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超声波加湿装置的设置及性能研究

2020-05-26 196 上传者：管理员

摘要：为了研究管道式超声波加湿装置的工作特性,提高加湿空调器加湿系统的加湿速率,搭建空调器加湿系统试验平台并研究水雾输送管开孔尺寸、水箱内液面高度、水雾输送管管材、水雾输送管材管径、水雾超声波电压、水雾输送风扇电压、水雾输送管开孔数量七种因素对加湿速率的影响。结果得出,水雾输送管管径、水雾超声波电压、水雾输送管开孔数量、水雾输送管材质、水箱内液面高度、水雾输送风扇电压、水雾输送管开孔尺寸对加湿速率依次减小;在开孔尺寸8mm、液面高度3cm、管材铝管、管径尺寸为16mm、超声波电压36V、风扇电压7.5V、开孔数量为5孔时,加湿速率最高,加湿一小时相对湿度由36%升至69.1%。综合考虑确定开孔尺寸8mm、液面高度3cm、管材铝管、管径尺寸为16mm、超声波电压36V、风扇电压7.5V、开孔数量5孔为加湿空调加湿装置的最优参数组合。

关键词：
加湿装置
加湿速率
最优参数
电器
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1、引言

适当的空气湿度能够提高人体的舒适度并改善健康状况,研究表明,在冬季空调采暖房间的相对湿度甚至低于20%。有调查显示,77%的用户表示在使用空调采暖时感觉干燥,这对室内人员的健康及舒适性造成严重影响[1,2,3]。现有的家用空调中不具有加湿功能,为了满足湿度的要求只能使用加湿器,但加湿器在加湿过程中会出现送湿距离短、加湿范围小、加湿器周围潮湿、加湿效果不明显等问题[4,5]。为了解决加湿器在加湿过程中所出现问题,本文设计了一款具有湿功能的空调器,利用空调送风距离远的优势,很好地解决上述问题。并通过改变水雾输送管开孔尺寸、水箱内液面高度、水雾输送管管材、水雾输送管材管径、水雾超声波电压、水雾输送风扇电压、水雾输送管开孔数量,优化加湿空调器的加湿速率,以期为加湿空调器或加湿器的优化研究提供参考。

2、加湿空调器的设计

2.1试验平台搭建

超声波加湿空调器加湿装置的试验平台搭建如图1所示。试验在焓差实验室外侧完成,实验室尺寸(长×宽×高)为3.5m×3.8m×2.6m。试验平台包括空调器(志高KFR-51LW/MBP58+N3A+Y2)、超声波加湿装置(长×宽×高)为420mm×180mm×70mm)、温湿度采集仪(焓差实验室自带,精度±2%)、水雾输送风机、36V可调电源和计算机等。通过焓差实验室的温湿度采集仪采集室内湿度的变化,为了保证室内湿度的精确度,温湿度采集仪放置于室内中央位置由上往下分布。

图1超声波加湿空调器加湿装置的试验平台简图

2.2加湿装置设计与工作原理

超声波加湿装置主要由水箱和超声波模块组成,超声波模块安放于水箱底部起到固定超声波雾化头和确保吃水深度的作用。为了保证水箱内水质的洁净,水箱采用ABS抑菌材料,同时设置有紫外线杀菌灯。水箱内设置有进水泵和排水泵,保证水箱内的水位的稳定。在超声波模块上设置有两个固定的超声波雾化头,工作时加湿雾化头产生的超声波使水产生激烈而快速变化的高频振荡,剧烈的振动使水破碎成水雾,通过水雾输送风机加压,利用气流驱动水雾,使尽可能多的水雾进入管道,水雾通过水雾输送管到达水雾出口横管上均匀布置的小孔随出风口气流进入房间,进而改变房间内的相对湿度。加湿空调器及加湿装置简图如图2所示。

图2加湿空调器及加湿装置简图

3、加湿速率的影响因素试验

3.1影响加湿速率的单因素实验

加湿速率以加湿房间内相对湿度的变化作为指标。通过单因素实验研究不同的水雾输送管开孔尺寸、水箱内液面高度、水雾输送管材质、水雾输送管材管径、水雾超声波电压、水雾输送风扇电压、水雾输送管开孔数量对加湿效果的影响。

(1)水雾输送管开孔尺寸

在水雾超声波电压36V,水雾输送风扇电压12V,水雾输送管材为PVC硬管,水雾输送管材管径为16mm,水雾输送管开孔数为3孔,水箱内液面高度为2cm的条件下,依次改变水雾输送管开孔尺寸为6mm和8mm。

(2)水箱内液面高度

在水雾超声波电压36V,水雾送风机电压12V,水雾输送管材为PVC硬管,水雾输送管材管径为16mm,水雾输送管开孔尺寸为8mm,水雾输送管开孔数量为3孔的条件下,依次改变水箱内液面高度为2cm,3cm和4cm。

(3)水雾输送管管材

在水雾超声波电压36V,水雾输送风扇电压为12V,水雾输送管开孔尺寸为8mm,水雾输送管开孔数量为3孔,水雾输送管材管径为16mm,水箱内液面高度为2cm的条件下,依次改变水雾输送管为铝管,PVC硬管和硅胶软管。

(4)水雾输送管材管径

在水雾超声波电压36V,水雾输送风扇电压为12V,水雾输送管材为PVC硬管,水雾输送管开孔尺寸为8mm,水雾输送管开孔数量为3孔,水箱内液面高度为2cm的条件下,依次改变水雾输送管材管径为10mm,13mm和16mm。

(5)水雾超声波电压

水雾输送风扇电压为12V,水雾输送管材为PVC硬管,水雾输送管开孔尺寸为8mm,水雾输送管开孔数量为3孔,水雾输送管材管径为16mm,水箱内液面高度为2cm的条件下,依次改变水雾超声波电压为24V,30V和36V。

(6)水雾输送风扇电压

在水雾超声波电压36V,水雾输送管材为PVC硬管,水雾输送管开孔尺寸为8mm,水雾输送管开孔数量为3孔,水雾输送管材管径为16mm,水箱内液面高度为2cm的条件下,依次改变水雾送风电压为3V,7.5V和12V。

(7)水雾输送管开孔数量

在水雾超声波电压36V,水雾输送风扇电压12V,水雾输送管材为PVC硬管,水雾输送管材管径为16mm,水雾输送管开孔尺寸为8mm,水箱内液面高度为2cm的条件下,依次改变水雾输送管开孔数量为1孔,3孔和5孔。

3.2影响加湿速率的多因素正交实验

在单因素的基础上,以水雾输送管开孔尺寸、水雾输送管开孔数量、水雾输送管管材、水雾输送管管径、水雾超声波电压、水雾输送风机电压、水箱内液面高度为实验因素进行正交试验,综合考虑各因素水平与加湿效果的的关系,各因素试验水平值的选取如表1所示,采用L18(2×37)正交表[6]进行实验。

表1柜式加湿空调器加湿效果正交试验设计表

3.3对比试验

为验证最佳组合,选取正交试验得出的最优组合A2B2C1D3E1F2G3与单因素试验最优组合A1B2C2D3E1F3G3进行对比试验,试验重复2次取平均值。对比两组组合的加湿速率,确定空调加湿装置的最优参数组合。

3.4试验测定项目

在通风模式下加湿运行一个小时,利用焓差实验室自带的空气采集装置对实验室内的温湿度进行测量,数据记录频率10s/次。

试验的评价指标——相对湿度(RelativeHumidity,RH)。相对湿度是单位体积空气内实际所含的水气密度和同温度下饱和水气密度的百分比。相对湿度的总表达式为:

公式1

式中:P-为测得的大气压;

t-为测得的干球温度;

t’-为测得的湿球温度。

不结冰时:A=17.62,B=243.12,C=0.5(南方默认不结冰);

结冰时:A=22.46,B=272.62,C=0.44。

为了计算方便,相对湿度的计算由湿空气参数计算软件直接计算得出。其中选用RH作为评价指标的原因,是在初始温湿度相同的条件下,在加湿相同的时间后,房间内的相对湿度越高则表示加湿速率越快。

为减小外界环境对试验结果的影响,每次试验后更换加湿水箱中的水,水的温度保持在(20±1)℃,外界环境温度(27±2)℃,外界环境相对湿度(50±5)%。启动电脑,通过电脑上的软件控制焓差实验室,将焓差实验室室内外测得温度都降至(25±0.2)℃,湿球温度降至(15.5±0.2)℃,在工况稳定二十分钟后关闭焓差实验室风机等设备,仅保持空气温湿度采集仪工作,开启空调和加湿装置,空调加湿运行一个小时停止工作。

4、试验结果分析

4.1单因素试验结果分析

在设定的实验条件下,加湿空调工作时焓差实验室内相对湿度的变化如图3所示。

在实验初始湿度相同的情况下,加湿单位时间后房间内的相对湿度大小可直接表示加湿速率的大小。从图3(a)中可以看出,房间内的相对湿度随水雾出口尺寸的减小而增大,当出口尺寸为8mm,加湿一小时后房间内的相对湿度为59.1%;图3(b)显示,房间内的相对湿度随加湿装置内水箱的液面的升高呈现先增加后减弱,液面高度为3cm时加湿速率最快,加湿一小时后房间内的相对湿度为59%;图3(c)显示,不同材质的水雾输送管道对加湿装置的加湿速率也有影响,三种材质加湿一小时后相对湿度分别为57%、56.4%和55.4%,得出PVC硬管的加湿速率较快;图3(d)显示,水雾输送管管径尺寸对加湿速率影响较大,水雾输送管管径尺寸越大加湿速率越快,在输送管道直径为10mm和13mm时加湿一小时房间内的相对湿度为50.5%和51.9%,相差不大,当直径为16mm时房间内的相对湿度为57%,相差较大;图3(e)显示,超声波电压越大加湿速率越快,当超声波电压为36V时,加湿一小时房间内的相对湿度为57%;图3(f)显示,在水雾输送风机电压为7.5V和12V时加湿房间内的相对湿度分别为57.4%和57%,当风机电压为3V时,房间内的相对湿度为60%,得出加湿速率随风机电压减少加湿速率提高;图3(g)显示,水雾输送管的开孔数量对房间内的加湿速率也有影响,加湿速率随开孔数量的增加而增加,其中开5孔时加湿一小时后房间内的相对湿度最高为61.2%。综上得出单因素的最优组合为A1B2C2D3E1F3G3,即开孔尺寸6mm、液面高度3cm、管道材料为PVC硬管、管径尺寸为16mm、超声波电压36V、风扇电压3V、开孔数量为5孔。

图3各试验因素对柜式超声波加湿空调器加湿焓差实验室内相对湿度的影响

4.2加湿速率正交优化试验分析

加湿速率正交试验结果数据如表2所示。

通过极差R分析得出,7个因素对加湿速率的影响由管道尺寸、超声波电压、开孔数量、管道材料、液面高度、风扇电压、开孔尺寸依次减小。

用Minitab-17软件对数据分析得出正交实验均值图,其七水平因素的均值图如图4所示,得出正交试验的最优组合为A2B2C1D3E1F2G3,即开孔尺寸8mm、液面高度3cm、管道材料为金属铝管、管径尺寸为16mm、超声波电压36V、风扇电压7.5V、开孔数量为5孔。

表2加湿速率正交试验结果数据

图4正交实验均值图

4.3对比试验

图5为单因素最优组合(A1B2C2D3E1F3G3)和正交试验最优组合(A2B2C1D3E1F2G3)对比试验结果图,从图中可以看出,在在加湿10min之前两种组合加湿速率基本一样,在10min以后多因素组合的加湿速率逐渐高于单因素组合;加湿一小时后,多因素组合房间内的相对湿度为69.1%,房间内的相对湿度升高了33.1%;单因素组合房间内的相对湿度为64.9%,房间内的相对湿度升高了28.9%;对比得出多因素A2B2C1D3E1F2G3组合的加湿效果较佳,即开孔尺寸8mm、液面高度3cm、管道材料为金属铝管、管径尺寸为16mm、超声波电压36V、风扇电压7.5V、开孔数量为5孔。

图5单因素与多因素最优组合加湿效果对比图

5、结论

本研究搭建了超声波加湿空调器加湿装置的试验平台,通过试验分析水雾输送管开孔尺寸、水箱内液面高度、水雾输送管管材、水雾输送管材管径、水雾超声波电压、水雾输送风扇电压、水雾输送管开孔数量七种因素对加湿效果的影响。研究结果如下:

(1)单因素试验结果表明,加湿效果随开孔尺寸、风扇电压的减小而增大,随管径、超声波电压、开孔数量的增大而增大,随液高度的增加先增加后减小,其中管材对加湿效果的影响较小,管径尺寸影响较大;

(2)正交试验结果表明,7个水平因素对加湿效果的影响为管径尺寸>超声波电压>开孔数量>管道材料>液面高度>风扇电压>开孔尺寸,开孔尺寸对加湿效果的影响最小,管径尺寸影响最大;

(3)对比试验结果表明,正交最优组合(A2B2C1D3E1F2G3)的加湿效果优于单因素最优组合(A1B2C2D3E1F3G3)。

参考文献：

[1]于军强.中空纤维膜空调加湿系统实验研究[D].广州:华南理工大学,2011.

[2]欧阳春光,迟逢.空调器运行对湿度的影响[J].家用电器,2002(6):13-14.

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[5]张浩,席战利,张博博.加湿技术在家用空调上的选用分析[C]//2016年中国家用电器技术大会论文集.北京:中国轻工业出版社,2016.

[6]李云雁,胡传荣.试验设计与数据处理[M].3版.北京:化学工业出版社,2017.