CN113865159B - 一种适用于低温环境的无水加湿装置及控制方法 - Google Patents

一种适用于低温环境的无水加湿装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于低温环境的无水加湿装置及控制方法，包括第一制冷系统、辅助加热器、送风风机、第二制冷系统、电动风阀、温度传感器和空气流量传感器。系统根据送风设定温度、送风设定相对湿度和设定送风量预先计算所需第一空气流量、第一温度传感器和第二空气流量设定值，并根据传感器实时采集的温度和空气流量对第一空气和第二空气的湿度、温度、风量进行控制。在本发明中，送风湿度控制不采用液态水加湿，可在低温环境下保证送风不带液或冰，可保证加湿系统内不因结冰堵塞管路。另一方面，低温状态下仅通过风量和温度控制加湿量，解决了湿度传感器因低温时测量不准确而引起加湿量过大导致结冰或加湿量不足的问题。

Description

一种适用于低温环境的无水加湿装置及控制方法
技术领域
本发明属于低温制冷技术领域，涉及适用于低温环境的无水加湿装置及控制方法。
背景技术
近年来，我国制冷技术正在快速发展，低温试验、冷藏和冷链运输的能耗水平远超国外平均水平。低温试验广泛应用于汽车、空调等设备的性能测试，不仅需要提供低温(0～-20℃)环境，也需要在低温环境下控制空气相对湿度。冷藏和冷链运输中，保持一定的湿度可有效降低瓜果蔬菜、肉类等的脱水减重问题。
目前低温环境下的除湿技术已较为成熟，通常采用低温冷凝、压缩空气除湿和转轮除湿等技术。但低温环境下的加湿手段却较为单一，主要包括蒸汽加湿、电加湿等技术。此类加湿手段通常在常温或高温环境下较为适用，应用于低温环境时存在加湿量难以精确控制而引起的相对湿度低于控制要求或超饱和导致送风带液或带冰的问题。另一方面，由于蒸汽管路需要与低温送风管路相连，两管路连接处温度较低，存在结露甚至结冰的问题，运行时间较长时可能引起管路堵塞。另一方面，低温环境下，尤其是当温度低于-7℃时，空气中的水蒸气含量低于2g/kg，湿度传感器(主要包括电阻式、电容式等)的测量精确度将大打折扣，在无法精确测量空气湿度时，更加难以准确控制加湿设备的加湿量。
为解决常用加湿技术在低温环境下难以适用的问题，客观上需要提出一种适用于低温环境的无水加湿装置及控制方法，可精确控制-40℃至10℃的低温环境下所要求的相对湿度，同时避免送风带冰或加湿管路与空气管路连接处结冰的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种适用于低温环境的无水加湿装置及控制方法。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种适用于低温环境的无水加湿装置及控制方法，主要包括第一制冷系统、辅助加热器、送风风机、第二制冷系统、电动风阀、温度传感器和空气流量传感器。系统根据送风设定温度、送风设定相对湿度和设定送风量预先计算所需第一空气流量、第一温度传感器和第二空气流量设定值，并根据传感器实时采集的温度和空气流量对第一空气和第二空气的湿度、温度、风量进行控制。
一种适用于低温环境的无水加湿装置，包括第一空气处理系统、第二空气处理系统及控制系统；其中，所述第一空气处理系统包括第一空气进风接口、第一空气出风接口、第一空气均流器、第一制冷系统和辅助加热器；所述第二空气处理系统包括第二空气进风接口、第二空气均流器、第二制冷系统、混风均流器、送风风机和第二空气出风接口；所述控制系统包括控制器以及与所述控制器均电连接的第一电动风阀、第二电动风阀、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第一空气流量传感器和第二空气流量传感器；
所述第一制冷系统包括第一蒸发器、第一膨胀阀、第一冷凝器和第一压缩机；所述第二制冷系统包括第二蒸发器、第二膨胀阀、第二冷凝器和第二压缩机；
所述第一空气进风接口通过第一空气管路依次与所述第一空气均流器、所述第一制冷系统的所述第一蒸发器、所述辅助加热器、所述混风均流器、所述送风风机和所述第二空气出风接口连通；所述第一空气进风接口还通过支通管路与所述第一空气出风接口直接连通；所述第二空气进风接口通过第二空气管路依次与所述第二空气均流器、所述第二制冷系统的所述第二蒸发器、所述混风均流器、所述送风风机和所述第二空气出风接口连通；
在所述第一空气进风接口和所述第一空气均流器之间的第一空气管路上设置有所述第一电动风阀；在所述第一蒸发器和所述辅助加热器之间的第一空气管路上设置有所述第一空气温度传感器；在所述辅助加热器和所述混风均流器之间的第一空气管路上设置有所述第二温度传感器；在所述第二空气进风接口和所述第二空气均流器之间的第二空气管路上设置有所述第二电动风阀；在所述第二蒸发器和所述混风均流器之间的第二空气管路上设置有所述第三温度传感器；在所述第一空气管路上设置有所述第一空气流量传感器；在所述第二空气管路上设置有所述第二空气流量传感器；
所述第一压缩机的输出端通过冷媒管依次与所述第一冷凝器、所述第一膨胀阀和所述第一蒸发器连通，且所述第一压缩机和所述第一冷凝器置于装置外；
所述第二压缩机的输出端通过冷媒管依次与所述第二冷凝器、所述第二膨胀阀和所述第二蒸发器连通，且所述第二压缩机和所述第二冷凝器置于装置外；
所述第一空气进风接口与控制环境的回风口连接；所述第一空气出风接口连接至控制环境的外部环境；所述第二空气进风接口应与空气含湿量高于送风含湿量的环境连接；所述第二空气出风接口与控制环境的送风口连接；
可选的，所述控制器还与所述辅助加热器的开关控制器电连接。
一种适用于上述低温环境的无水加湿装置的控制方法，包括：
装置所需控制参数为送风风量、送风温度和送风相对湿度；
第一空气湿度控制：根据设定送风温度和送风相对湿度计算第一蒸发器的控制温度t1，为保证第一空气除湿量使第一空气湿度低于送风湿度要求，且最大限度降低第一制冷系统的能耗，第一蒸发器的控制温度t1应比送风露点温度低2～5℃，具体计算公式如下：
Figure BDA0003285449960000031
式中：tset——设定送风温度，℃；
RHset——设定送风相对湿度；
所述第一蒸发器的制冷剂流量根据所述第一温度传感器控制，当第一温度传感器监测的实时温度高于第一蒸发器的控制温度t1时应减小所述第一蒸发器的制冷剂流量，当第一温度传感器监测的实时温度低于第一蒸发器的控制温度t1时应增大所述第一蒸发器的制冷剂流量；
所述第一蒸发器的控制温度t1与露点温度差值Δt应根据送风温度选择：当送风温度为-10℃～10℃之间时，Δt应取2℃；当送风温度为-20℃～-10℃之间时，Δt应取3℃；当送风温度为-30℃～-20℃之间时，Δt应取4℃；当送风温度为-40℃～-30℃之间时，Δt应取5℃；
第一空气温度控制：所述辅助加热器的加热功率根据所述第二温度传感器控制，当第二温度传感器监测的实时温度高于送风温度设定值时应减小所述辅助加热器的加热功率，当第二温度传感器监测的实时温度低于送风温度设定值时应增大所述辅助加热器的加热功率；
第二空气温湿度控制：所述第二蒸发器的制冷剂流量根据所述第三温度传感器控制，当第三温度传感器监测的实时温度高于送风温度设定值时应减小所述第二蒸发器的制冷剂流量，当第三温度传感器监测的实时温度低于送风温度设定值时应增大所述第二蒸发器的制冷剂流量；
第一空气流量控制：根据设定送风温度、设定送风相对湿度和设定送风量计算第一空气流量控制值V1，计算公式如下：
Figure BDA0003285449960000041
式中：Vset——设定送风量，m3/h；
B——环境大气压，Pa；
tset——设定送风温度，℃；
RHset——设定送风相对湿度；
所述第一电动风阀的开度根据第一空气流量控制值控制，当第一空气流量传感器测得的第一空气流量低于第一空气流量控制值V1时，增大第一电动风阀的开度，当第一空气流量传感器测得的第一空气流量高于第一空气流量控制值V1时，减小第一电动风阀的开度；
第二空气流量控制：所述第二电动风阀的开度根据设定送风量和计算第一空气流量差值控制，当第二空气流量传感器测得的第二空气流量低于送风量和计算第一空气流量差值时，增大第二电动风阀的开度，当第二空气流量传感器测得的第二空气流量高于送风量和计算第一空气流量差值时，减小第二电动风阀的开度。
由于采用上述方案，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述的适用于低温环境的无水加湿装置可在低温环境下保证送风不带液、不带冰的前提下保证所需的送风量和、送风温度和送风湿度，从而保证控制环境内温湿度满足设计使用要求，不出现液态水或冰的同时保证加湿系统内不因结冰堵塞管路。
2、本发明所述控制方法为根据设定参数和实时监测的第一空温度传感器温度、第二空气传感器温度、第二空气温度、第一空气流量和第二空气流量计算并控制第一空气和第二空气流量，第一蒸发器和第二蒸发器制冷剂流量以及辅助加热器功率精确控制送风至设定送风量、送风温度和送风湿度。相比于采用温湿度测量控制加湿量具有控制更精准，不因湿度测量不准确而引起加湿量过大导致结冰或加湿量不足的问题
附图说明
图1为本发明实施例的适用于低温环境的无水加湿装置的整体示意图。
附图标记：
第一空气进风接口A、第一空气出风接口B、第二空气进风接口C、第二空气出风接口D、第一空气均流器1、第一蒸发器2、辅助加热器3、第二空气均流器4、第二蒸发器5、混风均流器6、送风风机7、第一膨胀阀8、第一冷凝器9、第一压缩机10、第二膨胀阀11、第二冷凝器12、第二压缩机13、第一电动风阀14、第二电动风阀15、第一温度传感器16、第二温度传感器17、第三温度传感器18、第一空气流量传感器19、第二空气流量传感器20。
具体实施方式
下面根据附图详细阐述本发明优选的实施例。
实施例1：如图1所示，本实施方式所述一种低温环境的无水加湿装置，包括第一空气处理系统和第二空气处理系统及控制系统；
其中，所述第一空气处理系统：第一空气进风接口A、第一空气出风接口B、第一空气均流器1、第一制冷系统和电加热器3；第一制冷系统包括第一蒸发器2、第一膨胀阀8、第一冷凝器9和第一压缩机10；第一空气进风接口连接至控制区域的回风口；控制区域回风经第一空气进风接口进入装置后依次经第一空气均流器均流，第一蒸发器降温除湿，电加热器加热后与第二空气混合；
所述第二空气处理系统包括：第二空气进风接口C、第二空气均流器4、第二制冷系统、混风均流器6、送风风机7和第二空气出风接口D；第二制冷系统包括第二蒸发器5、第二膨胀阀11、第二冷凝器12和第二压缩机13；第二空气进风接口连接至室外大气环境；第二空气经第二空气进风接口进入装置后依次经第二空气均流器均流，第二蒸发器降温除湿后与第一空气混合后共同由混风均流器均流后，经送风风机送至控制环境；
实施例2：与实施例1的不同之处在于，辅助加热器采用换热器，加热介质为蒸汽；
实施例3：与实施例1的不同之处在于，辅助加热器采用换热器，加热介质为热水；
实施例4：与实施例1的不同之处在于，辅助加热器采用换热器，利用烟气、空气等介质的低温余热加热；
实施例5：与实施例1的不同之处在于，第二空气进风口连接至露点温度高于设定送风温度的环境舱；
实施例6：与实施例1的不同之处在于，第一制冷系统和第二制冷系统为半导体制冷系统，第一蒸发器和第二蒸发器分别为为第一制冷系统和第二制冷系统的半导体冷端，第一冷凝器和第二冷凝器分别为为第一制冷系统和第二制冷系统的半导体热端；
所述控制系统包括控制器以及与所述控制器均电连接的第一电动风阀14、第二电动风阀15、第一温度传感器16、第二温度传感器17、第三温度传感器18、第一空气流量传感器19和第二空气流量传感器20；
在所述控制系统中应首先根据设定送风温度、设定送风相对湿度和设定送风量建立第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第一电动风阀和第二电动风阀的设定值。以控制区域设定温度为-5℃，相对湿度为80％，设定送风量为2000m3/h，且环境为1个标准大气压为例：
根据第一温度传感器计算公式，计算得到第一温度传感器设定值为-9.8℃；
第二温度传感器和第三温度传感器的控制温度应与设定送风温度保持一致，本实施例中第二温度传感器和第三温度传感器的温度设定值应均为-5℃；
根据所需第一空气流量计算公式，计算得到第一空气流量设定值为1256.4m3/h；
进一步可根据总风量为第一空气流量和第二空气流量之和的关系计算得到第二空气流量设定值为743.6m3/h。
以上各设定值实时计算后，自动控制系统根据各参数设定值实时调节：
第一蒸发器的制冷剂流量根据所述第一温度传感器控制，当所述第一温度传感器监测的实时温度高于-9.8℃时减小所述第一蒸发器的制冷剂流量，当第一温度传感器监测的实时温度低于-9.8℃时增大所述第一蒸发器的制冷剂流量；
所述辅助加热器的加热功率(电加热器为功率，其他类型加热器为流量)根据所述第二温度传感器控制，当第二温度传感器监测的实时温度高于送风温度设定值(-5℃)时减小所述辅助加热器的加热功率，当第二温度传感器监测的实时温度低于送风温度设定值(-5℃)时增大所述辅助加热器的加热功率；
所述第二蒸发器的制冷剂流量根据所述第三温度传感器控制，当第三温度传感器监测的实时温度高于送风温度设定值(-5℃)时减小所述第二蒸发器的制冷剂流量，当第三温度传感器监测的实时温度低于送风温度设定值(-5℃)时增大所述第二蒸发器的制冷剂流量；
所述第一电动风阀的开度根据第一空气流量控制值控制，当第一空气流量传感器测得的第一空气流量低于1256.4m3/h时，增大第一电动风阀的开度，当第一空气流量传感器测得的第一空气流量高于1256.4m3/h时，减小第一电动风阀的开度；
所述第二电动风阀的开度根据设定送风量和计算第一空气流量差值控制，当第二空气流量传感器测得的第二空气流量低于743.6m3/h时，增大第二电动风阀的开度，当第二空气流量传感器测得的第二空气流量高于743.6m3/h时，减小第二电动风阀的开度。
通过上述实施例不难看出，本发明的有益效果为：
1)第一空气传感器设定温度为-9.8℃，低于送风温度要求以满足除湿要求，但设定温度不会过低而导致第一空气降温除湿和加热的能耗过大；
2)根据焓湿图和混风计算可以计算出第一空气和第二空气混合后的状态为-5℃，含湿量为1.946g/kg，查焓湿图，该状态空气相对湿度为80.37％，湿度控制与设定湿度差值仅为0.37％。不许采用低温时精度难以保证的湿度传感器也可精准控制送风湿度。
在本发明中，送风湿度控制不采用液态水加湿，可在低温环境下保证送风不带液或冰，可保证加湿系统内不因结冰堵塞管路。另一方面，低温状态下仅通过风量和温度控制加湿量，解决了湿度传感器因低温时测量不准确而引起加湿量过大导致结冰或加湿量不足的问题。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种适用于低温环境的无水加湿装置，其特征在于：包括第一空气处理系统、第二空气处理系统及控制系统；其中，所述第一空气处理系统包括第一空气进风接口、第一空气出风接口、第一空气均流器、第一制冷系统和辅助加热器；所述第二空气处理系统包括第二空气进风接口、第二空气均流器、第二制冷系统、混风均流器、送风风机和第二空气出风接口；所述控制系统包括控制器以及与所述控制器均电连接的第一电动风阀、第二电动风阀、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第一空气流量传感器和第二空气流量传感器；
所述第一制冷系统包括第一蒸发器、第一膨胀阀、第一冷凝器和第一压缩机；所述第二制冷系统包括第二蒸发器、第二膨胀阀、第二冷凝器和第二压缩机；
所述第一空气进风接口通过第一空气管路依次与所述第一空气均流器、所述第一制冷系统的所述第一蒸发器、所述辅助加热器、所述混风均流器、所述送风风机和所述第二空气出风接口连通；所述第一空气进风接口还通过支通管路与所述第一空气出风接口直接连通；所述第二空气进风接口通过第二空气管路依次与所述第二空气均流器、所述第二制冷系统的所述第二蒸发器、所述混风均流器、所述送风风机和所述第二空气出风接口连通；
所述控制器还与所述辅助加热器的开关控制器电连接；
在所述第一空气进风接口和所述第一空气均流器之间的第一空气管路上设置有所述第一电动风阀；在所述第一蒸发器和所述辅助加热器之间的第一空气管路上设置有所述第一温度传感器；在所述辅助加热器和所述混风均流器之间的第一空气管路上设置有所述第二温度传感器；在所述第二空气进风接口和所述第二空气均流器之间的第二空气管路上设置有所述第二电动风阀；在所述第二蒸发器和所述混风均流器之间的第二空气管路上设置有所述第三温度传感器；在所述第一空气管路上设置有所述第一空气流量传感器；在所述第二空气管路上设置有所述第二空气流量传感器；
所述第一压缩机的输出端通过冷媒管依次与所述第一冷凝器、所述第一膨胀阀和所述第一蒸发器连通，且所述第一压缩机和所述第一冷凝器置于装置外；所述第二压缩机的输出端通过冷媒管依次与所述第二冷凝器、所述第二膨胀阀和所述第二蒸发器连通，且所述第二压缩机和所述第二冷凝器置于装置外；
所述第一空气进风接口与控制环境的回风口连接；所述第一空气出风接口连接至控制环境的外部环境；所述第二空气进风接口应与空气含湿量高于送风含湿量的环境连接；所述第二空气出风接口与控制环境的送风口连接。
2.一种权利要求1所述的适用于低温环境的无水加湿装置的控制方法，其特征在于，包括第一空气湿度控制、第一空气温度控制、第二空气温湿度控制和第一空气流量控制和第二空气流量控制；
所述的第一空气湿度控制，根据设定送风温度和送风相对湿度计算第一蒸发器的控制温度t1；
所述第一蒸发器的制冷剂流量根据所述第一温度传感器控制；
所述的第一空气温度控制，所述辅助加热器的加热功率根据所述第二温度传感器控制；
所述的第二空气温湿度控制，所述第二蒸发器的制冷剂流量根据所述第三温度传感器控制；
所述的第一空气流量控制，根据设定送风温度、设定送风相对湿度和设定送风量计算第一空气流量控制值V1；
所述的第二空气流量控制，所述第二电动风阀的开度根据设定送风量和计算第一空气流量差值控制。
3.根据权利要求2所述的适用于低温环境的无水加湿装置的控制方法，其特征在于：所述第一蒸发器的控制温度t1比送风露点温度低2～5℃。
4.根据权利要求2所述的适用于低温环境的无水加湿装置的控制方法，其特征在于：所述第一蒸发器的控制温度t1的计算公式为：
式中：tset——设定送风温度，℃；
RHset——设定送风相对湿度。
5.根据权利要求2所述的适用于低温环境的无水加湿装置的控制方法，其特征在于：
所述第一蒸发器的控制温度t1与送风露点温度差值Δt根据送风温度选择：当送风温度为-10℃～10℃之间时，Δt取2℃；当送风温度为-20℃～-10℃之间时，Δt取3℃；当送风温度为-30℃～-20℃之间时，Δt取4℃；当送风温度为-40℃～-30℃之间时，Δt取5℃。
6.根据权利要求2所述的适用于低温环境的无水加湿装置的控制方法，其特征在于：
所述第一蒸发器的制冷剂流量根据所述第一温度传感器控制，当第一温度传感器监测的实时温度高于第一蒸发器的控制温度t1时应减小所述第一蒸发器的制冷剂流量，当第一温度传感器监测的实时温度低于第一蒸发器的控制温度t1时应增大所述第一蒸发器的制冷剂流量。
7.根据权利要求2所述的适用于低温环境的无水加湿装置的控制方法，其特征在于：所述辅助加热器的加热功率根据所述第二温度传感器控制，当第二温度传感器监测的实时温度高于送风温度设定值时应减小所述辅助加热器的加热功率，当第二温度传感器监测的实时温度低于送风温度设定值时应增大所述辅助加热器的加热功率。
8.根据权利要求2所述的适用于低温环境的无水加湿装置的控制方法，其特征在于：所述第二蒸发器的制冷剂流量根据所述第三温度传感器控制，当第三温度传感器监测的实时温度高于送风温度设定值时应减小所述第二蒸发器的制冷剂流量，当第三温度传感器监测的实时温度低于送风温度设定值时应增大所述第二蒸发器的制冷剂流量。
9.根据权利要求2所述的适用于低温环境的无水加湿装置的控制方法，其特征在于，第一空气流量控制值V1的计算公式如下：
式中：Vset——设定送风量，m3/h；
tset——设定送风温度，℃；
RHset——设定送风相对湿度；
B——环境大气压，Pa。
10.根据权利要求2所述的适用于低温环境的无水加湿装置的控制方法，其特征在于：
所述第一电动风阀的开度根据第一空气流量控制值控制，当第一空气流量传感器测得的第一空气流量低于第一空气流量控制值V1时，增大第一电动风阀的开度，当第一空气流量传感器测得的第一空气流量高于第一空气流量控制值V1时，减小第一电动风阀的开度。
11.根据权利要求2所述的适用于低温环境的无水加湿装置的控制方法，其特征在于：所述第二电动风阀的开度根据设定送风量和计算第一空气流量差值控制，当第二空气流量传感器测得的第二空气流量低于送风量和计算第一空气流量差值时，增大第二电动风阀的开度，当第二空气流量传感器测得的第二空气流量高于送风量和计算第一空气流量差值时，减小第二电动风阀的开度。
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