楊喜剛

（蘇州江南意造建筑設(shè)計有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

消失模生產(chǎn)在國內(nèi)的使用越來越廣，采用發(fā)泡塑料做成與產(chǎn)品相同的白色模型，通常稱為白模。由于白模生產(chǎn)過程中要使用冷卻水進(jìn)行冷卻，因此生產(chǎn)出來的白模含有大量水份，需要將水份進(jìn)行烘干處理，白模外涂刷耐火涂料后，也進(jìn)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(jìn)行振動造型，在一定條件下澆注液體金屬。在澆注過程中，發(fā)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(chǎn)品。白模質(zhì)量的好壞對最終產(chǎn)品的質(zhì)量影響達(dá)80%。白模的烘干是白模生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如何使烘干過程快速高效且保證質(zhì)量，是消失模生產(chǎn)廠家特別關(guān)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(fā)，烘房中就會產(chǎn)生大量水蒸氣。水蒸氣的存在，使烘房內(nèi)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(nèi)的水蒸氣，減少烘干過程中使用的能耗，是烘房設(shè)計中需要考慮的一個重要內(nèi)容。目前常用的除濕方法主要有升溫通風(fēng)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(lián)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(diǎn)溫度，使水蒸氣凝結(jié)為水，降低空氣中的絕對濕度，空氣就實現(xiàn)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(jī)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(jī)是由制冷系統(tǒng)及送風(fēng)系統(tǒng)組成的除濕設(shè)備。制冷系統(tǒng)采用逆卡諾循環(huán)原理進(jìn)行制冷，由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器等組成。其工作原理為，壓縮機(jī)將制冷劑氣體進(jìn)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(jìn)入蒸發(fā)器。制冷劑液體在蒸發(fā)器銅管內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)，由蒸發(fā)器翅片吸收周圍空氣的熱量，制冷劑又變成了低壓氣體進(jìn)入壓縮機(jī)，如此往復(fù)循環(huán)。

送風(fēng)系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器及風(fēng)管。其工作原理為濕空氣由風(fēng)機(jī)通過風(fēng)管吸入，先經(jīng)過蒸發(fā)器換熱翅片，濕空氣溫度由蒸發(fā)器銅管內(nèi)的制冷劑蒸發(fā)吸收熱量，空氣溫度降低到露點(diǎn)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(nèi)制冷劑的熱量，使空氣溫度重新升高，同時對冷凝器銅管內(nèi)的制冷劑進(jìn)行降溫冷卻。干燥升溫后的空氣，通過風(fēng)管重新進(jìn)入烘房內(nèi)進(jìn)行循環(huán)。其工作原理如圖1所示。

圖1 冷凍除濕機(jī)工作原理圖

這個除濕過程的焓濕變化如圖2所示，點(diǎn)空氣為烘房內(nèi)的空氣狀態(tài)，通過除濕機(jī)蒸發(fā)器后，其溫度降低至露點(diǎn)溫度，到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)，析出-的水分，再通過冷凝器后，其溫度升高到點(diǎn)。經(jīng)過除濕機(jī)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(jī)的應(yīng)用不但降低了烘房內(nèi)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(shè)計計算

傳統(tǒng)的白模烘房設(shè)計模式大都采用電加熱或者蒸汽加熱方式來去除白模內(nèi)的水分，其設(shè)計原理是以加熱方式來使被干燥物品內(nèi)的水汽蒸發(fā)，然后向外排除水汽。其設(shè)計要點(diǎn)是如何使熱風(fēng)均勻分布在烘房內(nèi)，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(xiàn)[8]提出了采用冷凍除濕機(jī)的除濕能有效提高白模干燥的生產(chǎn)效率。

無錫某合金材料公司是一家消失模鑄造企業(yè)，目前公司內(nèi)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(dāng)有產(chǎn)品需要烘干時，將物料小車推進(jìn)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(jìn)出烘房，因此造成烘房內(nèi)熱量損失，單位產(chǎn)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(fēng)機(jī)進(jìn)行熱風(fēng)循環(huán)，完全靠盤管的輻射加熱，加熱時間長；烘房內(nèi)溫度不均，導(dǎo)致白模烘干速率不一致，對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生很大影響；烘房內(nèi)沒有除濕設(shè)備，完全靠門縫間隙進(jìn)行水蒸氣的排除，烘房內(nèi)長期處于高濕狀態(tài)，烘干時間長，生產(chǎn)效率低，通常需要24 h烘干一批物料。目前計劃擴(kuò)大產(chǎn)能，從年產(chǎn)量6000 t提升到10000 t，原來烘房的生產(chǎn)效率已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)產(chǎn)能的需求，需要對原有烘房進(jìn)行改造。

烘房區(qū)域共長16 m，寬8 m，安裝高度為3 m，為了節(jié)省能源，當(dāng)產(chǎn)能較低時，只需要一半的烘房空間，因此將整個烘房區(qū)域設(shè)計為2間，中間用隔熱板材進(jìn)行分隔。每間烘房尺寸為8 m×8 m×3 m。每間烘房獨(dú)立使用一套除濕機(jī)，一套蒸汽加熱設(shè)備，方便2間烘房的獨(dú)立操作。由于除濕及加熱都需要循環(huán)風(fēng)來對烘房內(nèi)空氣進(jìn)行處理，設(shè)計時將2套循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)合在一起，采用一套循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場提供的數(shù)據(jù)及對烘房的要求進(jìn)行了如下的設(shè)計計算。

按目前烘干產(chǎn)能需求最多的爐條白模計算，根據(jù)現(xiàn)場實際稱重，85pcs的濕爐條白模質(zhì)量為2150 g，烘干后的質(zhì)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(zhì)量如公式（2）所示。

目前每天產(chǎn)量為澆注80爐，每爐需要85片爐條，每天共需要6800片爐條，擴(kuò)產(chǎn)后產(chǎn)能按160爐計算，共需要13600片爐條。烘房內(nèi)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(nèi)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(nèi)。

設(shè)計計算如下。

白?？偤繛?2727g=43904g≈44kg，考慮澆冒口等其他需要一起烘干的物品，以及進(jìn)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(jī)的處理能力為48.43=16.1kg/h=16.1L/h，考慮到除濕機(jī)運(yùn)行工況與理論工況的差異，對除濕機(jī)增加一定余量，選取20L/h的除濕機(jī)。

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

所需熱量計算，按冬天最不利情況，室內(nèi)環(huán)境溫度15 ℃計，烘房設(shè)計溫度55 ℃，溫差為Δ=55-15=40℃。

加熱房間內(nèi)空氣所需要的熱量：由于門縫漏風(fēng)及排濕風(fēng)機(jī)在開始運(yùn)行時的運(yùn)轉(zhuǎn)，3 h按換氣10 次計算，烘房內(nèi)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(fā)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(nèi)物品總的所需熱量為，如公式（7）所示。

考慮墻體及地面?zhèn)鳠?，按上述熱量?0%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(shè)計方案

烘房采用夾芯巖棉板作為墻體板與屋面板，風(fēng)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(huán)風(fēng)系統(tǒng)采用下出上回的氣流組織形式，從蒸汽加熱器出來的主風(fēng)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(fēng)口，每個出風(fēng)口都有手動調(diào)節(jié)閥及導(dǎo)風(fēng)百葉，這樣可以對每個風(fēng)口的風(fēng)量及風(fēng)向進(jìn)行調(diào)整，保證烘房內(nèi)溫度的均勻。在出風(fēng)口對面的屋頂上開4個回風(fēng)口，并將其會合到回風(fēng)管進(jìn)入除濕機(jī)。經(jīng)過除濕機(jī)除濕后，從除濕機(jī)出風(fēng)口再連接到蒸汽盤管的進(jìn)風(fēng)口，使空氣得到加熱，形成循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)。其方案如圖3所示。

圖3 烘房設(shè)計方案圖

烘房內(nèi)設(shè)置多個溫度傳感器來檢測烘房內(nèi)溫度的均勻性。加熱器采用蒸汽盤管，除濕機(jī)采用管道式高溫除濕機(jī)，循環(huán)風(fēng)機(jī)與除濕風(fēng)機(jī)合用一臺風(fēng)機(jī)。當(dāng)烘房開啟時，循環(huán)風(fēng)機(jī)就啟動并持續(xù)運(yùn)行到烘房運(yùn)行結(jié)束。蒸汽管道采用無縫鋼管，蒸汽閥門采用模擬量調(diào)節(jié)的自動控制閥門，控制系統(tǒng)采用西門子PLC，利用PID算法調(diào)節(jié)閥門開度。當(dāng)烘房初始運(yùn)行時，為了防止系統(tǒng)溫度上升緩慢及溫度波動大，將蒸汽閥門開度設(shè)定在一個相對中間的位置。當(dāng)烘房內(nèi)溫度達(dá)到一定數(shù)值后，根據(jù)設(shè)定溫度與烘房內(nèi)實際溫度的差，按設(shè)定的PID值來調(diào)節(jié)蒸汽閥門的開度，以使烘房內(nèi)溫度保持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

烘房使用的是耐55 ℃的高溫管道式除濕機(jī)，但由于除濕機(jī)的壓縮機(jī)內(nèi)置在除濕機(jī)整個機(jī)箱內(nèi)，考慮夏季運(yùn)行工況，車間內(nèi)溫度高，因此除濕機(jī)機(jī)箱內(nèi)的熱量比較難散發(fā)到周圍空氣中。同時由于機(jī)箱內(nèi)有高溫空氣經(jīng)過，會進(jìn)一步提升機(jī)箱內(nèi)的溫度，因此會造成壓縮機(jī)過熱保護(hù)，除濕機(jī)停止工作，起不到除濕效果。針對夏季運(yùn)行工況的不利條件，將除濕機(jī)壓縮機(jī)移到機(jī)箱外部，使壓縮機(jī)直接與空氣接觸，壓縮機(jī)的溫度可以直接散發(fā)至空氣中，避免由于壓縮機(jī)過熱而造成除濕機(jī)停止運(yùn)行。通過壓縮機(jī)外置改造，消除了夏天壓縮機(jī)過熱保護(hù)造成的停機(jī)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(nèi)水分快速蒸發(fā)，烘房內(nèi)空氣很容易達(dá)到飽和狀態(tài)，減緩了物料內(nèi)水份的進(jìn)一步蒸發(fā)。同時，水分汽化吸收大量熱量，使烘房內(nèi)空氣溫度提升速度慢，烘干效率降低。為了避免此種情況發(fā)生，在循環(huán)風(fēng)管道系統(tǒng)上增加了一個電動控制閥及一臺排濕風(fēng)機(jī)。在設(shè)備剛啟動時，檢測到烘房內(nèi)濕度達(dá)到一定數(shù)值后，打開電動控制閥，開啟排濕風(fēng)機(jī)，使室內(nèi)的濕氣快速排到室外。當(dāng)濕度滿足一定條件或者運(yùn)行一定時間后，關(guān)閉電動閥門及排濕風(fēng)機(jī)，減少外部空氣的補(bǔ)充，以節(jié)約蒸汽加熱量。其控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)圖

4 結(jié)語

管道除濕機(jī)在烘房內(nèi)的應(yīng)用，可同時對烘房進(jìn)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(chǎn)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(chǎn)能的提升打下了基礎(chǔ)。在選擇除濕機(jī)時，需要考慮除濕機(jī)的適用范圍。常規(guī)的除濕機(jī)工作溫度一般在5 ℃~38 ℃，而烘房生產(chǎn)工藝通常要求運(yùn)行在55 ℃，常規(guī)除濕機(jī)不能滿足生產(chǎn)要求，因此需要選擇耐高溫除濕機(jī)，其使用溫度為38 ℃~55 ℃。為了避免夏天工況除濕機(jī)壓縮機(jī)過熱情況的發(fā)生，將除濕機(jī)壓縮機(jī)移到機(jī)箱外部，使壓縮機(jī)有一個良好的降溫空間，改造過后的除濕機(jī)能更好地滿足夏天工況的使用要求。