除濕機在消失模白模烘房中的應用研究

楊喜剛

（蘇州江南意造建筑設計有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

消失模生產在國內的使用越來越廣，采用發泡塑料做成與產品相同的白色模型，通常稱為白模。由于白模生產過程中要使用冷卻水進行冷卻，因此生產出來的白模含有大量水份，需要將水份進行烘干處理，白模外涂刷耐火涂料后，也進行烘干處理，去除其中的水分，然后將白模埋在干石英砂中，通過振實臺進行振動造型，在一定條件下澆注液體金屬。在澆注過程中，發泡白模被融化而消失，對其消失的部分填充金屬液體，金屬液體冷卻后，就變成了與白模相同的鑄件產品。白模質量的好壞對最終產品的質量影響達80%。白模的烘干是白模生產過程中的關鍵環節，如何使烘干過程快速高效且保證質量，是消失模生產廠家特別關心的一個工藝過程。目前常用的烘干房加熱方式有蒸汽加熱及電加熱方式。在烘干的過程中，白模中的水分會隨著烘房溫度的提升而快速蒸發，烘房中就會產生大量水蒸氣。水蒸氣的存在，使烘房內的溫度不能快速上升，會造成加熱能量的增加，烘干時間變長。因此如何快速除去烘房內的水蒸氣，減少烘干過程中使用的能耗，是烘房設計中需要考慮的一個重要內容。目前常用的除濕方法主要有升溫通風除濕、冷凍除濕、固體吸附除濕、液體吸附除濕、膜法除濕以及聯合式除濕等。

1 冷凍除濕原理

冷凍除濕是最早利用的一種除濕方式，空氣中的水蒸氣分壓力隨溫度變化而變化，利用冷源將空氣溫度降低到露點溫度，使水蒸氣凝結為水，降低空氣中的絕對濕度，空氣就實現了除濕過程。冷源可以采用天然冷源，也可以采用人工冷源。采用冷凍機作為人工冷源的冷凍除濕是目前使用最廣泛的除濕方式。冷凍除濕機是由制冷系統及送風系統組成的除濕設備。制冷系統采用逆卡諾循環原理進行制冷，由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器等組成。其工作原理為，壓縮機將制冷劑氣體進行壓縮，變成高溫高壓的氣體，然后通過冷凝器銅管后，在冷凝器翅片的冷卻作用下，變成高壓低溫的氣體，再通過膨脹閥膨脹，將高壓低溫氣體變成低溫低壓液體后進入蒸發器。制冷劑液體在蒸發器銅管內進行蒸發，由蒸發器翅片吸收周圍空氣的熱量，制冷劑又變成了低壓氣體進入壓縮機，如此往復循環。

送風系統包括風機、蒸發器、冷凝器及風管。其工作原理為濕空氣由風機通過風管吸入，先經過蒸發器換熱翅片，濕空氣溫度由蒸發器銅管內的制冷劑蒸發吸收熱量，空氣溫度降低到露點溫度，析出其中的水蒸氣，降溫后的空氣再通過冷凝器換熱翅片，吸收冷凝器銅管內制冷劑的熱量，使空氣溫度重新升高，同時對冷凝器銅管內的制冷劑進行降溫冷卻。干燥升溫后的空氣，通過風管重新進入烘房內進行循環。其工作原理如圖1所示。

圖1 冷凍除濕機工作原理圖

這個除濕過程的焓濕變化如圖2所示，點空氣為烘房內的空氣狀態，通過除濕機蒸發器后，其溫度降低至露點溫度，到達狀態點，析出-的水分，再通過冷凝器后，其溫度升高到點。經過除濕機后得到的是溫度高，但含濕量低的空氣正好符合我們烘房的要求。因此除濕機的應用不但降低了烘房內空氣中的濕度，同時還可以加熱空氣，一舉兩得。

圖2 冷凍除濕過程焓濕圖

2 烘房設計計算

傳統的白模烘房設計模式大都采用電加熱或者蒸汽加熱方式來去除白模內的水分，其設計原理是以加熱方式來使被干燥物品內的水汽蒸發，然后向外排除水汽。其設計要點是如何使熱風均勻分布在烘房內，如何方便烘房的搭建等，但都沒有提供快速除濕的方法。文獻[8]提出了采用冷凍除濕機的除濕能有效提高白模干燥的生產效率。

無錫某合金材料公司是一家消失模鑄造企業，目前公司內的白模烘房為一間16 m×8 m的烘房，中間沒有隔斷。原來的烘干模式是，當有產品需要烘干時，將物料小車推進烘房，開啟烘房加熱模式，在大部分時間其烘房面積利用率較低。同時，由于需要頻繁進出烘房，因此造成烘房內熱量損失，單位產能能耗高。烘房采用的是蒸汽盤管直接加熱烘干模式，沒有風機進行熱風循環，完全靠盤管的輻射加熱，加熱時間長；烘房內溫度不均，導致白模烘干速率不一致，對產品質量產生很大影響；烘房內沒有除濕設備，完全靠門縫間隙進行水蒸氣的排除，烘房內長期處于高濕狀態，烘干時間長，生產效率低，通常需要24 h烘干一批物料。目前計劃擴大產能，從年產量6000 t提升到10000 t，原來烘房的生產效率已經不能滿足生產產能的需求，需要對原有烘房進行改造。

烘房區域共長16 m，寬8 m，安裝高度為3 m，為了節省能源，當產能較低時，只需要一半的烘房空間，因此將整個烘房區域設計為2間，中間用隔熱板材進行分隔。每間烘房尺寸為8 m×8 m×3 m。每間烘房獨立使用一套除濕機，一套蒸汽加熱設備，方便2間烘房的獨立操作。由于除濕及加熱都需要循環風來對烘房內空氣進行處理，設計時將2套循環風系統合在一起，采用一套循環風系統。根據現場提供的數據及對烘房的要求進行了如下的設計計算。

按目前烘干產能需求最多的爐條白模計算，根據現場實際稱重，85pcs的濕爐條白模質量為2150 g，烘干后的質量為1555 g，含水量為595 g，每片白模含水量如公式（1）所示。

烘干后的每片白模質量如公式（2）所示。

目前每天產量為澆注80爐，每爐需要85片爐條，每天共需要6800片爐條，擴產后產能按160爐計算，共需要13600片爐條。烘房內可以放置16輛小車，每輛小車有14層，每層可以放置28片爐條，每車有爐條14×28=392片,烘房內一共可以同時烘干396×16=6272片爐條，改造后要求每次烘干時間控制在3 h內。

設計計算如下。

白模總含水量為62727g=43904g≈44kg，考慮澆冒口等其他需要一起烘干的物品，以及進入烘房的小車上會帶有水分，其含水量按總量的10%計，實際含水量為441.1=48.4 kg。

所需要的除濕機的處理能力為48.43=16.1kg/h=16.1L/h，考慮到除濕機運行工況與理論工況的差異，對除濕機增加一定余量，選取20L/h的除濕機。

白模質量為627218.3g=114777.6g≈115kg，加上10%的澆冒口等其他物料質量，實際質量為115kg1.1=126.5kg。

所需熱量計算，按冬天最不利情況，室內環境溫度15 ℃計，烘房設計溫度55 ℃，溫差為Δ=55-15=40℃。

加熱房間內空氣所需要的熱量：由于門縫漏風及排濕風機在開始運行時的運轉，3 h按換氣10 次計算，烘房內需要加熱的空氣體積為=（883）10=1920m，空氣比熱容取=1.01 kJ/（kg·℃），空氣密度取ρ=1.2 kg/m，如公式（3）所示。

加熱小車所需熱量：小車16 輛，按30 kg/輛計算，鋼材比熱容=0.46 kJ/（kg·℃），如公式（4）所示。

加熱水及水分蒸發所需要的汽化潛熱：55 ℃時的汽化潛熱約為=2400 kJ/kg，水的比熱容為=4.18 kJ/（kg·℃），如公式（5）所示。

加熱白模爐條所需要的熱量，白模比熱容=1.3 kJ/（kg·℃），如公式（6）所示。

加熱室內物品總的所需熱量為，如公式（7）所示。

考慮墻體及地面傳熱，按上述熱量的20%計算，所需總熱量如公式（8）所示。

所需加熱功率為

取30 kW的加熱器。

3 烘房設計方案

烘房采用夾芯巖棉板作為墻體板與屋面板，風管采用鍍鋅鋼板外包保溫材料，安裝在烘房屋面板上部，循環風系統采用下出上回的氣流組織形式，從蒸汽加熱器出來的主風管從房頂上分成三根支管下來，在每根支管上安裝有上、中、下3個出風口，每個出風口都有手動調節閥及導風百葉，這樣可以對每個風口的風量及風向進行調整，保證烘房內溫度的均勻。在出風口對面的屋頂上開4個回風口，并將其會合到回風管進入除濕機。經過除濕機除濕后，從除濕機出風口再連接到蒸汽盤管的進風口，使空氣得到加熱，形成循環風系統。其方案如圖3所示。

圖3 烘房設計方案圖

烘房內設置多個溫度傳感器來檢測烘房內溫度的均勻性。加熱器采用蒸汽盤管，除濕機采用管道式高溫除濕機，循環風機與除濕風機合用一臺風機。當烘房開啟時，循環風機就啟動并持續運行到烘房運行結束。蒸汽管道采用無縫鋼管，蒸汽閥門采用模擬量調節的自動控制閥門，控制系統采用西門子PLC，利用PID算法調節閥門開度。當烘房初始運行時，為了防止系統溫度上升緩慢及溫度波動大，將蒸汽閥門開度設定在一個相對中間的位置。當烘房內溫度達到一定數值后，根據設定溫度與烘房內實際溫度的差，按設定的PID值來調節蒸汽閥門的開度，以使烘房內溫度保持在一個穩定的范圍內。

烘房使用的是耐55 ℃的高溫管道式除濕機，但由于除濕機的壓縮機內置在除濕機整個機箱內，考慮夏季運行工況，車間內溫度高，因此除濕機機箱內的熱量比較難散發到周圍空氣中。同時由于機箱內有高溫空氣經過，會進一步提升機箱內的溫度，因此會造成壓縮機過熱保護，除濕機停止工作，起不到除濕效果。針對夏季運行工況的不利條件，將除濕機壓縮機移到機箱外部，使壓縮機直接與空氣接觸，壓縮機的溫度可以直接散發至空氣中，避免由于壓縮機過熱而造成除濕機停止運行。通過壓縮機外置改造，消除了夏天壓縮機過熱保護造成的停機隱患。

烘房剛開始啟動時，由于物料含濕量大，在蒸汽盤管加熱作用下，物料內水分快速蒸發，烘房內空氣很容易達到飽和狀態，減緩了物料內水份的進一步蒸發。同時，水分汽化吸收大量熱量，使烘房內空氣溫度提升速度慢，烘干效率降低。為了避免此種情況發生，在循環風管道系統上增加了一個電動控制閥及一臺排濕風機。在設備剛啟動時，檢測到烘房內濕度達到一定數值后，打開電動控制閥，開啟排濕風機，使室內的濕氣快速排到室外。當濕度滿足一定條件或者運行一定時間后，關閉電動閥門及排濕風機，減少外部空氣的補充，以節約蒸汽加熱量。其控制系統如圖4所示。

圖4 控制系統圖

4 結語

管道除濕機在烘房內的應用，可同時對烘房進行隔斷，使原來的1間大烘房分隔成了2間小烘房，烘干時間從原來的24 h縮短至3 h，不但減少了單位產能的能耗，同時也有效提高了烘房烘干效率，在不增加烘房面積的情況下，為產能的提升打下了基礎。在選擇除濕機時，需要考慮除濕機的適用范圍。常規的除濕機工作溫度一般在5 ℃~38 ℃，而烘房生產工藝通常要求運行在55 ℃，常規除濕機不能滿足生產要求，因此需要選擇耐高溫除濕機，其使用溫度為38 ℃~55 ℃。為了避免夏天工況除濕機壓縮機過熱情況的發生，將除濕機壓縮機移到機箱外部，使壓縮機有一個良好的降溫空間，改造過后的除濕機能更好地滿足夏天工況的使用要求。