空气循环制冷与除湿装置研究

    符  号

    T—温度,K

    P—压力,kPa

    d—空气含湿量,g/kg

    ds—饱和含湿量,g/kg

    df—冷凝水量,g/kg

    πy—压缩机、压气机压缩比

    πw—涡轮膨胀比

    ηy—压缩机、压气机绝热效率

    ηw—涡轮绝热效率

    η_H—换热器换热效率

    P_b—水蒸气饱和分压力,kPa

    ΔPH—换热器、冷凝器压降,kPa

    ΔPf—水分离器压降,kPa

    ΔPG—通风管道压降,kPa

    ηf—水分离器分水效率

    η_G—通风管道隔热效率

    k—等熵指数,k=1.4

    Cp—空气质量热容,kJ/(kg•K),Cp=1kJ/(kg•K)

    Cpq—水蒸气质量热容,kJ/(kg•K),

    Cpq=1.84kJ/(kg•e)

    Cpw—液态水质量热容,kJ/(kg•K),

    Cpw=4.19kJ/(kg•e)

    r—水的凝结潜热,kJ/kg,r=2500kJ/kg

    qm—空气质量流量,kg/s

    h—热焓,kJ/kg

    Q₁₀—空气在电子设备箱内吸收的热量,kJ/s

    Qf—两次分水带走的热量,kJ/s

    We—压缩空气输入的能量,kJ/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[1]。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。与蒸气制冷设备相比,具有以下优点[2]:

    (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1所示。

    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。