一種基于單片機控制的多毛細管船舶空調除濕系統的研究

劉娟，段麗華

（渤海船舶職業學院 電氣工程系，遼寧 葫蘆島 125005）

0 引言

人體在濕度為 60%～70%的空氣環境中最為舒適，高于70%的濕度，人體舒適度就會下降。隨著人們生活水平的日益提高，和對高品質人居環境的需求，大多數空調都已經配備了除濕功能，能夠滿足一般的溫濕度控制要求，然而由于海上濕度相對正常情況要大好多，同時，又由于遠洋船舶通常在全球海域內航行。當船舶從北半球越過赤道至南半球、或者從南半球至北半球的航行過程中，外界氣溫可能在+50～+30℃℃的范圍內劇烈變化，雖然空調制冷本身就具有除濕功能，但是在海洋這個濕度非比一般大的環境里，普通的空調的除濕效果不能保證其船艙內的濕度控制要求。并且在南方地區的陰雨季節，溫度并不高，這時假如用普通空調來除濕，吹出的是涼風，越除濕會越冷，給人的感覺會相當不愉快。雖然有的船舶也同時配有除濕機，但對除濕機而言，環境溫度低于15℃時，附著于蒸發器表面的水滴會結冰而使除濕效果減弱，若環境溫度超過40℃以上時，系統內壓力會增高而使壓縮機過載，此時過載掩護器要堵截線路，否則壓縮機電念頭會毀損。為了讓船員有個更好，更舒適的工作和生活環境，必須專門針對遠航船舶空調濕度控制系統進行研究。本論文就針對此種情況，設計一套基于單片機控制的多毛細管轉換空調濕度控制的系統。

1 系統具體設計方案

1.1 空調制冷原理簡介[1]

現代船舶空調主要采用集中式、半集中式，有的也采用分體式。就除濕方式來說，有制冷模式和獨立除濕模式兩種。但無論哪種空調，無論采用哪種控制方式，其制冷過程都如圖1所示：

空調的制冷系統由壓縮機、冷凝器、節流毛細管、蒸發器組成，并由銅管將這四個元件相連接組成一個系統。首先將系統內的制冷劑蒸氣吸入汽缸，并由壓縮機進行壓縮提高壓力再排出氣缸，促使制冷劑在系統內流動；接著蒸氣狀態的制冷劑在冷凝器中把所吸收的熱量排放出系統凝結為液體；液體制冷劑經過節流毛細管降低到蒸發壓力后，進入蒸發器，在蒸發器中氣化吸熱制冷完成整個制冷過程。

空調的除濕過程為：空調進風在節流毛細管及蒸發器處被冷卻，當二者的表面溫度低于空氣的露點溫度時，進風中的水分就會凝聚下來，這樣出風濕度就會降低，達到去濕的目的。也就是說，空調的去濕是在節流毛細管和蒸發器上完成的，如果我們能對這兩部分進行一下改造，那么就能很好的對空調的除濕功能進行控制。

圖1 空調制冷過程示意圖

1.2 電磁閥結構和工作原理介紹[3]

電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通氣孔，每個孔都通向不同的管路，腔中間是閥芯，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥芯就會被吸引到哪邊，通過控制閥芯的移動來檔住或漏出不同的出氣孔，而進氣孔是常開的，本文就是應用這一點來改變制冷劑的流向。

以三位五通電磁閥為例，三位五通電磁閥顧名思義，三個工作位置，五個口。三個位置是指電磁閥的閥芯有三個位置。三位電磁閥都是有兩個線圈的。我們暫且稱之為A和B線圈。AB都不通電的時候閥芯是一個位置，A通電時閥芯會動作，這是第二個位置，A斷電，B通電的時候閥芯的位置是第三個位置。所以一共三個位置。五通就是指五個口，一個進氣口，兩個氣缸口，兩個排氣口（這兩個也可以并成一個）。

1.3 毛細管的結構和作用[4]

毛細管如圖2所示，一般是銅制的，管內直徑在1 mm以下，連接于冷凝器與蒸發器之間，起到節流降低壓縮機送來的高壓液化制冷劑的壓力的作用。制冷系統中制冷劑流量隨毛細管長度的增加而減少，隨毛細管直徑的增大而增加。改變毛細管長度和直徑，也就改變了供給蒸發器的制冷劑流量，空調的工作狀態將產生變化。

圖2 毛細管實物圖

1.4 電磁閥對多路毛細管的控制[2]

從前文我們已經得知，空調的除濕主要集中在節流毛細管和蒸發器上，我們在這兩個器件上做一些改進，那么就能進一步提高空調的除濕能力。蒸發器改造起來相對難度較大，那么我們就在節流毛細管上做些改造，具體的改進方法如圖3所示。

圖3 多節流毛細管的空調制冷過程示意圖

如前文所述，改變毛細管長度和直徑，也就改變了供給蒸發器的制冷劑流量，空調的工作狀態將產生變化，除濕效果也會相應的發生變化。基于這種理論，我們在冷凝器和節流器之間加裝一個多位電磁閥（圖中以三位為例），節流毛細管的數量也由一根增至多根（數量與電磁閥是位數相匹配），每一個的長短和直徑都不同，然后我們應用單片機控制電磁閥的磁鐵線圈通斷電，從而控制閥芯所在的位置，就能控制在冷凝器出來的制冷劑到底流向哪個節流毛細管，即本設計是通過電磁閥控制多路節流毛細管，再根據毛細管的不同來調節空調的去濕能力。

1.5 單片機對空調除濕系統的控制[5]

單片機通過對電磁閥的控制來實現對整個空調除濕系統的控制，控制原理圖如圖4所示。

利用濕度傳感器將室內濕度信號采集到單片機內部，單片機再控制電磁閥的通斷方向來改變節流毛細管路，再經過蒸發器等器件到達室內，節流毛細管不同，除濕能力也就不同。單片機控制流程圖如圖5所示。

1.6 單片機對空調溫度的控制

要想除濕，空調溫度必須降到空氣露點溫度以下，這時除濕以后的出風溫度必然低于人居溫度要求，就要對其進行加熱。

圖4 基于單片機控制的空調除濕系統原理圖

如圖4所示，蒸發器后要安裝一電熱器，單片機除了采集濕度信號，同樣也通過溫度傳感器采集溫度信號，當出風通過蒸發器（表面低溫）析出冷凝水后再由電熱器件加熱到合適的溫度，單片機對電熱器的控制流程圖見圖5。

圖5 單片機控制的空調除濕系統流程圖

2 結束語

雖然本論文是以外界氣溫在+50～+30℃℃的范圍內劇烈變化為背景來探討的，但是，這并不是說本系統只適合這種情況下，它一樣具有普通空調的其他功能。對于其他情況，比如加熱并去濕等一樣可以實現，這只不過是對毛細管和電熱器控制程度的不同而已，這里不再做過多說明。

現代船舶空調裝置在嚴酷的海況和多變的氣候條件下，應用本系統，不僅僅實現溫度的控制，而且因為節流毛細管路的多路使得空調能在很大程度根據實際情況調節濕度。采用單片機控制，簡單、方便、成本低，也就是說，本系統具有節能、高精度的技術特征和優良調節的性能，這將是今后船舶空調系統實現電子化控制、節能和高效除濕的主要技術措施。

[1] 梁曉宇. 空調器和除濕器的除濕原理. 基礎學堂.

[2] 劉華, 許謙. 空調獨立除濕原理及實現方法. 江蘇:太倉冷氣機廠, 2009.

[3] 厲和鳳, 徐建華. 船舶空調中的溫濕度控制. 浙江水產學院學報, 1998.

[4] 李震, 江億, 陳曉陽, 劉曉華. 溶液除濕空調及熱濕獨立處理空調系統. 暖通空調HV&AC, 2003, 33（6）.

[5] 陳安揚. 船舶空調系統設計新思路. 低溫送風. 船舶工程, 2003 , 25（5）.