， 可计算出系统的经济指 标， 计算结果如表2 所示。 ( 1 ) 相对湿度 l 0 =d l o d ( 3 0 ) ( 2 ) 除湿效率 =( 勘o + ) a o ( 3 1 ) ( 3 ) 性能系数 ： C O P=( ql o +q ) w , ( 3 2 ) q l o =g c p ( 一T l o ) ( 3 3 ) Q =口 ( 5 一 8 ) ( 3 4 ) =g c p ( l T o ) ( 3 5 ) 4 试验数据 试验采用交流电机带动空气压缩机运转 ， 出 口接流量计， 控制涡轮压力至给定值。采用综合 测试 台进行数据采集 、 显示与控制。测试的温度 、 压力和含湿量数据见表 1 。 实际性能系数 C O P 按出口空气 l h吸收的热 量 Q 1 0 加实际分出的水带走的热量 之和， 再与 电机消耗的电能 之 比来计算 ， 即 C O P =( Q o + ) we ( 3 6 ) 经济指标测试结果见表 2 。 表 2 经济指标计算结果与试验数据对照表 主要经济指标 计算值 试验值 出口空气相对湿度 l0 ( ) 7 6 7 4 除湿效率 ( ) 7 4 7 7 性能系数 C O P 0 4 0 4 1 5 结语 ( 1 ) 试验数据与设计计算结果基本相符， 各部 件性能参数匹配 ， 整个系统运行稳定 ； ( 2 ) 试验除湿效率高于计算值， 说明状态点 5 的假设成立； 出口的空气干燥， 且仍有一定的吸湿 能力 ； ( 3 ) 系统布局既能满足除湿要求 ， 又可以提高 涡轮工作的可靠性 ； ( 4 ) 性 能系数 受 l 、 2 、 7 t 和 的影 响较 大。 参考文献： 1 刘卫华， 郭宪民， 黄虎 制冷空调新技术及进展 M 北京： 机械工业出版社， 2 O O 5 1 0 3 1 1 4 2 姜守忠， 匡奕珍 制冷原理 M 北京： 中国商业出版 社， 1 9 9 9 2 5 7 - 2 7 1 3 寿荣中， 何慧姗 飞行器环境控制 M 北京 ： 北京航 空航天大学出版社 ， 2 0 O 4 1 4 3 1 7 2 4 尉迟斌 ， 卢士勋， 周祖毅， 等 实用制冷与空调工程手 册 M 北京： 北京机械工业出版社， 2 O O 2 9 0 - 9 7 作者 简介 ： 刘宝霞 ( 1 9 6 6 ) ， 女 ， 高 级工程 师 ， 通讯地址 ： 1 1 0 0 3 4 辽 宁沈 阳市皇姑 区黄河北大街 5 2 号沈 阳航空工业学院 。 ( 上接 第 7 8页) 3 F_ _,d e la M， K o j i mH D e v e l o p m e n t o f a n e w g a s a b s o r p t i o n c h i l l e r h e a t e r - a d v a n c e d u t i l i z a ti o n o f wa s t e h e a t fi x m g a s - d r i v e n c o - g e n e r a ti o n s y s t e m s f o r a ir - c o n d i ti o n i n g J E n - e r g y C o n v e r s i o n a n d Ma n a g e m e n t ，2 O O 2 ， 4 3 ( 9 ) ： 1 4 9 3 一 l 5 01 4 L o r to n R ， G i l c h r i s t K， G r e e n R J Dev e l o p m e n t a n d o p e r a - t i o n o f a h i g hper f o n n a nee 1 0 k W a b