新型家用冷冻除湿机设计分析

新型家用冷冻除湿机设计分析

梁炳祥

海信家电集团股份有限公司 528303

摘要：空气的相对湿度对人们的日常生活或办公都有着比较重要的影响，将空气的相对湿度保持在一定的范围内，不但能够提升室内环境体验，还能够便于家庭物资以及办公物资的保管。因此，随着工艺水平的不断提高，空气除湿技术逐渐得到广泛应用。基于此，本文首先讨论家用冷冻除湿机的工作原理、实际工作过程、以及家用冷冻除湿机的分类，并重点对新型家用冷冻除湿机的设计策略进行研究，以供参考。

关键词：家用除湿机；冷冻除湿机；气液分离；回热

引言：在生活环境或办公环境下，如果由于梅雨天气等天气导致室内空气相对湿度过高，则会对家用电器、办公设备等造成一定的损坏，因此，有必要使用家用除湿机，从而能够延长这类物品的使用寿命。家用除湿机的工作方式有很多种，其中冷冻除湿能够更加方便地对空气湿度进行控制，且家用冷冻除湿机具有操作简易、工作能耗相对较小等优点，因此在住宅、办公室等环境均得到了广泛的使用。

1. 家用冷冻除湿机概述

1.1家用冷冻除湿机的工作原理

家用冷冻除湿机主要通过制冷的方式，对室内空气的绝对温度进行降低，从而能够保证空间的湿度处于适宜状态，从而避免了家具、食品等容易受潮，需要保持低湿度状态的物品的受潮、发霉等情况。具体来说，家用冷冻除湿机的循环过程主要分为三点：首先，除湿机中的风机将室内空间中的潮湿空气吸入到机器中；其次，吸入的潮湿空气中的水蒸气通过蒸发器中冷却铜管与翅片的冷却反应进行液化，形成水滴，并通过导流软管排出；最后，通过蒸发器处理过的干燥空气，经过加热器中高温铜管与翅片的升温反应变化为常温状态，于出风口排出。当以上工作开始进行循环时，室内空气中的湿度就得到有效降低。在家用冷冻除湿机的整体循环过程中，均符合能量守恒定律，总过程遵循“常温降至低温再升至常温”的循环流程，使得能量得到有机转化[1]。

1.2家用冷冻除湿机的分类

家用冷冻除湿机有着多种分类方式，其中，最常用的分类方式即按照使用的功能进行分类，通常分为：一般型、调温型、降温型、以及多功能型。其中，一般型家用冷冻除湿机为最基本类型，潮湿空气先通过蒸发器降温，再通过加热器升温，形成干燥空气。通过这种方式进行冷冻除湿，通过加热器的空气会与制冷剂的冷凝热进行调和，因此，一般型除湿机的出风温度无法进行调节，且通常为升温除湿。而调温型除湿机与降温型除湿机通常是基于一般型除湿机设计的。调温型除湿机的工作原理基于一般型除湿机的工作原理，通过水冷型或风冷型冷凝器将制冷剂的一部分或全部冷凝热带出，从而能够使得剩余的冷凝热能够对通过蒸发器的空气进行加热，使得除湿机的出风温度能够进行调节。而降温型除湿机的工作原理也是基于一般型除湿机的工作原理，通过水冷型或风冷型冷凝器将制冷剂的大部分冷凝热带出，从而使得仅剩的小部分冷凝热对通过蒸发器的空气进行加热，使得干燥空气的温度没有加热到常温，进而起到了降温除湿的效果。而多功能型除湿机则将上述三种除湿机的特点进行整合，从而能够在缺少室外风机或冷凝水的情况下，也能够选择升温除湿功能，从而起到多种除湿效果。

除了按照使用功能进行分类，家用除湿机也有其他分类方式。例如，按照除湿机的控制形式，可以分为自动型冷冻除湿机和非自动型冷冻除湿机；按照送风回风的方式，可以分为后回上送型除湿机和带风帽型前回前送除湿机；按照除湿机使用的稳定范围，可以分为普通型除湿机以及低温型除湿机，其中，普通型除湿机适用温度为18到38摄氏度，而低温型除湿机适用温度为5到38摄氏度；按照除湿机的结构可以分为整体式冷冻除湿机、分体式冷冻除湿机以及整体移动式冷冻除湿机；按照风机的配备情况，也可分为常规式冷冻除湿机和风道式冷冻除湿机[2]。

2. 新型家用冷冻除湿机的设计策略

随着家用冷冻除湿机在市场上的种类越来越多，除湿机的节能性成为除湿机设计工作者在对其进行创新的首要问题。虽然目前市面上的家用冷冻除湿机的结构具有紧凑、简单等特点，但是在节能方向上还有待提升。并且，随着我国碳中和目标的确立，除湿机设计工作者要积极响应号召，在提升家用冷冻除湿机的性能的同时，也要对其节能性加以重视。因此，需要使用新技术对家用冷冻除湿机进行优化，生产出新型家用冷冻除湿机。下文就含有气液分离结构的新型家用冷冻除湿机以及含有回热结构的新型家用冷冻除湿机的设计进行讨论，以推动家用冷冻除湿机能够在高效、节能、智能等方面发展。

2.1含有气液分离结构的新型家用冷冻除湿机

第一种含有气液分离结构的新型家用冷冻除湿机设计如图1所示，其中，1为冷凝器，2为节流元件，3为蒸发器，4为单筒气液分离装置，5为压缩机、6为接水盘。

图 1 含有气液分离结构的新型家用冷冻除湿机设计图

该种含有气液分离结构的新型家用冷冻除湿机与传统的家用冷冻除湿机的主要区别在于：新型除湿机在冷凝器与蒸发器之间的空气流道中设置了气液分离装置，从而能够将通过蒸发器的空气中带出的细小水滴进行高效分离。就气液分离装置而言，其本质为经过改良的旋风分离器，通过对旋风分离器的进口与出口进行一定程度的过度曲面处理，从而有效保证干燥空气与细小水滴进行分离。旋风分离器结构简单，且操作高效，是一种使用的分离装置，因此被经常应用于气体与液体的分离，或气体与固体的分离。旋风分离器由入口、出口、分离区、以及排灰口组成，其中，通过圆锥段与圆柱段共同组成分离区，含有液体或固体的气体通过旋风分离器的入口进入到装置内旋风分离器的内壁，在分离区的外部进行向下的旋转运动。在分离区外部的气体进行向下的旋转运动的过程中，气体中的一部分通过上下、内外气体之间的分界面将与到分离区内侧的上升气流进行汇合。当分离区外部的气体流至分离区的底部之后，将沿着分离区的内部，做出向上方向的旋转运动，并与通过上下、内外气体之间的分界面的气体进行汇合之后，由旋风分离器的出口排出。由于固体、液体与气体之间的属性不同，因此，当含有液体或固体的气体在旋风分离器的分离区进行高速的旋转运动时，液体与固体成分大多能够克服气体流动所带来的阻力，朝着分离区的壁面移动，之后，在下方向气流以及物体自身重力的作用下，液体与固体将会最终聚集在旋风分离器的底部，并通过旋风分离器的排灰口排出。

含有气液分离结构的新型家用冷冻除湿机包括空气除湿模块与制冷循环模块。首先，制冷循环模块的工作原理与传统的家用冷冻除湿机相同，在此不做赘述。其次，空气除湿模块则由之前图1所示的气液分离装置、蒸发器、冷凝器、排水管、以及接水盘组成。在具体的工作过程方面，当空气由除湿机的吸气口进入到除湿机内部之后，首先途径蒸发器，使得空气受到冷却，降低空气的温度。此时，空气中含有的水蒸气也受到冷却，形成水滴，并且，一部分水蒸气受到了更深程度的冷凝，于蒸发器中的铜管与翅片上形成水滴。但是，蒸发器的空间较为狭窄，且工作期间的风速较大，因此，在铜管与翅片上形成的水滴会受到较大强度气流的影响，再次与空气进行混合，并一同从蒸发器的出口排出。因此，这些空气要进入气液分离装置进行进一步分离，从而能够保证空气更加干燥。当气液分离装置完成气液分离的工作之后，干燥的空气会通过位于气液分离器上方的排气管排出，而剩余的水分会通过气液分离器下方的排液口排出，并最终排入除湿机底部的接水盘中。之后，由气液分离装置排出的干燥的空气会进入到冷凝器中，并在冷凝器中吸收热量，升高温度，从冷冻除湿机的排气口排入到外部环境中。同时，之前在蒸发器中分离出的水分也将通过排水口，排入到接水盘中。

一般来说，要想保证旋风分离器进风口与出风口的截面与换热器的迎风截面的面积相匹配，就要适当地对换热器迎风截面的面积进行减小处理。但是，将换热器迎风截面的面积减小，会导致除湿机整体的换热效果不够理想，因此，为了使得换热的效果得到保证，需要沿着空气流动的方向，增加换热器的尺寸。

由于如图1所示的新型家用冷冻除湿机的气液分离器的高度过高，导致这类新型家用冷冻除湿机的尺寸普遍过大。为了保证冷冻除湿机的尺寸得到控制，除湿机设计人员可以设计第二种新型家用冷冻除湿机。这种新型家用冷冻除湿机与采用单筒气液分离装置的第一种新型家用冷冻除湿机不同，采用了双筒气液分离装置。经试验，在确保蒸发器的风速与迎风面积不变、旋风分离器的流入总风量和风速保持不变的状态下，使用双筒气液分离装置，可以降低除湿机大约30%的高度。同时，双筒气液分离装置的直径小于单筒气液分离装置，因此，当除湿机的进口风速保持一致时，液体的离心力更强，所以旋风分离器能够进一步进行气液分离的工作。然而，在这种情况下，除湿机进出口的能量消耗也会加大，因此，在对含有气液分离结构的新型家用冷冻除湿机的尺寸进行优化设计时，可以在减小旋风分离器的尺寸的同时，增加旋风分离器的数量，并同时对除湿机各部件的位置、以及气液分离装置的进气口与出气口进行改良设计[3]。

2.2含有回热结构的新型家用冷冻除湿机

对于传统的家用冷冻除湿机来说，从蒸发器排出的温度较低的气体会直接流入高温的冷凝器，并对冷凝器中的热量进行吸收。但是，从能量损失的视角来看，这种气体处理方式浪费的能量较多，没有达到节能的效果，如果能够将通过蒸发器后的空气的冷量进行回收，并将这些冷量继续用于进入蒸发器的空气上，同时，再引入一部分湿度较大的空气，用于提高除湿机的换热效果，并配置适当的参数，则能够在相同功率的情况下，大幅度提升家用冷冻除湿机的除湿量，从而有助于冷冻除湿机工作的进一步节能。因此，可以设计如图2所示的，含有回热结构的新型家用冷冻除湿机。其中，1为风机，2为节流元件，3为冷凝器，4 为冷却器，5为蒸发器，6为回热器，7为气流通道，8为排水管，9为也甭，10为接水箱，11为压缩机。

图 2 含有回热结构的新型家用冷冻除湿机设计图

这种新型家用冷冻除湿机的制冷循环工作流程与传统的家用冷冻除湿机相同，而回热循环模块则由回热器、回热管路、冷却器、液泵组成，且回热循环模块中充注了液相换热工质。其中，回热循环模块中循环回路的方向不会对整体的换热效果造成较大的影响，具体原因为换热机制在循环的过程中始终保持液态与单相状态，且回热循环过程中，回路的高度差较小，同时，换热工质的密度差也较小。回热循环模块中的液泵推动换热工质流动，当换热工质流经回热器时，从蒸发器中排出的空气会冷却换热工质，促使换热工质进行放热，使得温度得到降低。当换热工质流经冷却器的时候，除湿机吸气口中吸入的空气会对其进行加热，因此换热工质经过吸热过程之后，温度得到升高。

含有回热结构的新型家用冷冻除湿机的空气除湿模块由回热器、蒸发器、冷却器、风机、冷凝器、气流通道、排水管、接水箱组成。首先，空气进入到吸气口之后，首先进入冷却器进行冷却，使得空气中含有的水蒸气处于接近饱和状态。其次，气体进入蒸发器，水蒸气开始冷却凝固，并在蒸发器的表面上形成水滴。水滴在形成后会落在蒸发器的底部，并通过排水管流入接水箱中。之后，处于低温状态下的空气会流入回热器，并吸收回热器的热量，使得气体的温度得到升高。在这之后，如果这部分空气直接进入冷凝器进行换热操作的话，则会对冷凝器的工作造成影响，影响冷凝器的使用寿命。为了预防这类问题，要在回热器与冷凝器之间设置三通气流通道，并引入一部分外部空气，在汇合之后，进入冷凝器，通过排气口将空气排回到外界环境中

[4]。

结论：本文主要对含有气液分离装置和含有回热装置的两款新型家用冷冻除湿机的设计进行了讨论。气液分离装置主要利用了旋风分离的方式，使得空气中的水分与气体能够进行深度分离；而回热装置主要能够减少除湿机在工作时的能量消耗，从而实现了节能的效果。在日后的研发工作中，家用冷冻除湿机可以同时具有上述两种装置，从而保证除湿效果的最大化。

参考文献：

[1]马佩佩,谈裕辉,田洁. 制冷剂泄漏对除湿机结霜特性的影响研究[J]. 家电科技,2022,(01):86-90+95.

[2]吴晓丽，屠冰，赵玲倩. 家用除湿机团体标准T/CAS 342-2020主要修订内容解读[J]. 家电科技，2021,(02):96-99.

[3]刘兰斌,张清杰,张志杰. 一种多级板式固体除湿机性能分析[J]. 太阳能学报,2021,42(11):137-143.

[4]赵红梅. 双冷源全新风除湿机应用实例分析[J]. 硫磷设计与粉体工程,2020,(04):27-31+6.